贺江南丰水文站洪水预报方案分析

第1期
2021年1月
广东水利水电
G U A N G D O N G WA T E R R E S O U R C E S A N D H Y D R O P OW E R
N o .1
J a n .2021
贺江南丰水文站洪水预报方案分析
韩长峰,陈仲桥,董 向
(广东省水文局肇庆水文分局,广东肇庆 526060
)摘 要:南丰镇沿贺江未设堤防,河道行洪能力约3年一遇㊂南丰水文站于2007年设立,资料系列较短,受上下游电站调度影响,原洪水预报方案精度较差㊂为解决这一问题,利用建站以来的水文资料,进行洪水传播时间㊁洪峰坦化系数㊁区间流量系数分析计算,制定了洪峰流量预报方案,成果达到甲等洪水预报方案等级;制作了不同起涨水位下的南丰水文站水位流量预报关系图,为南丰镇洪水预报调度和洪水防御提供参考㊂关键词:南丰水文站;洪水预报;马斯京根;曼宁公式;相关法
中图分类号:P 338 文献标识码:B 文章编号:1008-0112(2021)01-0031-05
收稿日期:2020-08-26;修回日期:2020-09-18
作者简介:韩长峰(1982-
),男,本科,高级工程师,主要从事水文监测㊁洪水预报等工作㊂对于河道汇流和区间产流作为输入,下游目标断面作为输出的洪水预报方案,国内外一直采用马斯京根法加区间模型(新安江模型㊁单位线法等)并进行不断的修正㊂马斯京根法是进行河道演算的水文学方法,方法虽然简单但有一定的实用价值,所以至今仍被应用,20世纪50年代以来我国对马斯京根法的物理概念及其使用条件进行了研究论证,对经验单位线的基本假定与客观实际情况不符所带来的问题,采取了有效的处理方法,提出了适合各种不同运用条件下的简易预报方法;新安江模型存在 异参同效 现象,在使用过程中需要不断优化㊂
为解决南丰水文站洪水预报方案精度问题,文中采用多种方法相互对比验证,取得的结果基本一致,并制作了较优洪水预报方案,可应用于预报作业㊂1 概述1.1 河流水系
贺江为西江左岸一级支流,集雨面积为11536k m 2
,
河长为352k m ,平均河床比降为0.471ɢ,发源于广西富川县黄沙岭,经广西贺州市流入广东境内封开县,
于封开江口镇汇入西江㊂流域大部分面积在广西,境
内(广东)面积为2334k m 2
,占全流域面积的20.2%,
河长为128k m ,100k m 2以上支流共8条
[1]
㊂
流域水系及工程分布示意见图1所示
㊂
图1 贺江流域水系及工程分布示意
1.2 调度现状
合面狮水利枢纽集水面积为6260k m 2
,位于广西
贺州市境内,下游46k m 为广东省封开县南丰水文站,
根据‘贺江洪水调度方案“,合面狮出库达到2500m 3
/s
或南丰水位达到35.5m 时,由贺州市防总和肇庆市
防总视情况启动联合会商,下达调度指令;合面狮入
库达到3600m 3
/s 或南丰水位达到36.0m 时,珠江
防总㊁广西自治区防总和广东省防总视情况启动联合
㊃
13㊃
会商,下达调度指令,水文部门根据调度意见和实时雨水情况开展南丰水文站的洪水预报工作㊂贺江中下游主要水文站(合面狮以下)参数见表1㊂
表1贺江中下游主要水文站参数[2](合面狮以下)
站名控制面积
/k m2至河口距离
/k m使用年限
合面狮水利枢纽62601641970.01-
信都63801441955.06-
南丰77001182007.07-
古榄8273661954.05 2007.07 1.3预报方案现状
贺江为跨省河流,广西境内流域面积站流域总面积的79.2%,贺江洪水经合面狮水库调蓄后的最大泄量基本决定了南丰镇河道洪水量级;区间集水面积50k m2以上的支流7条,区间降雨对南丰镇河段洪峰量级的影响明显㊂
历史上沿用的洪水预报方案,一是南丰峰前3d 西山站雨量做参数的信都与南丰水位相关法[3];二是合面狮泄洪流量与南丰水位估报相关法㊂现有两种方法都存在预见期短㊁精度一般的缺陷㊂
因洪峰传播时间短,留给预报作业和人口转移的时间有限,上下游电站调度流量组合情况复杂,现有方案难以取得较好精度,基于南丰水文站洪水预报现状,寻找一种高精度㊁易操作的洪水预报方案非常必要㊂2主要研究内容
2014年以来,在国家防总的指导下,珠委防总会广东㊁广西防总启动联合调度机制,水文部门根据调度指令中的未来合面狮泄洪流量和实时雨水情开展南丰水文站洪水预报作业,主要对南丰水文站洪峰出现时间㊁洪峰流量㊁洪峰水位进行分析研判,从而支撑防洪决策㊂文中以下部分分别从传播时间㊁洪峰流量㊁洪峰水位3个方面进行研究分析㊂
2.1传播时间
1)马斯京根法[4]
随机抽取区间入流影响较小㊁洪水过程数据较完整的实测洪水3场,根据马斯京根汇流原理,推算洪水传播时间㊂
槽蓄方程:
W=K Q'=K[x I+(1-x)Q](1)水量平衡方程:
(I1+I2)/2-(Q1+Q2)/2=(W2-W1)/Δt(2)式中K为蓄泄关系曲线坡度即传播时间㊂
经试算,其中20200608号洪水x=0.4时Q'与W 线性关系较优,K=ΔW/ΔQ'=(15808-0)/(3297-1179)=7.5,即合面狮至南丰水文站洪峰传播时间为7.5h;20110508号洪水计算洪水传播时间为7.3h; 20190614号洪水计算洪水传播时间为5.5h(见表2~3所示)㊂
表2合面狮至南丰河段马斯京根参数推算
时间
/(年/月/日时)合面狮泄洪流量
/(m3/s)
南丰流量Q r
/(m3/s)
ΔQ=I-Q r
/(m3/s)
ΔW
/(m3/s)
W
/(m3/s)
