博尔塔拉精河山口水文站洪水预报方案探析

张 庆

（新疆博尔塔拉水文勘测局,新疆 博尔塔拉 833400）

1 概况

精河发源于天山山脉婆罗科努山北坡,由南向北最终注入艾比湖。上游有两条支流,左支流为冬图劲河,右支流为乌图劲河,两支流在精河山口水文站上游约8.0 km 处汇合。精河全长114 km,精河山口水文站基本断面以上集水面积1419 km2,河网密度为0.091,坡降25‰～8.3‰[1]。精河流域属于大陆性暖温带干旱气候。气候干燥、少雨、多风沙。年极端最高气温41.0℃,多年平均降水量为99.7 mm。精河上游共有冰川 129 条,冰川面积96.20 km2,冰川总储量54.598×108m3。在连续高温的天气情况下,若再遭遇暴雨,可形成大洪水。

精河山口水文站为控制站,属国家级重要水文站和中央报汛站,设于1956 年4 月,现测验断面以上集水面积1419 km2,河长114 km,测站高程618.321 m[2]。该站历年最高水位615.30 m,出现于2016 年9 月25 日,对应流量为390 m3/s,排位第一,多年平均流量14.9 m3/s,多年平均径流量4.704 亿m3,最大年径流量6.050 亿m3,出现于1988 年；最小年径流量3.401 亿m3,出现于2013 年。

2 水利工程及防洪对象

2.1 精河下天吉水库

精河山口水文站上游700 m 有1998 年建设的精河下天吉水库。该水库总库容1438 万m3,调洪库容1020 m3,是精河流域最大的水利工程。泄洪洞设计洪水位最大泄量345.7 m3/s,校核洪水位最大泄量363.7 m3/s；溢洪道设计洪水位最大泄量214.4 m3/s,校核洪水位最大泄量297.67 m3/s。水库度汛的汛限水位为651.70 m,水量200 万m3以内,预存防洪库容223 万m3,加上泄洪能力（蓄洪区间内平均泄洪246.57 m3/s）,保守估计可抵御持续8 小时338 m3/s 洪水的能力。

2.2 下游重要防洪设施

水库下游27 km 沿河村队有河西村、夹巴沟、新庄村、蘑菇滩等村队,沿河两岸的土地、房屋常遭洪水灾害,水库下游8 km 处有精－伊－霍铁路跨河大桥通过,26 km 处奎－赛高等级公路精河段大桥,27 km 处有跨河国道312 线精河段大桥、右岸精河生态园等重要交通干线及景观设施。

3 洪水成因与类型

精河洪水几乎全部形成于山区。由于集水区的高程较低,冰川和高山永久性积雪覆盖面积较小,均不足流域面积的4%,因此,河流的洪水类型是形成于中高山区的冰雪融水型洪水、形成于中低山带的暴雨型洪水和雨雪混合型洪水。

3.1 冰雪融水型洪水

春、夏季中低山融雪型洪水,洪峰不高洪量较大,一般可持续3～7 天。有明显的日变化,峰形平缓,前后日峰形相似,峰谷相应[3]。5 月～6 月,日最大洪峰一般出现在夜间2 时～4 时。随着气温的升高,较低海拔高度的积雪融化,6 月～8 月,主消融区高温上升,日最大洪峰一般出现在4 时～6 时。

3.2 暴雨型洪水

精河流域年降水量的41.1%集中于夏季。河流为山溪性河流,流程短,河流出山口以上河段,地形陡峭,河槽下切深,两侧山地坡度大,产汇流极为迅速。暴雨往往形成年最大洪峰流量,给河流下游造成洪水威胁。如精河山口水文站1998 年7 月12 日的一次暴雨洪水。该次洪水前期降水7.8 mm (山区可能达暴雨)形成当年该站最大洪峰流量258 m3/s,是当年平均流量的13.9 倍。历时1 小时,一次洪量仅78×104m3,只是当年径流量的0.13%。

3.3 雨雪混合型洪水

精河发生此类洪水,其成因为5 月～8 月山区冰雪融化,同时又遭遇中低山暴雨所致。此类洪水特点是：较暴雨洪水峰形胖、峰高、历时长、洪量大,涨水快落水慢。例如精河山口水文站1999 年7 月17 日至23 日的一次洪水过程,该次洪水起始日平均洪峰流量起为50.8 m3/s,最大日平均流量为105 m3/s。

4 预报模型与方法选择

4.1 资料收集

精河山口水文站为精河中下游出山口控制站,有1956 年～2021 年连续66 年资料,资料可靠、系列长。汛期水位用自记水位计观测,流量用流速仪一点法施测,洪水期无法用流速仪法施测时用浮标法或比降面积法施测,水位流量关系稳定。该站洪水系列未受人类活动影响,基本断面变迁在550 m范围内,区间无支流汇入或引水,系列具有很好的一致性和连续性。洪峰流量均值稳定在110 m3/s～120 m3/s 之间。

