基于中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)“楊洼閘～土門(mén)樓樞紐”預(yù)報(bào)方案的構(gòu)建及實(shí)際應(yīng)用分析研究

劉英才

（河北省廊坊水文勘測(cè)研究中心，河北 廊坊 065000）

1 概述

2021 年6 月26 日北運(yùn)河北關(guān)樞紐至北京市界正式通航，北運(yùn)河北京段的通航，給北京市水上交通運(yùn)輸業(yè)帶來(lái)新業(yè)態(tài)、新情況和新要求，創(chuàng)造多項(xiàng)新的歷史：北京市第一次出現(xiàn)航道和航運(yùn)；第一次出現(xiàn)船閘等通航建筑物運(yùn)行管理；第一次出現(xiàn)市內(nèi)水路運(yùn)輸，同時(shí)也給北運(yùn)河北京段下游土門(mén)樓樞紐的水文情報(bào)預(yù)報(bào)工作帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。

為保障北運(yùn)河北京段通航質(zhì)量，需將該河段水位抬高，且長(zhǎng)期處于較高水位運(yùn)行。預(yù)報(bào)或?qū)嶋H降雨出現(xiàn)后，基于河段行洪安全的考慮，北運(yùn)河北京出境控制站楊洼閘需進(jìn)行閘門(mén)調(diào)度提閘泄水，原預(yù)報(bào)方案已無(wú)法正常使用，需構(gòu)建以楊洼閘為入流的北運(yùn)河土門(mén)樓樞紐預(yù)報(bào)方案。

2 預(yù)報(bào)方案的構(gòu)建

在往年的防汛工作中，北運(yùn)河北京段無(wú)需考慮通航所需的保證水位，僅保留部分生態(tài)水量，依靠北關(guān)樞紐的調(diào)度控制下泄水量。原北運(yùn)河北京段下游土門(mén)樓樞紐預(yù)報(bào)方案是基于中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，依據(jù)上游三個(gè)入流模擬出土門(mén)樓樞紐的出流過(guò)程；通航后楊洼閘控制了大部分入流，預(yù)報(bào)方案變?yōu)橐詶钔蓍l為主的兩個(gè)入流模擬土門(mén)樓樞紐的出流過(guò)程。

2.1 原土門(mén)樓樞紐預(yù)報(bào)方案

北運(yùn)河土門(mén)樓的洪水主要由通州北關(guān)攔河閘下泄洪水、涼水河洪水、鳳港減河洪水及各閘的閘前蓄水組成，各洪水相迭加即為土門(mén)樓的洪水預(yù)報(bào)過(guò)程。

預(yù)報(bào)方案共包括3個(gè)輸入，分別是北關(guān)攔河閘下泄流量、涼水河張家灣站流量、鳳港減河區(qū)域產(chǎn)匯流，其結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

圖1 原北運(yùn)河土門(mén)樓樞紐預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)圖

（1）對(duì)于北關(guān)攔河閘至土門(mén)樓及涼水河張家灣至土門(mén)樓的河道演算，選用常用的馬斯京根法。其率定后的參數(shù)如下：

北關(guān)分河閘至土門(mén)樓站的馬斯京根參數(shù)：X=-0.687， KK=1， MP=16。

張家灣至土門(mén)樓站的馬斯京根參數(shù)：X=-0.653， KK=1，MP =7。

（2）鳳港減河的洪水計(jì)算，匯水面積為220 km2。選用國(guó)內(nèi)外常用的三水源新安江模型進(jìn)行洪水計(jì)算，其率定后的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鳳港減河小流域優(yōu)選出的新安江模型參數(shù)

考慮到鳳港減河來(lái)水受軍屯閘控制，在實(shí)際預(yù)報(bào)過(guò)程中，常根據(jù)閘門(mén)情況，在模型中的入流情況加入固定值。

