瞬時單位線在清水河寶鈦工業園區洪水預報中的應用

石牡麗

瞬時單位線在清水河寶鈦工業園區洪水預報中的應用

石牡麗

（陜西省水文水資源勘測局，陜西西安710068）

針對清水河流域短缺資料的實際情況，姚家嶺水位站距離下游報鈦工業園區相對較近，出于安全考慮，根據地面凈雨強度，將瞬時單位線轉化為1小時的時段單位線推求洪水過程的方法和用單位線推求出面雨量和洪峰流量與重現期的關系查圖法，能夠滿足預警預報的要求，可以應用于清水河流域寶鈦工業園區的洪水預警預報中。

瞬時單位線；洪水預報；應用

1 流域概況

清水河是渭濱區境內渭河右岸一級支流，發源于秦嶺北麓，由南向北流經渭濱區八魚鎮、馬營鎮、于馬營鎮東匯入渭河。干流長28.4 km，流域面積162.5 km2，河道平均比降35.2‰。主要支流有大清河，西岔河和東岔河。其中大清河和西岔河位于清水河左岸，東岔河位于清水河右岸，東岔河以下干流順直，無大支流匯入，整個流域呈扇形。清水河流域地形南高北低。流域中上游為峰嶺錯列，山崖陡峻的土石中低山區，清水河姚家嶺以南植被豐茂，水土保持良好，姚家嶺以北侵蝕嚴重，近年來采取了植樹造林和臺塬坡面綠化工程，在一定程度上緩減了水土流失現狀。大部分地區森林覆蓋，植被良好，下游兩岸為黃土臺原區。清水河地處秦嶺北麓，夏秋季節雨量比較充沛，旱情多發生在冬春季節，夏季受南方暖濕氣流影響，易發生大暴雨，河流具有山溪性河流洪水暴漲暴落的特性。除漲水情況下，清水河水質清澈，含沙量低，多年平均輸沙量1.35萬t，多聚于清水河入渭河口。

2 姚家嶺水位站概況

2.1 水位站地理位置及主任務

姚家嶺水位站位于寶雞市渭濱區馬營鎮姚家嶺村，是渭河右岸的一級支流清水河干流控制站，斷面以上河道平均比降32.5‰，河長22 km，控制集水面積124 km2。測驗項目包括水位、雨量。水位站的管理采取無人值守，委托當地人看管的模式，擔負向國家大型企業寶鈦集團有限公司、馬營鎮及下游沿河各村鎮的防汛任務。

2.2 測驗河段概況

測驗河段順直，斷面右岸緊鄰寶鈦廠區公路，左岸為寶鈦管棒工廠，兩岸有河堤，河床由砂卵石組成。歷年最高洪水位797.50 m，最低枯水位為790.50 m。

3 預報的總體思路

此本次計算根據《寶雞市水文適用手冊》中提供的點平均暴雨量等值線圖和相關的地區綜合參數，用暴雨洪水圖集法推求設計暴雨，按地區綜合概化成的典型概化雨型（用百分比表示）來推求暴雨的時程分配，按蓄滿產流方式進行產流計算，用初損后損法推求地面設計凈雨過程，根據本區域流域面積，比降和相關參數，利用S曲線將瞬時單位線轉換為1 h的時段單位線的匯流計算來實現由降雨量推求洪水過程的預報方法。

4 預報的原理依據

瞬時單位線屬于一種概念性模型，它是1957、1960年由J.E.納希推導出瞬時單位線的數學方程，用矩法確定其中的參數，并提出時段轉換等一整套方法。流域瞬時單位線：流域上分布均勻，歷時趨于無窮小，強度趨于無窮大，總量為一個單位的地面凈雨在流域出口斷面形成的地面徑流過程線。瞬時單位線用于短缺資料或無資料地區的洪水計算。參數n、K,決定單位線的形狀和特征。本次計算中清水河流域的n、K是通過m1,m2，計算得出來的。瞬時單位線最終要通過s曲線轉化為時段單位線才能用，用法和經驗單位線的用法一樣。

