瞬时单位线在明江那堪站洪水预报中的实践_李军玲.pdf

广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（1）1瞬时单位线法1.1定义单位线：给定流域，在单位时段内时空分布均匀的单位时段净雨过程，在流域出口断面形成的流量过程线；如果净雨计算时段很短，趋于瞬时脉冲，即净雨历时趋于无限小的情况，相应的径流过程线称为瞬时单位线，记为为UH。瞬时单位线应用较广的是纳希IUH模型，纳希把流域汇流的调蓄作用模拟为n个相同的线性串联水库。推导出的IUH的理论公式是：u（O，t）=1/K*（n）*（t/K）（n-1）*e（-t/K）式中u（O，t）t时刻瞬时单位线纵高；伽玛函数；n相当于线性水库的个数（调节次数或调节系数）；K水库型线性蓄洪方程的汇流历时（反映流域汇流时间参数或调蓄系数）；e自然对数的底；t时刻。由公式可知，要求出单位线，必须先确定n、K两值。1.2净雨过程的推求净雨过程的推求是单位线计算的首要内容。考虑土壤下渗规律，一般净雨过程的确定采用初损和平均扣损法。时段面降雨量的计算一般采用泰森多边型、算术平均或加权平均法求出，本文面净雨量采用算术平均法。其中，降雨初损，（设为：Io）一般以起涨点以前的降雨附值，以后的降雨则考虑水量平衡，确定给定流域对应的产流期平均入渗F-。如果某阶段雨强小于平均入渗时则采用多次扣损至水量平衡止。F-其取值可查 广西暴雨径流查算图表 中的附录表八，根据断面地质植被情况确定该参数。1.3资料准备计算给定流域内瞬时单位线需要准备的前期资料有：该流域断面的多场历史洪水过程、对应洪水净雨过程、该流域出口断面以上的控制流域面积、河口至出口断面的平均坡降等基础资料。历史洪水及净雨过程：可通过历史资料收集取得。流域面积：可在河湖普查成果中查得，大部流域面积均可采用该方法。但部分较小流域或只是要控制断面流域面积则需通过手工圈画地图绘制，为减少计算误差，手工圈画断面需要多次计量，各次误差在5%以内时，才取其算术平均值为最后计算采用值，单位为km2。河道坡降：反映了河道高程沿河长的平均变化瞬时单位线在明江那堪站洪水预报中的实践李军玲（崇左水文中心，广西崇左532200）摘要明江那堪镇河段受强降雨影响，易造成明江上游水位汛速上涨，因此该断面洪水预报工作是否及时有效，直接决定着当地防汛工作的决策部署。那堪站作为明江上游水文站，无实测流量资料，仅通过现有的区间雨量数据来建立蓄满产流模型，难度较大。瞬时单位线法通过给定流域单位净雨量过程计算出口断面产汇流过程，一旦建立起对应的预报模型，就能快速推算出流量过程，是解决无实测流量资料断面洪水水量计算的有效方法，此法也适用于一些跨界河流断面预报工作。以那堪水文站为例，运用瞬时单位线法构建洪水预报方案，经成果检验，该方法对于无资料上游断面及跨界河流洪水预报工作具有参考作用。关键词瞬时单位线；洪水预报；那堪水文站；明江中图分类号文献标识码文章编号1003-1510（2023）01-0123-05收稿日期2022-12-12作者简介李军玲（1985-）女，广西崇左人，崇左水文中心助理工程师，学士，主要从事水文测报工作。水情预报与服务 123DOI:10.16014/ki.1003-1510.2023.01.031李军玲:瞬时单位线在明江那堪站洪水预报中的实践情况，是指从河口至出口控制断面的平均坡降。根据分析河段不同地形变化的河道高程hi，按下式采用加权平均法计算：J=(h0+h1)L1+(h1+h2)L2+.+(hn-1+hn)Ln-2h0L)L22实例计算（以那堪水文站为例）2.1那堪水文站简介那堪水文站是明江上游控制站，集水面积3079km2，位于广西崇左市那堪乡，距宁明县城83 km，全乡共辖17个村委会，地处半山、半丘陵区，地势东高西低，植被较好，距下游最近控制断面宁明水文站洪水传播时间18 h。那堪水文站断面上游24.7 km处有平福电站，上游88.3 km处有那板水库，下游15km处有鸠鸪电站。那堪水文站测验断面采用85黄海基面，断面河道顺直，呈不规则U形，左右岸系沙质土，稍有崩塌现象，河床由沙土、粘土夹杂风化石组成，靠左岸多系岩石，河床大致稳定。每年汛期洪水大多发生于79月，降雨径流大部来自台风等热带气旋影响。那堪水文中心站所在流域为明江，系左江右岸1 级支流，流域内自然资源丰富，森林覆盖率约60.26%。明江发源于上思县叫安乡十万大山柞老顶（1205 m）以北1.5 km处，东北流至双板（那禁）村平念屯转向西北流，至上思县城折向西南流至平福乡，平福河从左岸汇入后，转向西北流，至在妙乡在妙圩又转向西南流至公安河，公安河从左岸汇入，转向西流，至宁明县城中镇寨密村派连河从左岸汇入后，又转向西北流，至龙州县上金乡上金圩汇入左江。