牧马河西乡水文站洪水预报方案探讨

牧马河西乡水文站洪水预报方案探讨

张芳

陕西省汉中水文水资源勘测局陕西汉中723000

摘要：西乡水文站控制牧马河流域面积1224Km2，为汉江上游区域站，自东向流经城固县、西乡县、在西乡城南三花石乡回龙湾汇入汉江，牧马河是汉江的主要支流。针对周边支流局地暴雨洪水泥石流的应急预警，是西乡县防汛工作的关键，依据牧马河及上游水文站实测历史洪水资料，分析牧马河来水汇流演变规律，研究汉江流域局部暴雨洪水特性，研制出牧马河洪水预报模型作为西乡县防汛预报方案，为西乡县防汛工作提供科学依据。

关键词：防汛洪水预报模型牧马河西乡水文站

前言

洪水预报是根据洪水形成和运动的规律，利用过去和实时的水文气象资料，对未来一定时段内的洪水发展情况进行预测预报分析，是防灾减灾的一项重要的非工程措施，在国民经济建设中具有重要的参谋和耳目作用，洪水预报作为一项在流域水资源管理方面的应用技术，其核心----三水源模型是进行水文预报重要技术之一。

1预报河段自然地理特性西乡水文站概述

1.1牧马河流域水系概况

牧马河，长江支流汉江上游右岸支流，又名西乡河、木马河，相传源头因曾有木马成而得名。源于城固、南郑、西乡3县交界处米仓山北麓的白熊山老鹰崖（一说唐家垭一碗泉），东向流经城固县、西乡县、在西乡城南三花石乡回龙湾汇入汉江。从骆家坝乡桃园子入县境，全河干流长122.7公里（一说140公里），境内河流长110公里，河面宽度203-250米，峡口以上50公里为上游；峡口至泾阳河口39公里为中游，泾洋河口以下34公里为下游。上游山高谷深，山势陡峭，水行于峡谷之间；骆家坝以下河谷渐宽，多属花岗岩浅山丘陵，河谷宽窄相同，县城附近形成西乡小盆地，面积28平方公里，仅次于汉中盆地。下游为砂砾河床，河岸冲淤，变化多端。牧马河纳大小支流50余条，积水面积2870平方公里，平均比降131%，年均径流量20.8亿立方米，牧马河沿途纳救峡河、沙河、杨河、泾洋河、丰渠河、孙家河、神溪河等水。

1.2预报站基本情况

西乡站以上流域内共设有沙河坎、钟家沟、峡口、左溪、廷水5个雨量站，和西乡站一起组成基本的报汛站网。水文站网图见图1。

西乡水文站位于汉中市西乡县城关镇，1974年由陕西省水文总站设立，是汉江南岸一级支流牧马河上的控制站。观测项目有水位、流量、泥沙、降水和蒸发。西乡水文站控制流域面积1224Km2，流域位于大巴山北鹿，流域呈扇型，山地海拔高度在500～3000m之间，多年平均降雨量为877mm，7～9月降雨量占全年总量的50%以上。流域内降雨比较丰沛，土壤湿润，汇流时间短，加之位于暴雨多发区，因此，因暴雨形成的洪水出现频次高，而且出现的洪水峰高量大。1974年9月13日实测最大洪峰流量为2230m3/s。

2预报方案原理及方法

2.1建立新安江模型三水源水文预报

新安江三水源流模型：蒸发部分采用三层蒸散发计算流域蒸散发。按照蓄满产流概念计算降雨产生的总径流量，采用流域蓄满水曲线考虑下垫面不均匀对产流面积变化的影响。在将径流划分为三种水源，按照自由蓄水库把总径流划分为饱和地面径流和地下径流、壤中水径流和地下径流。在汇流计算方面，地面径流汇流一般采用单位线法，壤中水径流和地下径流的汇流则采用线性水库法。把全流域分成许多单元流域，对每一个单元流域作汇流计算，求得单元流域出口流量过程。再进行出口以下的河道洪水演算，得出流域出口的流量过程。把每个单元流域的出流过程相加，就求得了流域出口的总出流过程。河网汇流采用马斯京根法或滞时演算。见图2新安江模型各层次功能、计算方法和相应参数。

2.1.2三水源模型的参数计算

（1）蒸散发计算

新安江三水源模型中的蒸散发计算采用的是三层蒸发计算模式，输入的是蒸发器实测水面蒸发和流域蒸散发能力的折算系数，模型的参数是上、下、深三层的蓄水容量WUM、WLM、WDM（WM=WUM+WLM+WDM）和深层蒸散发系数C。输出的是上、下、深各层的流域蒸散发量EU、EL、ED（E+EU+EL+ED）。计算中包括三个时变参量，即各层土壤含水量WU、WL、WD（W=WU+WL+WD）。以上的WM、E、W分别表示总的流域蓄水容量、蒸散发量、土壤含水量。各层蒸散发的计算原则是，上层按蒸散发能力蒸发，上层含水量蒸发量不够蒸发时，剩余蒸散发能力从下层蒸发，下层蒸发与蒸散发能力及下层含水量成正比，与下层蓄水容量成反比。要求计算的下层蒸发量与剩余蒸散发能力之比不小于深层蒸散发系数。否则，不足部分由下层含水量补给，当下层水量不够补给时，用深层含水量补。