5 預報的方法與步驟

5.1 產流計算

5.1.1 用暴雨洪水圖集法推求設計面暴雨量

根據設計標準p%=（p=20%、10%、5%、2%）和以上的地區綜合統計參數，推求出各時段的設計點雨量，本方案中在點暴雨等值線圖上查出不同頻率下的點平均暴雨量，和相應的CV, CS=3.5CV，并根據寶雞地區秦嶺北麓1 h、3 h、6 h、24 h的擬合曲線參數at與指數,bt,帶入公式a=1/(1+atF)bt算出點面折算系數a，再根據x設=x kp和x面=x設×a推算出面暴雨量，最大12 h點暴雨量由最大6 h，最大24 h點暴雨量根據公式H12=(H6×H24)0.5內插推求。

5.1.2 用初損后損法推求設計地面凈雨過程

（1）選定設計暴雨雨型

本方案采用《寶雞市水文適用手冊》按地區綜合概化成的典型概化雨型（用百分比表示）來推求暴雨的時程分配。流域面積小于或等于300 km2的流域選最大12小時設計暴雨雨型。

（2）推求設計地面計凈雨過程

根據暴雨時程分配表，推求設計頻率p%=（p=20%、10%、5%、2%、）的設計凈雨過程。

前期影響雨量Pa、土壤最大蓄水量Im的計算

本方案中Pa采用秦嶺北麓、西部山區的分區定數Pa=2/3× Im=47 mm,Im=70 mm。

扣除損失量推求地面凈雨過程：

①初損量的計算：本方案中P初損采用秦嶺北麓、西部山區的分區定數P初損=Im/3，也就是說本次降雨量與前期影響雨量之和大于土壤最大蓄水量才開始時產流。此時的損失量就是初損量采用一次扣除的方式。

②扣除后損P后損計算：后損P后損按按總凈雨深P凈總的20%各時段平均扣除在各個產流時段P凈總=p+pa-Im

③求地面凈雨過程：從各個時段的地面凈雨深中，分別把初損后損量逐時段扣除就得到地面凈雨過程。

5.2 匯流計算

5.2.1 根據《寶雞市水文適用手冊》，結合清水河流域面積、比降和地區綜合參數確定m1，m2

①根據產流計算過程，從不同設計頻率下的地面凈雨數據，計算造峰歷時TP和時段平均造峰雨強I

TP=1.63（F/J）0.244=2（定值）

②計算m1，m2

根據公式:m1=m1I=10×(10/I)b

m1I=10=2.394（F/J）0.243=2.394×（124/35.2）0.243=3.25（定值）

b=0.628-0.1207lgF=0.628-0.1207×lg124=0.375（定值）

根據TP的取值在地面凈雨過程中選取最TP小時凈雨量HnpI=Hnp/Tp

Ik=18.75(F/J)0.181=23.5（定值）

如果I＜Ik,取I值，如果I＞Ik，取Ik值。其中：m1I=10為當I=10 mm時，m1的值；I為造峰雨時段平均雨強（mm/h)；F為流域面積；J為河道平均比降；b為非線性改正指數；TP為造峰歷時及平均雨強的確定；Hnp為造峰歷時的凈雨量；Ik為臨界雨強。

m2=0.882×(F/J)-0.197=0.69（定值）

③計算n,k值

根據式n=1/m2，K=m1/n求出不同設計頻率所對應的n,k值。不同重現期所對應的m1，m2，n，k值見表1。

5.2.2 用（s）t曲線將瞬時單位線轉化為1小時10 mm的時段單位線

由n和t/k為參數查s(t)曲線表，求得瞬時單位線，由瞬時單位線轉換為時段單位線。假定流域上凈雨持續不斷，每一單位時段有一單位凈雨，則可以求出出口斷面的流量過程，該過程線稱為s曲線。流域上的凈雨歷時不同，雨強也不同，所形成的單位線面積相同，形狀卻不同，因此需要轉化單位線的時段長來滿足推求流量的需要。s曲線就是瞬時單位線的累積曲線，由單位線縱坐標值累加求得。有了s曲線就可以用s曲線轉換為單位線的時段長，本方法中采用時段為1 h，之所以用1 h是因為姚家嶺水位站的遙測雨量數據和姚家嶺雨量站遙測雨量數據設置為1 h報送一次，與之配套計算，預報更方便些，更適合實時滾動預報。