2.2参数综合那堪水文站地处二（1）汇流分区及第3产流分区，洪水过程多具有缓涨缓落，涨落历时较长的矮胖型特点。故根据非岩溶站的产汇流有关参数得出公式为：m1=CFJn=CFJ式中：C单位换算常数；F断面流域总面积（km2）；J主河道坡降（千分率）；、经验指数。根据已有数据可知：F3079 km2；经广西河川资料仅查出明江平均坡降为0.33，不适用于那堪站预报断面，因此需重算上游至那堪段的坡降。由于那堪上游有上思站，经过地图测量，上思至那堪站河长为90.3 km，其高程差采用两站3场超警洪水及3次枯水期水位计算得出的平均值，最终得出上游至那堪站的平均坡降为0.48，故取J0.48。2.3汇流计算根据 广西暴雨径流查算图表 可知明江那堪水文站汇流分区属第二（1）区，属非岩溶地区，则该站瞬时单位线主要参数m1稳、n采用非岩溶地区综合经验公式，即：m1稳3.5F0.15J-0.443.530 790.150.48-0.4416.128；n=1.797F0.082J0.0281.79730 790.0820.48.0283.402。时段t一般取1 h，则自然库线性蓄洪方程的汇流历时：Km1稳/n16.128/3.4024.741；单位换算常数：CF/t 3.63 079/13.6855.28。S曲线的得出，可通过 广西暴雨径流查算图表 中的附录表5中查得，但该表中n值仅取到了小数点后一位，其精确度仍达不到当前公式计算要求。通过excel电子表格中的GAMMADIST函数求出S（t）曲线，计算结果取小数点后多位，将S（t）错后一个时段相减，即得无因次单位线u（t、t），再乘以C即得以流量为单位的时段单位线C.u。2.4净雨过程计算（以2022.8.26洪水为例）2022年8月25日6时至26日10时，受第九号台风“马鞍”影响，宁明县普降大到暴雨，局部大暴雨，降雨中心位于桐棉镇、那楠乡、那堪镇一带附近，且降雨较为持续，出现两次主雨峰，其中那堪站累计降雨量为153.2 mm，本次台风带来的强降雨是那堪水文站2022.8.26洪水的造峰雨。具体降雨过程见表1。表1那堪水文站“2022.8.26”洪水起涨水位后大于5 mm时段净雨过程计算表时段25日18时26日0时26日1时26日5时26日7时26日8时26日9时26日10时时段雨量/mm20.66.96.16.95.712.923.115.4产流期平均入渗率/（mm/h）55555555净雨/（R净：mm）15.61.91.11.90.77.918.110.4根据那堪水文站地属第3产流区，查降雨径流相关特征参数综合表得Wm=100 mm，K=0.93，土壤前期含水量W0=KWm=0.93100=93 mm，则其降雨初损为I0=100-93=7 mm，但根据实际洪水特性，一般以起涨点以前的降雨作为初损值，即起涨前的雨124广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（1）量不作净雨量计算。根据明江下垫面条件，查 广西暴雨径流查算图表 中的附录表八，得产流期平均入渗率为5 mm/h。则时段净雨量（R净）时段降雨量（Pt）产流期平均入渗率（F-），见表1。2.5地表径流过程计算由前两节求出的 C.u 和净雨过程，按式：Qi=Ri净qi进行逐时段计算，即可计算得到所需的地表径流过程。2.6地下径流过程计算地下径流过程起涨部分可假设为三角形斜线，退水部分则由退水曲线公式推算。一般而言，地下水峰值位于地表径流基本结束附近。如图1所示，地下水总径流深Rg计为：Rg计=h1+h2+h3。h1=123.6 Q0 tFh2=Q01(1-e-1t)86.4/Fh3=Q折2 86.4/FQ折=Q0e-1tt=24.7 1-1.06式中：Q0地下径流峰值（m3/s）；F流域面积（km2）；t地下径流涨水历时（h）；t地下径流退水历时（d）；a1、a2退水指数；Q折退水折点处流量（m3/s）；h1地下水从起涨到峰值Q0的地下水径流深（mm）；h2Q0到Q折的地下水径流深（mm）；h3Q折以后的地下水径流深（mm）。（1）计算Rg：根据2.4中的净雨过程计算，可得入渗总值为Rg=R总R净153.2-57.695.6（mm）。图1地下径流过程示意图（2）确定t值及退水指数a1、a2，计算t值：那堪站的地下水涨水历时t可根据其地面平均径流过程选定为31 h。