4.2 选取合适的预报因子

精河上仅有山口水文站一处水文站,本方案为单河单站的洪水预报方案。精河山口水文站建站以来年最大洪水成因以及年内主汛期逐月分布频次统计成果见表1。精河洪水多发生在6 月、7 月,融雪型洪水发生的频次较少,洪水量级也较小。暴雨洪水发生的频次高,洪水的量级也大。

表1 精河山口水文站历年最大洪水成因及年内分布表

4.3 预报方案的建立

精河山口水文站洪水预报对象单一,为水文站最大洪峰流量；影响因子为最大洪峰流量前一日河道平均流量和预报降水量。精河山口水文站年最大洪水预报采用平稳时间序列法和年径流相关法进行预报。预报结果考虑前一日河道平均流量和预报降水量。

4.3.1 平稳时间序列法预报

经过大量实测资料归纳分析,年最大洪水本身具有一定的规律性。利用已监测到的年最大洪峰流量的系列,寻找自身规律,得到预报年份的最大洪峰流量预报值。精河山口水文站1956 年～2021 年年最大洪峰流量曲线图见图1。

图1 精河山口水文站历年年最大洪峰流量过程线图

以精河山口水文站1956 年～2019 年年最大洪峰流量建立序列,采用平稳时间序列法预报2020 年最大洪峰流量；以精河山口水文站1956 年～2020 年年最大洪峰流量建立序列,采用平稳时间序列法预报2021 年最大洪峰流量。

（1）2020 年预报

资料统计年限为1957 年～2019 年,自回归方程为：

式中：Y（t）为预报对象 Y,Y 即精河站年最大流量；Y（t-i）为预报因子；JZ=118.6651（Y 之均值）；Bi为自回归系数。

精河站年最大流量预报因子值：2019 年63.9,2018 年71.8,2017 年75.4,2016 年,179,2015 年135,2014 年36.4。

经预测,2020 年精河站年最大流量预报结果为：108m3/s。

（2）2021 年预报结果

同理,采用公式（1）预报2021 年最大洪峰流量,精河站年最大流量预报因子值：2020 年51.6,2019 年63.9,2018 年71.8,2017 年75.4,2016 年179,2015 年135。

经预测,2021年精河站年最大流量预报结果为82.0 m3/s。

4.3.2 年径流与年最大洪峰流量相关分析预报方案

根据精河山口水文站年径流量与年最大洪峰流量分布特点,做两特征值的相关关系,见图2～图4,利用图标里的趋势预测/回归分析类型,建立一元线性回归方程预报方案,以年径流量预报年最大洪峰流量,把山口水文站64 年年最大洪峰流量资料按大小分三段,分别建立回归方程如下:

图2 山口水文站年最大洪峰流量（高段）与年径流量相关图

式中：A 为常数；B 为回归系数；C 为随机误差,服从正态分布,受降水、气温等要素影响。该式还有一隐性指标R2,为相关系数,描述线性回归方程好坏。

高段回归方程为：Y=23.848 X+70.435

中段回归方程为：Y=8.2893 X+64.291

低段回归方程为：Y=14.595 X+5.591

预报结果：用2020 年年初预测的年径流量5.000 亿m3作为预报因子预测2020 年的年最大洪峰流量为78.5 m3/s,用2021 年年初预测的年径流量4.800 亿m3作为预报因子预测2021 年的年最大洪峰流量为75.6 m3/s。

图4 山口水文站年最大洪峰流量（低段）与年径流量相关图

4.4 检验预报模型

4.4.1 预报结果统计

利用山口水文站径流1957 年～2019 年系列实测资料,采用该法对年最大洪峰流量进行预测预报,分别预测2020 年和2021 年年最大洪峰流量。以预测年最大洪峰流量与实测年最大洪峰流量进行对比确定预测误差。预报成果见表2。

表2 精河山口站年最大洪峰流量预报误差统计表

4.4.2 预报结果评定

据《水文情报预报规范》（GB/T 22482-2008）洪峰预报许可误差：河道流量(水位)预报以预见期内实测变幅的20%作为许可误差。当流量许可误差小于实测值的5%时,取流量实测值的5%,则以该值作为许可误差的规定,平稳时间序列法预报结果不合格,年径流与年最大流量相关分析2020 年不合格,2021 年合格。一次预报的误差小于许可误差时,为合格预报。合格预报次数与预报总次数之比的百分数为合格率,表示多次预报总体的精度水平。通过检验,该预报模型合格率仅25%。该预报模型不能用于作业预报,仅可用于年最大洪峰流量的估报。

5 结语

洪水预报方案建立是一个影响因素较多的复杂过程。通过分析探讨,两种洪水预报方案在预报2020 年最大洪水时均不合格。在预报2021 年最大洪水时,年径流与年最大洪水相关分析预报方案预报合格,说明此种方法可以估报精河山口水文站洪峰流量,可为该站进一步探索洪水预报精度提供借鉴。