2.2 “楊洼閘～土門(mén)樓樞紐”預(yù)報(bào)方案的構(gòu)建

北運(yùn)河北京段通航后，楊洼閘作為北運(yùn)河北京的出境站需要控制北運(yùn)河的整體水位以保障通航質(zhì)量。楊洼閘位于北關(guān)攔河閘及涼水河匯入北運(yùn)河入河口以下，楊洼閘泄水造成的洪峰量級(jí)遠(yuǎn)大于上游北運(yùn)河北關(guān)攔河閘、涼水河張家灣站疊加的洪峰量級(jí)，造成了下游土門(mén)樓樞紐發(fā)生洪峰的貢獻(xiàn)變化，洪峰的發(fā)生主要受楊洼閘下泄最大流量的影響。因此構(gòu)建了以楊洼閘為主要模型輸入的全新預(yù)報(bào)方案。

預(yù)報(bào)方案僅有1 個(gè)輸入，為楊洼閘下泄流量，在實(shí)際預(yù)報(bào)過(guò)程中，還需考慮北運(yùn)河土門(mén)樓木廠(chǎng)閘、青龍灣減河土門(mén)樓閘的閘前蓄水與上游來(lái)水進(jìn)行疊加，其預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 “楊洼閘～土門(mén)樓樞紐”預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于楊洼閘至土門(mén)樓的河道演算，選用馬斯京根法。受資料不足影響，參數(shù)MP 依據(jù)楊洼閘至土門(mén)樓樞紐的實(shí)際距離選取， X 值考慮不同傳播距離坦化程度的線(xiàn)性變化依據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定如下：X=-0.637，KK=1， MP =4。

3 兩種預(yù)報(bào)方案在北運(yùn)河通航后的應(yīng)用情況對(duì)比分析

以2021 年7 月5 日北運(yùn)河土門(mén)樓樞紐洪水過(guò)程為例：7 月5 日至6 日，廊坊市北運(yùn)河上游北京城區(qū)、通州區(qū)出現(xiàn)降水過(guò)程，城區(qū)平均降雨量32.0 mm，通州區(qū)平均降水量81 mm。

3.1 原預(yù)報(bào)方案預(yù)報(bào)結(jié)果

依據(jù)原方案考慮北運(yùn)河北關(guān)攔河閘未進(jìn)行提閘泄洪，考慮鳳港減河流域平均降雨量及軍屯閘閘門(mén)情況，其入流流量15 m3／s。通過(guò)中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)模擬北運(yùn)河土門(mén)樓樞紐洪水過(guò)程見(jiàn)圖3。

圖3 原北運(yùn)河土門(mén)樓樞紐預(yù)報(bào)模型預(yù)報(bào)結(jié)果

由于北關(guān)攔河閘未提閘泄洪，模型預(yù)報(bào)并未出現(xiàn)明顯洪峰。

青龍灣減河土門(mén)樓閘7 月5 日19 時(shí)28 分閘門(mén)全提，閘上水位8.90 m，閘底高程7.88 m，依據(jù)閘前蓄水退水公式計(jì)算得出上游來(lái)水造成洪峰時(shí)，閘前蓄水造成的基流為50 m3／s。

基流與模型預(yù)報(bào)洪峰的疊加即為本次預(yù)報(bào)成果：北運(yùn)河土門(mén)樓樞紐最大洪峰流量73 m3／s，峰現(xiàn)時(shí)間為7 月6 日6 時(shí)。

3.2 “楊洼閘～土門(mén)樓樞紐”方案預(yù)報(bào)結(jié)果

依據(jù)北運(yùn)河楊洼閘7 月5 日18 時(shí)55 分出現(xiàn)最大泄量346 m3／s，鳳港減河入流流量繼續(xù)采用15 m3／s。通過(guò)中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)模擬北運(yùn)河土門(mén)樓樞紐洪水過(guò)程見(jiàn)圖4。

圖4 “楊洼閘～土門(mén)樓樞紐”預(yù)報(bào)模型預(yù)報(bào)結(jié)果

模型預(yù)報(bào)洪峰360 m3／s，峰現(xiàn)時(shí)間7 月6 日0 時(shí)。依據(jù)閘前蓄水退水公式計(jì)算得出上游來(lái)水造成洪峰時(shí)，閘前蓄水造成的基流為50 m3／s。