通过 广西暴雨径流查算图表 查退水指数a1、a2分区图，那堪站属第5区，且该断面植被较好，取a10.4，a2=0.16，则t=2.7 d。（3）采用试算法确定Q0、Q折：首先假定地下径流峰值Q0为某一值，计算Rg计，当Rg计Rg时，再重新假定Q0试算，直至Rg计Rg时，即为所求。第1次假定Q0700 m3/s，得Q折Q0e-a1 t=12.686 mm；h210/0.16（1-2.7 183-0.16*7.18）86.4/31032.552 mm；h33.17/0.0886.4/31041.386 mm；Rg计h1+h2+h312.686+32.552+41.38686.6 mm。因Rg计Rg，故第3次假定Q0772.5 m3/s，得Q折260.419 m3/s；h114.0 mm；h235.924mm；h345.673 mm；Rg计95.6 mm，Rg计Rg。故采用第 3 次假定值：Q0772.5 m3/s，Q折260.419 m3/s。（4）地下径流过程计算地下水起涨部分按三角形斜线分配，每时段变值：Q下=Q0/t772.5/3124.919 m3/s，过程Qi下值见表2。表2那堪水文站地下水涨水及退水部分Q0至Q折段部分计算表tiQ下Qi下tiQ下Qi下ti时段1、2、320Qi下地下水涨水段过程t（小时）QtQt=Q0e（-a1t/24）式中：t从地下水峰值向后起算，以天计。0001124.9192741517.8124.91924.9191224.9192992189.1224.91949.81324.919324314324.91974.81424.919349435.9424.91999.71524.91937450524.919124.61624.919399624.919149.51724.919424724.919174.41824.919449824.919199.41924.919473924.919224.32024.9194981024.919249.23124.919773125李军玲:瞬时单位线在明江那堪站洪水预报中的实践地下水退水部分过程计算中Qi下、Qt计算结果见表2，成果列于表3的Q潜栏中。深层流查 广西暴雨径流查算图表（附录表三）为100 m3/s，列于表3的Q深栏中。表3那堪水文站瞬时单位线洪水过程计算成果表2.7洪水过程计算那堪水文站地表流Q表、潜流Q潜相加即为该流域洪水过程Q计，详见表3倒数第二列，其最大值即为该流域所计算洪峰流量。从表 3 中可知，那堪水文站计算洪峰流量为2780 m3/s，由计算洪峰流量查水位流量关系曲线得洪峰水位约为132.5 m；实际洪水过程是2022年8月26 日 19 时出现洪峰水位 132.53 m，对应流量为2710 m3/s。洪峰流量相差 70 m3/s，洪峰水位相差0.03 m，洪水预见期9 h，预报成果较好。实测与预报过程线对比（见图2）。图2那堪站实际与预报洪水过程对比图从计算出的洪水传播时间可知，计算的峰现时间与实际洪峰时间吻合，洪峰拟合度好。2.8预报成果评定根据水文情报预报规范（SL 250-2000）规定，河道流量（水位）预报以预见期内变幅的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%作为许可误差。当水位许可误差小于实测洪峰流量的5%所相应的水位变幅或小于0.1 m时，则以该值作为许可误差。峰现时间预报许可误差是以预报要素出现时间至实测洪峰出现时间时距的30%计算，当许可误差小于3 h或一个计算时段长时，则以3 h或一个时段长为许可误差。那堪水文站的洪水预报成果按上述规定进行评定。从表3中可知，本次预报洪峰流量预报误差70 m3/s，允许误差是135.5 m3/s；洪峰水位预报误差0.03 m，允许误差为0.1 m；峰现误差是1 h，允许误差是3 h，水位、流量、峰现时间预报成果均合格。2.9计算综合单位线通过20082014年那堪站7场洪水的试算拟合，得出该站的综合单位线（见图3）。126广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（1）表4洪水检验成果表序号1234检验洪水场次时间2020年10月15日2021年10月11日2022年5月13日2022年8月26日实际洪峰水位/m133.05131.9128.9132.53实际洪峰流/(m3/s)263019408702710预报洪峰水位/m133.1130.3130.4132.6预报洪峰流量/(m3/s)2654142314962843水位误差/m0.05-1.61.50.07流量误差/(m3/s)24-517626133水位允许误差/m0.20.190.10.2流量允许误差/(m3/s)131.59743.5135.5水位流量是否合格xx图3那堪水文站瞬时单位线2.10预报方案检验方案检验采用20202022年共4场洪水对那堪站综合单位线进行成果检验，综合4场降雨及下渗情况，得出检验期洪峰流量合格2场，洪峰水位合格2场，合格率50%，预见期79 h。