大运河运河水文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 221000）

摘  要：雨洪资料系列延长至2020年。以台儿庄闸为界将预报区间分成两部分，以台儿庄闸泄水为上游来水，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；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，转为包含在台儿庄闸控制的实测流量内，对方案进行优化。优化后洪峰流量的模拟误差相比优化前略有减小，峰现时间的模拟误差相比优化前明显减小。建议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。

关键词：运河站 实用 水文预报方案 大运河 马斯京根

1．引言

水文预报是根据已知信息对未来一定时期内的水文情势做出定性和定量预报，是防汛抗旱、有效地利用水资源以及水利水电工程设计、施工、调度、管理等的重要依据^[1]。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^[2]。

《淮河流域沂沭泗水系实用水文预报方案》^[3]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，在防洪和有关生产建设中发挥了重要作用。运河水文站实用水文预报方案经过多年作业预报考验和多次完善、修正，在实际洪水预报中仍有很大参考价值。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。为了提高大运河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。

2．研究区域概况及资料来源

2.1 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37.4 km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^[2]，预报区间集水面积6102km²。左岸自上至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。

2.2 资料来源

《淮河流域沂沭泗水系实用水文预报方案》的初版，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和2014完成了第二次和第三次系统修订。目前使用的是2014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，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。

3．预报方案的建立与优化

3.1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，区间外来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。

3.2方案的优化

如前文述，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。

3.3结果对比与分析

3.3.1 洪水预报许可误差与预报精度评定

依据《水文情报预报规范》（GB/T 22482—2008）^[4]规定的技术标准对预报方案精度进行评定，该规范对洪水预报的许可误差有如下规定：

（1）洪峰流量预报许可误差：降雨径流预报以实测洪峰流量的20%作为许可误差，河道流量预报以预见期内实测变幅的20%作为许可误差。

（2）峰现时间预报许可误差：以预报根据时间至实测洪峰出现时间之间时距的30%为许可误差，当许可误差小于一个计算时段长时，则以一个计算时段长作为许可误差。

（3）根据《水文情报预报规范》（GB/T 22482—2008）的洪水预报许可误差与预报精度评定的有关规定，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结合的方式，因此洪峰流量预报以实测洪峰流量的20%作为许可误差；运河站洪水预报的预见期一般为30h至48h，预报方案的计算时段长为6h，因此运河站峰现时间预报以一个计算时段长作为许可误差。

3.3.2 预报方案修订前后精度对比

将优化后的运河站实用水文预报方案各种曲线数字化，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。分别应用优化前后的预报方案对运河站2019-2022年的洪峰流量进行模拟计算，对比分析方案优化前后的模拟结果精度。优化前后模拟结果精度对比见表1

由于区间外来水占在次洪中占比较小时修订前后峰现时差模拟结果没有明显差别，区间外来水较多时对模拟结果的影响较大，因此表1只列出了区间外来水大于1500 m³/s场次洪水的模拟误差。表1中相对误差均值为所有场次洪水相对误差取绝对值后的平均值，峰现时差均值为峰现时差取绝对值后的平均值。

表2运河站实用水文预报方案优化前后模拟结果精度对比

由表1可以看出，优化后预报方案的洪峰流量的模拟误差相比优化前略有减小，优化前洪峰流量相对误差的均值为13.7%、优化后洪峰流量相对误差的均值为12.0%，而且优化后洪峰流量相对误差均在20%以内；优化后预报方案的峰现时间的模拟误差相比优化前明显减小，优化前峰现时差均值为2个时段，超过了峰现时差的许可误差，优化后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短了实测值与预报值之间的降雨径流查算和马斯京根演算过程，优化后的方案更适用于运河站预报区间的洪水模拟。

4. 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。

参考文献：

[1] 詹道江，徐向阳，陈元芳，工程水文学.北京：中国水利电力出版社，2009：104.

[2] 张建云.中国水文预报技术发展的回顾与思考[J].水科学进展，2010，21（4）：435-443.

[3]孔祥光，屈璞，唐运忆等.淮河流域沂沭泗水系实用水文预报方案.，2014：240.

[4] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.水文情报预报规范：GB/T 22482—2008[S].北京：中国标准出版社，2008：4-7.

作者简介：杨明非（1975- ），汉族，辽宁省昌图县人，高级工程师，从事水文预报、水文水资源分析工作。联系电话：13852143777；邮箱：386314603@qq.com；单位地址：江苏省水文水资源勘测局徐州分局徐州市云龙区大龙湖街道邮编中茵广场5-420