（2）产流量计算

产流量计算系根据蓄满产流理论得出的。所谓蓄满，是指包气带的含水量达到田间持水量。在土壤湿度未达到田间持水量时不产流，所有降雨都被土壤吸收，成为张力水。而当土壤湿度达到田间持水量后，所有降雨（减去同期蒸发）都产流。

一般说来，流域内各点的蓄水容量并不相同，新安江三水源模型把流域内各点的蓄水容量概化成的一条抛物线，

（4）汇流计算

流域汇流计算包括坡地和河网两个汇流阶段。

（5）方案编制和分析

本次新建三水源预报方案，相关参数主要采用水文站洪水资料及流域内的蒸发、降雨资料，通过应用中水科编成的《陕西省中小河流洪水预报系统》进行方案制定和参数率定，经软件分析计算取各参数取值范围合理，汇流参数符合流域物理模型特性。

3预报方案的建立

3.1数据处理

根据中水科的《陕西省中小河流洪水预报》软件功能，首先将我们西乡水文站所选的特大、大、中、小洪水51场的洪水资料和配套的雨量、蒸发资料进行整理。按照历史水文数据处理模板，首先是将降雨、蒸发、流量过程整理为三种Excel模板；二是导入洪水摘录数据库；三是选择洪水场次，数据来源选择摘录表数据，根据洪水大小，人工定义洪水等级（特大、大、中、小四级洪水等级），再选择洪水过程进行洪量计算。

3.2方案制定

数据处理完成之后，将进行洪水预报方案制定。流域区间降雨产流采用使用三水源产流模型（蓄满产流），得到各单元流量过程；河道汇流采用用马斯京根分段连续演算，求出不同洪水量级下的蓄量流量关系曲线的坡度k，流量比重因素x，建立变动参数的流量演算模型，推算到预报站断面。

洪水预报方案制定也按照洪水等级分四种特大、大、中、小洪水预报方案等级，不同等级洪水的预报方案将分别进行洪水参数计算。

（1）选取预报断面，给预报方案命名，如西乡水文站三水源模型预报方案（等级为小洪水、中等洪水、大洪水、特大洪水）；

（2）选取水位流量关系曲线；

（3）选取方案的预报方法；

（4）选取时段长，如时段长为1小时；

（5）选取区域、模型配置、雨量站配置、蒸发站配置，编写预报站说明。3.3参数率定

根据不同级别的洪水预报方案进行不同的参数率定：

（1）选择预报断面和预报方案名称；

（2）子流域分段；

（3）选择洪水场次，如洪水按照前面所分的特大、大、中、小，进行分类，按照洪水等级进行分别计算洪水的参数。在参数率定时，首先用自动优选，如果参数合格率不高，可进行多次自动优选；再就是调整次洪状态变量，进行人工优选，最后保存参数。

4预报方案（一）误差评定与检验

根据《水文情报预报规范》GB/T22482-2008要求，三水源模型参数的分析和率定，模型编制方中国水科学研究院对模型方案误差，采用许可误差。

4.1三水源模型预报洪水误差评定

（1）洪峰流量的许可误差

模型预报值以实测洪峰流量相对误差小于20%作为洪峰流量预报的许可误差。

（2）峰现时间预报许可误差

峰现时间以预报根据时间至实测洪峰出现时间之间时距的30%作为许可误差，当许可误差小于3h或一个计算时段长则以3h或一个计算时段长作为许可误差。

根据预报模型参数的率定，计算的预报值的合格情况。

4.2模型预报方案的精度评定

根据预报模型按照特大、大、中、小洪水参数的计算了西乡水文站51场洪水，根据计算的结果统计，特大洪水3场次，合格3次；大洪水5场次，合格4次，不合格1次；中等洪水24场次，合格21次，不合格3次，小洪水19场次，合格17次，不合格2次，总体51场次洪水，合格45次，不合格6次，模型的预报值的合格率达88.2%，详见表3.

表3模型预报值合格率统计表

4.3预报方案总体评价

西乡水文站模型洪水预报方案预报内容为洪峰流量预报值和峰现时间预报2项，根据《规范》规定，预报方案精度评定应按照各预报项目合格率的算术平均值为依据。经计算平均合格率为88.2%，方案评定等级为乙等。

5结论

三水源模型内部的结构来讲，在牧马河西乡水文站洪水预报中为了简化计算，从而概化为线性叠加系统，不确定的人类活动改变了流域多年的下垫面条件，导致产汇流机制发生变化。本文采用三水源预报模型，为牧马河河道洪水演算提供了一个实用的方法，该预报方案有良好的适用性、经验性、模型结构简单、实用性强，预报模型可用来来为西乡县洪水预警预报服务，在用历史资料模拟现状水文过程也必然产生误差，在使用过程中参数值需要进一步更新，具体预报时参考实时洪水涨、落、平水势以及气象天气等因素实时修正，该方案的算法简单易于在计算机可以操作，计算机快速预报可以提高预报的准确性。