该方案不作精度评定。3结语本次洪水预报分析主要研究探讨较大集水面积的无资料站点瞬时单位线法的适用性，由于那堪站集水面积较大，而瞬时单位线的经验公式目前普遍适用于集水面积小于1000 km2的站点，且该站受上游区间降雨影响较大，当出现降雨分布不均或雨强较小情况，用单位线则不易分析其规律性。其次，本次所分析综合单位线使用的洪水场次较少，且无实测流量，对洪水过程的拟合带来一定难度，使得部分预报结果存在较大误差，需在未来工作中，不断增加实测洪水场次，拟合出确定性较高的综合线。本次对那堪站的方案分析，仅适当用于该站洪水预报参考方案，不做方案评定。在今后水情预报中，可多采集该站的洪水场次，进行方案验证，适当调整单位线的要素及参数，尝试拓展出集水面积大于1000 km2站点的经验公式，以此打破瞬时单位线在中小流域预报中的局限性，丰富预报方案模型，进一步提高预报精度。（责任编辑：刘征湛）Practice of instantaneous unit hydrograph in flood forecast of NakanHydrological Station on Mingjiang RiverLI Jun-ling(Hydrology Center of Chongzuo City,Chongzuo 532200,China)Abstract:Sudden rising of upstream level frequently occurs in the Nakan Town section of Mingjiang River due to impact of heavy rainfall.Local flood protection work depends on timely and effective flood forecast at this section.Nakan Hydrological Station is located on the upper reach of Mingjiang River and has no flow measuring data.It is difficult to establish the model of runoff formation in excess of storage with interval rainfall data only.Instantaneous unithydrograph method permits calculating the runoff generation and concentration process at the outlet section throughthe unit net rainfall process of a given basin.Once a corresponding forecast model is established,the flow processcan be calculated rapidly.It is an effective method of calculating flood volume for the section without measured data,and it is also applicable for the forecasting at the river section crossing border.Taking Nakan Hydrological Station as example,the flood forecast scheme is established by instantaneous unit hydrograph method and had beenproved by forecast practice.Key words：Instantaneous unit hydrograph;flood forecast;Nakan Hydrological Station;Mingjiang River127