Q'=Q r+x(I-Q r)/(m3/s)
x=0.3x=0.4x=0.5
2020/06/079:001893704118914620106111791298
2020/06/0710:002398664173419441462118413581531
2020/06/0711:002912758215421073405140416191835
2020/06/0712:002999939206019395512155717631969
2020/06/0713:0031081290181815887451183520172199
2020/06/0714:0031381780135811809039218723232459
2020/06/0715:0031422140100294210219244125412641
2020/06/0716:003302242088291811161268527732861
2020/06/0717:003554260095489912079288629823077
2020/06/0718:003555271084581012978296330483132
2020/06/0719:003556278077672013789301330903168
2020/06/0720:003553289066357514509308931553222
2020/06/0721:003557307048737515084321632653313
2020/06/0722:003434317026421115459324932763302
㊃23㊃
2021年1月第1期韩长峰,等:贺江南丰水文站洪水预报方案分析N o.1J a n.2021
2020/06/0723:003358320015813815670324732633279 2020/06/080:0033693250119-2215808328632973309 2020/06/081:0030973260-163-21315786321131953179 2020/06/082:0030973360-263-37015573328132553228 2020/06/083:0028133290-477-49115203314730993051
表3抽样洪水试算马斯京根法参数k、x成果
洪号k x Q/(m3/s)
201105087.30.32360
201906145.50.32700
202006087.50.43400
2)历史洪水统计法
统计2007年以来合面狮26次泄洪中时间关系较
明显的场次18场(见表4),洪峰传播时间范围为7~
13h,其中7h3场,8h4场,9h2场,10h3场,
11h4场,12h1场,13h1场㊂
表4历史洪水洪峰传播时间统计
合面狮泄量/(m3/s)
合面狮
最大泄洪时间
/(年/月/日时)
南丰水文站
洪峰时间
/(年/月/日时)
传播
时长
/h
6602017/03/3103:002017/03/3111:008 14002020/04/0410:002020/04/0419:009 15802010/06/2508:002010/06/2516:0011 20002015/06/1421:002015/06/1508:0011 21002020/03/2721:002020/03/2805:008 21102017/07/0300:002017/07/0308:008 22002014/05/2300:002014/05/2308:008 22002015/05/2223:002015/05/2408:009 24802008/06/1719:002008/06/1802:007 25302011/05/0900:002011/05/0910:0010 25802016/05/2022:002016/05/2107:0010 28002008/06/1101:002008/06/1108:007 28002019/06/1318:002019/06/1406:0012 30002020/06/0712:002020/06/0719:007 32002010/06/1509:002010/06/1520:0011 32702008/06/1320:002008/06/1409:0013 36002020/06/0718:002020/06/0805:0011 40502012/06/2323:002012/06/2409:0010 3)经验公式法
一般情况下,根据上下两个断面的平均流速和河段长度计算洪水传播时间㊂
曼宁公式:
C=n-1h2/3J1/2(3)谢才公式:
v=C(R J)1/2(4)将公式(3)代入公式(4),并用平均水深h代替水力半径R,可得:
v=n-1h2/3J1/2(5)可以看出,洪水传播速度与河床糙率㊁过水面积㊁平均水深㊁河道水面比降等因素有关㊂
南丰水文站以上区间河道弯多,石质河床,糙率取0.04;平均水深选取6m㊁7m㊁8m3种(对应水位和流量分别约为36m㊁37m㊁38m;2800m3/s㊁3300m3/s㊁3800m3/s),河段平均坡降为0.471ɢ,洪峰前后水面比降接近河床比降,可借用;根据南丰站不同洪水等级选择3种平均水深进行计算㊂
合面狮水库至南丰水文站46k m,根据表5流速,计算洪峰传播时间为5.9~7.1h㊂
表5合面狮水库至南丰水文站洪水流速计算
h/m6789
v/(m/s)1.791.992.172.35