基流與模型預(yù)報(bào)洪峰的疊加即為本次預(yù)報(bào)成果：

預(yù)報(bào)：北運(yùn)河土門(mén)樓樞紐最大洪峰流量360 m3／s，峰現(xiàn)時(shí)間為7 月6 日0 時(shí)。

3.3 預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)比分析

實(shí)際過(guò)水過(guò)程為青龍灣減河土門(mén)樓水文站7 月5 日19 時(shí)45 分水位起漲，起漲水位9.02 m，相應(yīng)流量162 m3／s，至7 月5 日23 時(shí)25 分出現(xiàn)洪峰流量352 m3／s，此后水位及流量緩慢消退。兩種預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際洪峰、峰現(xiàn)時(shí)間誤差情況見(jiàn)表2。

表2 預(yù)報(bào)誤差情況統(tǒng)計(jì)表

由對(duì)比情況可以看出，當(dāng)楊洼閘蓄泄洪水時(shí)，“楊洼閘～土門(mén)樓樞紐”預(yù)報(bào)方案的精度明顯高于原方案。

3.4 誤差原因分析

楊洼閘為北運(yùn)河北關(guān)樞紐至土門(mén)樓樞紐之間的重要水利工程，其蓄泄調(diào)節(jié)作用直接影響到北運(yùn)河土門(mén)樓樞紐上游來(lái)水情況。經(jīng)對(duì)本次洪水進(jìn)行復(fù)盤(pán)后發(fā)現(xiàn)，土門(mén)樓樞紐洪峰主要為楊洼閘加大泄量造成，其水量均來(lái)自北關(guān)閘至楊洼閘槽蓄水。本次洪水期間，北關(guān)攔河閘、涼水河入流等原方案影響因子未對(duì)本次預(yù)報(bào)產(chǎn)生影響。

4 “楊洼閘～土門(mén)樓樞紐”方案的缺點(diǎn)

（1）預(yù)見(jiàn)期縮短。原預(yù)報(bào)方案預(yù)見(jiàn)期一般為10 h～14 h，“楊洼閘～土門(mén)樓樞紐”預(yù)報(bào)方案中北運(yùn)河楊洼閘至土門(mén)樓樞紐河長(zhǎng)僅15 km，傳播時(shí)間僅5 h 左右，預(yù)見(jiàn)期較之前明顯縮短，水文情報(bào)預(yù)報(bào)人員需更加密切關(guān)注上游水情的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化，避免出現(xiàn)漏報(bào)情況。

（2）該方案僅適用于楊洼閘蓄泄洪水。依照調(diào)度規(guī)律，遇較大洪水或預(yù)報(bào)有強(qiáng)降雨過(guò)程時(shí)，楊洼閘一般提前排空底水全提迎汛，楊洼閘將不會(huì)對(duì)上游來(lái)水情況造成影響，考慮到該方案的預(yù)見(jiàn)期較短遇較大洪水發(fā)生時(shí)仍需適用原方案對(duì)土門(mén)樓樞紐進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

（1）預(yù)報(bào)工作不能循規(guī)蹈矩墨守成規(guī)。預(yù)報(bào)方案不僅要針對(duì)各年度的過(guò)水狀況及時(shí)進(jìn)行修訂，更要根據(jù)下墊面的變化及時(shí)調(diào)整和構(gòu)建，確保預(yù)報(bào)方案更貼合實(shí)際情況。

（2）“楊洼閘～土門(mén)樓樞紐”預(yù)報(bào)方案建立時(shí)間較短，部分參數(shù)的確定來(lái)自于經(jīng)驗(yàn)分析，后期需收集相關(guān)資料，對(duì)該方案進(jìn)行率定，以提高方案的預(yù)報(bào)精度。

（3）當(dāng)北運(yùn)河楊洼閘不節(jié)制上游來(lái)水，北運(yùn)河土門(mén)樓樞紐洪水依舊為北關(guān)攔河閘下泄洪水、涼水河洪水、鳳港減河洪水及各閘的閘前蓄水組成，原“北關(guān)～土門(mén)樓”方案依舊適用。

5.2 展望

北運(yùn)河正式通航至今，只經(jīng)歷一個(gè)汛期，用于模型率定及方案檢驗(yàn)的資料較少，參數(shù)的適用性需進(jìn)一步驗(yàn)證。后期加強(qiáng)相關(guān)資料收集整理工作，進(jìn)一步提高方案參數(shù)的適用性。