大运河运河站实用水文预报方案优化与应用

杨明非，刘田田，房 磊，王勇成

（江苏省水文水资源勘测局徐州分局，江苏 徐州 221018）

实用水文预报方案是水文预报人员根据多年工作经验总结的预报方法，它既有一定的理论依据，又有大量的实测资料为基础，能充分结合河段的特征，具有较高的预报精度[1]。

《淮河流域沂沭泗水系实用水文预报方案》自1982 年编制完成以来，已经在沂沭泗流域应用多年，先后经历了1993 年、2001 年和2014 年的三次系统修订，在防洪减灾和有关生产实践中发挥了举足轻重的作用。运河水文站实用水文预报方案经过多年洪水作业预报考验、数次完善与修正，仍是大运河洪水预报工作的依据。然而由于韩庄闸至运河站预报区间内闸库较多，洪水过程受其影响较大，同时韩庄闸至运河站的预报区间内地形和下垫面情况差别较大，用统一的P+Pa～R 和单位线求得的区间径流过程与实际径流过程拟合欠理想，综合导致采用分段（韩庄闸—台儿庄闸、台儿庄闸—运河站）马斯京根演算叠加预报区间降雨产流方式预报的洪峰出现时间与实际洪水有较大出入。为了提高运河站洪水预报精度，让水文预报工作在防洪抢险、水利工程调度运用、水资源开发利用中更好地发挥作用，本文以中运河台儿庄闸为界，将韩庄闸至运河站预报区间分成两部分，台儿庄闸以上视为上游来水，采用马斯京根法演算至运河站，台儿庄闸至运河站区间采用降水产流（P+Pa～R、单位线）预报洪峰流量和峰现时间，台儿庄闸马斯京根法演算至运河站的流量过程与台儿庄闸至运河站区间产汇流过程叠加，即为运河站洪水过程。

1 研究区域概况及资料来源

1.1 研究区域概况

运河水文站位于邳州市前索家村西约500m 的大运河上，是国家重点大河控制站，其上游37.4km处中运河上建有台儿庄节制闸，台儿庄节制闸上游又建有韩庄节制闸；运河站上游22km 处京杭运河上建有刘山节制闸。运河站预报区间为微山湖、会宝岭水库、江风口闸以下，运河站以上区域[3]，预报区间集水面积6102km2。左岸自上而下汇入的较大支流依次有峄城大沙河、陶沟河和邳苍分洪道，右岸汇入的较大支流为伊家河和京杭运河。微山湖通过韩庄闸泄水、峄城大沙河来水和伊家河来水有台儿庄闸水文站控制，邳苍地区来水有邳苍分洪道林子站控制，京杭运河来水有刘山闸水文站控制，陶沟河来水没有水文站控制，见图1。

图1 韩庄闸至运河站预报区间水系图

1.2 资料来源

初版《淮河流域沂沭泗水系实用水文预报方案》，系淮委防办于1982 年在苏、鲁两省已有洪水预报方案的基础上整理、补充、汇总成的《沂沭泗流域洪水预报图表》，后于1993 年完成第一次系统修订，更名为《淮河流域沂沭泗水系实用水文预报方案》出版，并相继于2001 年和2014 年完成了第二次和第三次系统修订。目前使用的是2014 年完成修订的版本，方案中运河站洪水预报沿用1982 年的方法，分段（韩庄闸—台儿庄闸、台儿庄闸—运河站）马斯京根演算南四湖来水叠加预报区间降水径流过程。预报区间内闸库较多，洪水过程受其影响较大，同时韩庄闸站至运河站的预报区间内地形地貌差别较大，运河站以上流域北部为山区，坡大流急，运西地区为平原，水势平缓，而预报区间内统一采用的是综合的P+Pa～R 和单位线，求得的区间径流过程不甚理想，导致预报的洪峰出现时间与实际洪水有较大出入。

为使预报方案中的相关关系更契合当前的河道条件及洪水特征[3]，本文将雨洪资料系列延长至2022 年，以台儿庄闸为界将预报区间分成两部分，以台儿庄闸为上游来水，将原方案的两段（韩庄闸—台儿庄闸、台儿庄闸—运河站）马斯京根演算简化为一段（台儿庄闸—运河站）马斯京根演算，对方案进行优化改进。

2 预报方案的建立与优化

2.1 方案的建立

《淮河流域沂沭泗水系实用水文预报方案》中编制的运河站洪水预报方案，首先，以预报区间Pa值和流域平均次雨量，查P+Pa～R 关系图得相应时段的径流深R。第二，用查得的时段径流深R，应用单位线求得区间径流过程。第三，韩庄闸、会宝岭水库、蔺家坝闸、江风口闸泄水时，泄水采用马斯京根法进行洪水演算。江风口闸1974 年以来未开闸，蔺家坝闸亦甚少开闸，会宝岭水库泄洪量较小，实际工作中，对运河站洪水过程影响最直接的是韩庄闸泄水。韩庄闸洪水期开关闸频繁，根据已建立的马斯京根公式和汇流参数，将韩庄闸泄量演算至台儿庄闸，再将演算得到的台儿庄闸泄量演算至运河站，即为上游来水演算到运河站的洪水过程。最后，将第二步求得的区间径流过程加入本次洪水起涨时运河站的底水，再加入第三步上游来水演算到运河站的洪水过程，即为运河站所要预报的洪水流量过程，洪峰流量对应的时间即为峰现时间。