2.2流量计算
贺江南丰水文站洪峰流量主要由合面狮水库泄洪流量加区间降雨汇流形成,合面狮水库泄洪流量在传播至南丰断面过程中,需考虑坦化,故南丰水文站洪峰流量可用公式表示为:
Q南丰=f(L)Q合+f(P区间)(6)式中L为区间长度,k m;f(L)为坦化系数,鉴于区间长度L为固定值,f(L)简化为常数j,区间产流f(P区间)是区间降雨的函数,简化为线性关系k'P区间,上式简化为:
Q南丰=j Q合+k'P区间(7)式中Q南丰为南丰水文站流量,m3/s;Q合为合面狮
㊃33㊃
2021年1月第1期广东水利水电N o.1J a n.2021
出库流量,m3/s;j为坦化系数;k'为区间降雨产生的流域出口流量系数;P区间为南丰水文站峰前48h区间造峰雨量,mm㊂
采用南丰水文站建站以来合面狮26场泄洪资料㊁对应的南丰水文资料和区间降雨分析计算k',j值㊂选用信都㊁扶隆㊁南丰㊁西山㊁大水口5个雨量代表站,计算南丰峰前48h内造峰雨量,算术平均法计算平均值(见表6)㊂
表6区间平均降雨量计算
时间
/(年/月/日时)
雨量/mm
信都扶隆南丰西山大水口平均
2008/06/1108:0040.042.3-49.018.537.5 2008/06/1409:0049.043.0-50.029.042.8 2008/06/1802:0064.014.2-40.027.036.3 2010/06/1520:00176.052.528.080.545.076.4 2010/06/2516:00107.0120.0100.0141.0127.0119.0 2011/05/0910:0011.540.0-40.030.030.4 2012/06/2409:0069.044.058.077.087.067.0 2013/08/1814:0067.589.5100.578.557.578.7 2014/05/2308:006.032.012.053.09.022.4 2015/05/2408:00130.064.055.082.063.578.9 2015/06/1508:003.02.51.01.50.01.6 2015/11/1414:0042.023.024.527.530.029.4 2016/04/1315:0034.023.015.032.016.024.0 2016/06/1400:0033.023.014.032.016.024.0 2016/04/1402:0033.023.014.032.016.023.6 2016/05/0901:0057.546.528.050.527.041.9 2016/05/2105:00100.039.028.046.029.048.4 2016/05/2107:0097.038.027.045.029.047.2 2016/06/1620:00140.047.037.035.045.060.8 2017/07/0308:0052.566.554.565.034.554.6 2019/04/3011:00165.082.085.057.0113.0100.4 2019/06/1406:0022.510.013.016.012.014.7 2020/03/2805:00114.0181.0127.0136.0190.0149.6 2020/04/0419:0020.026.011.018.026.020.2 2020/06/0719:0086.041.040.034.037.047.6 2020/06/0805:0028.512.55.09.010.013.0
选取区间降雨较小的洪水场次,初步计算坦化系数j值为0.92~0.97㊂经试算,当j值为0.94,k'值为7时,26个样本中,计算流量正偏离13个;负偏离13个;相对误差绝对值ɤ10%的样本24个,保证率92.3%;相对误差绝对值ɤ20%的样本26个,保证率100%㊂总体样本确定性系数D C为0.96[5],属洪水预报甲等方案[6](见表7)㊂
表7参数分析
P区间
/mm
Q合
/(m3/s)K'j
Q计
/(m3/s)
Q测
/(m3/s)
Z南
/m
相对
误差/% 37.5280070.942890285036.391.50 42.8327070.943370336037.490.40 36.3248070.942590266036.09-2.80 76.4320070.943540352038.020.60 119158070.942320241036.36-3.80 30.4286070.942900249036.3216.50 67405070.944280423038.781.10 78.7428070.944570479039.784.50 22.4220070.942230217035.312.50 78.9268070.943070319036.18-4.50 1.6200070.941890194035.21-2.50 29.4267070.942720276035.9-2.40 24201070.942060218035.75-5.60 24275070.942750293035.71-6.0 23.6215070.942190220036.15-0.60 41.9223070.942390267036.1-11 48.4241070.942600250036.114.20 47.2258070.942760254035.938.50 60.8247070.942750268035.752.50 15.7211070.942090223035.63-6.10 100.4150070.942110215035.87-1.70 14.7280070.942740270036.031.30 149.6210070.943020285036.366.10 20.2140070.941460155034.9-6.10 18.6300070.942950278035.956.10 13360070.943480340037.082.20 2.3水位预报