2.2 方案的优化

如前文所述，会宝岭水库、蔺家坝闸和江风口闸基于各自原因，其演算结果对运河站洪水过程影响甚微。在忽略会宝岭水库放水、蔺家坝闸泄水、江风口闸泄水的前提下，运河站预报洪水过程影响因子为区间外来水和区间内降水径流。原方案区间外来水的计算的初始流量是韩庄闸泄量，马斯京根法演算至台儿庄闸，再将演算得到的台儿庄闸泄量马斯京根法演算至运河站，二次马斯京根法演算增加了求得洪水过程的不确定性。本文将韩庄闸下游35km 处的台儿庄闸泄水作为上游来水马斯京根法演算的初始流量，作为中运河上的控制断面，台儿庄闸站较其上游的韩庄闸站控制面积增加了伊家河和峄城大沙河两大支流来水，为此，在区间降水径流的计算中，扣除伊家河和峄城大沙河区域，直接以台儿庄闸实测流量作为马斯京根法演算的初始流量演算至运河站，较之以韩庄闸泄水演算至台儿庄闸的计算流量作为初始流量再演算至运河站，精度的提高不言而喻。另一方面，峄城大沙河和伊家河两大支流流量原方案中是通过P+Pa～R和单位线求得，本文是通过台儿庄闸控制，两者亦是计算值与真值的差别。

2.3 结果对比与分析

2.3.1 洪水预报许可误差与预报精度评定

预报方案精度评定，依据《水文情报预报规范》（GB/T 22482-2008）的相关技术规定，结合运河站实际情况，运河站洪水预报采用降水径流和河道洪水演算相结合的方式，洪峰流量预报以实测洪峰流量的20%作为许可误差[4]；运河站洪水预报的预见期一般为30～48h，预报方案的计算时段长为6h，运河站峰现时间预报以一个计算时段长（6h）作为许可误差[3]。

2.3.2 预报方案修订前后精度对比

将运河站实用水文预报优化方案与马斯京根法演算的各种参数一同编入Excel，形成半自动化预报方案，进行作业预报。应用优化方案对运河站2019—2022 年的洪峰流量进行模拟计算，与原方案的预报成果精度进行对比分析。优化方案模拟结果与原方案预报精度对比见表1。

表1 运河站实用水文预报优化方案与原方案预报结果精度对比表

区间外来水在场次洪水中占比较大时，优化方案与原方案预报峰现时差结果差别较大，区间外来水较少时，优化方案与原方案预报结果差别不显著，因此表1 只列出了区间外来水占比较大（＞1500m3/s）场次洪水的预报误差。表1 中相对误差均值、峰现时差均值均为取绝对值后的平均值。

由表1 可以看出，优化方案模拟洪峰流量的误差相比原方案略有减小，原方案预报的洪峰流量相对误差均值为13.7%、优化方案模拟的洪峰流量相对误差均值为12.0%，且优化方案模拟洪峰流量的相对误差均在20%以内；优化方案的峰现时间模拟误差相比原方案明显减小，原方案预报峰现时差均值为2 个时段，超过了峰现时差的许可误差，优化方案峰现时差均值减小为1 个时段，在许可误差范围内。洪水预报精度提高的主要原因是优化缩小了预报过程中降雨径流测算的范围、缩短了预报过程中马斯京根演算的长度，优化方案更适用于运河站预报区间的洪水模拟。

3 结语

以韩庄闸至运河站预报区间为研究区域，将运河水文站实用水文预报方案中韩庄闸—台儿庄闸马斯京根法演算流量替换为台儿庄闸实测流量，作为预报区间的上游来水马斯京根法演算的初始流量演算至运河站，且将原方案中通过P+Pa～R 和单位线求得的峄城大沙河和伊家河两大支流流量，替换为通过台儿庄闸控制及实测流量，有效提高了预报精度质量，对运河区间的作业预报具有一定的参考价值，可作为《淮河流域沂沭泗水系实用水文预报方案》下一步修编的方向。

本文对运河站实用水文预报方案的优化是在现状掌握的站点、报汛信息基础上，从缩减洪水预报中间环节（马斯京根法演算、降水径流预报）的角度，提高洪水预报的精度。优化后的运河站实用水文预报方案河道洪水马斯京根法演算由2次变为1 次；原采用降水径流预报的韩庄闸至台儿庄闸区间1345km2面积转为由台儿庄闸控制，缩小了降水径流预报的区域面积。

预报区间大部分地区为平原区，水势平缓，但邳苍地区坡陡流急，降雨产流关系有别于其他地区，为了提高实用水文预报方案的适用性，应根据邳苍地区水文资料，单独编制邳苍分洪道林子站预报方案，作为韩庄闸至运河站预报区间的子方案；同时，于陶沟河入大运河处设置水文站监测水位流量，探讨陶沟河小流域降雨径流关系，以进一步提高运河站洪水预报精度