选用南丰水文站建站以来,合面狮26次泄洪的南丰水文站相应洪水水位流量资料,建立水位流量相关图[7]㊂因低水部分受电站调度影响关系散乱,同时南丰水文站水位在36.0m以下基本上不需启动洪水预报作业,因此在南丰站水位在36.0m以上,洪峰流量在2500m3/s以上13场洪水资料系列中,以起涨水位33.7m和34.6m外包,建立以起涨水位为参数的4条关系线,起涨水位分别为33.7m㊁34.0m㊁34.3m㊁34.6m㊂其中2010年6月15日20:00,南丰水位站洪峰水位为38.02m,相应流量为3520m3/s,经查阅当时资料进行分析,该流量偏小,作为特殊值处理(如图2所示)㊂
㊃43㊃
2021年1月第1期韩长峰,等:贺江南丰水文站洪水预报方案分析N o.1J a n.2021
图2 南丰水文站水位预报相关示意
3 结语
1)马斯京根法计算样本偏少,分析结果为5.5~
7.5h ,供参考;历史洪水统计法统计洪水传播时间为7~13h ;经验公式法计算洪水传播时间为5.9~
7.1h ㊂综合考虑河道特点㊁洪水组合以及工程调度影
响,建议该河段洪水传播时间采用7h ㊂
2
)通过分析洪峰水位和流量关系,以起涨水位33.7m 和34.6m 外包,得出南丰水文站起涨水位分别为33.7m ,34.0m ,34.3m ,34.6m 4种情况下的
洪峰流量与相应水位关系图㊂
3)虽然流量误差确定性系数0.96,达到洪水预报
方案甲等等级,但是区间造峰雨流量相关系参数k '值为7.0,概化程度较高,未考虑前期降雨㊁时空分布㊁
汇流时间等因素,使用时需综合考虑㊂
4
)马斯京根法试算得出参数k ㊁x 值,但样本数量有限,建议参考使用,马斯京根法可作为第二方案对比使用㊂
参考文献:
[1] 广东省水文局肇庆水文分局.肇庆市水情手册[R ].肇
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标准化管理委员会.水文情报预报规范:G B /T 22482-2008[S ].北京:中国水利水电出版社,2008.[7] 王超.高明河无资料小流域洪水预警预报方法探讨[J ].
广东水利水电,2019(5):38-41.
(本文责任编辑 马克俊)
A n a l y s i s o f F l o o d F o r e c a s t S c h e m e s f o r N a n f e n g H y d r o l o g
i c S t a t i o n i n H e j i a n g R
i v e r H A N C h a n g f e n g ,C H E N Z h o n g q i a o ,D O N G X i a n g
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26060,C h i n a )A b s t r a c t :N a n f e n g t o w n a l o n g t h e H e j i a n g R i v e r h a s n o e m b a n k m e n t s ,s o r i v e r f l o o d c a p a c i t y
i s a b o u t 3y e a r s o n c e .T h e N a n f e n g C o u n t y h y d r o l o g i c a l s t a t i o n w a s s e t u p i n 2007.T h e d a t a s e r i e s i s r e l a t i v e l y
s h o r t ,a n d t h e f l o o d f o r e c a s t a c c u r a c y i s p o o r d u e t o t h e i n f l u e n c e o f u p
s t r e a m a n d d o w n s t r e a m p o w e r s t a t i o n o p e r a t i o n .I n o r d e r t o s o l v e t h i s p r o b l e m ,t h r o u g h a n a l y z i n g t h e h y d r o l o g i c a l d a t a s i n c e 2007,t h e f l o o d p e a k T a n h u a C o e f f i c i e n t ,r a i n f a l l a n d c o m b i n e d d i s c h a r g
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53㊃2021年1月 第1期
广东水利水电
N o .1 J a n .2021。