根據《寶雞市水文適用手冊》的相關規定，經計算重現期為20年以上（包括20年）所對應的（s）t曲線是一樣的，因為最大2 h造峰雨強均大于臨界雨強23.5 mm/h,取臨界值，所計算出來的m1、m2相同，n、k值也相同，因此（s）t曲線也是相同的。重現期在20年以下，最大2 h造峰雨強均小于臨界雨強23.5 mm/h,因此計算出來的n、k值不同，（s）t曲線也不同，但差別不大。根據預警預報要求，計算了20年一遇、10年一遇、5年一遇的最大2 h的造峰雨強，并根據雨強，求得n、k值，推算了其相應（s）t曲線。不同重現期所對應的瞬時單位線轉換為1 h的時段單位線計算表見表2。

表1 不同重現期所對應的m1，m2，n，k值見下表

表2 單位線列表重現期所對應的m1，m2，n，k值見下表

表3 姚家嶺水位站不同重現期的洪峰流量、洪峰滯時表

5.2.3 選定預警預報所用的時段單位線

針對清水河流域的實際情況，經過分析計算后確定用三種單位線進行預警預報。根據產流方案，當最大2 h造峰地面凈雨雨強≤14.1 mm/h時用單位線1，當最大2 h造峰地面凈雨雨強14.1 mm/h≤I≤18.6 mm/h時用單位線2，當最大2 h造峰地面凈雨雨強I≥Ik臨界雨強=23.5 mm/h時用單位線3。單位線列表見表2。

5.2.4 用excel編程序制表直接輸入數據做預警預報

選起漲流量為基流，單位線計算的流量過程中最大流量就是洪峰流量Q，從選用時段降雨量資料中，參與計算的第一個時段的時間t+最大流量出現的時段數n就是峰現時間T。參與計算的第一個時段的時間就是地面徑流開始的時間，也就是降雨重心時間。時段數n就是洪峰滯時。降雨重心時間+洪峰滯時=峰現時間T。

6 用不同頻率暴雨推算不同頻率洪峰流量建立關系進行預報

6.1 根據面平均雨量計算洪峰流量、洪峰滯時

以上是根據凈雨雨強，選用用瞬時單位線轉換為1 h段單位線實現預警預報的方法，同時還可以不同頻率的降雨量，利用典型概化雨型，應用單位線推求不同頻率的洪水建立關系，用重

圖1 姚家嶺水位站面平均雨量與重現期關系圖

現期作為紐帶，直接查圖進行快速預報。計算結果見表3。

6.2 建立雨量與重現期，流量與重現期關系圖

6.3 作業預報的方法與步驟

圖2 姚家嶺水位站洪峰流量與重現期關系圖

（1）根據相應時段的面平均降雨量查圖1，求出重現期；

（2）用所查重現期和相應的時段查圖2，求出洪峰流量；

（3）根據表3內插求出洪峰滯時，面降雨量結束時間+洪峰滯時=峰線時間，由于姚家嶺所屬流域面積小，峰現時間在3 h之內，根據表3內插即可。

7 結論

根據預警預報任務要求，當預警預報站接近預報標準或區域平均降雨量達50 mm時，應及時作預警預報，針對清水河流域短缺資料的實際情況，姚家嶺水位站距離下游寶鈦工業園區相對較近，出于安全考慮，根據地面凈雨強度，將瞬時單位線轉化為1 h的時段單位線推求洪水過程的方法和用單位線推求出面雨量和洪峰流量與重現期的關系查圖法，能夠滿足預警預報的要求，可以應用于清水河流域寶鈦工業園區的洪水預警預報中。

Application of the Instantaneous Unit Line in Flood Forecast of Baotai Industrial Park Area in Qingshuihe River

Shi Muli
（Shaanxi provincial hydro-geologyand water resources exploration bureau,Xi’an 710068,Shaanxi）

In viewofthe actual situation ofthe shortage ofwater resources in the Qingshui River Basin,Yaojialing water station is relatively close to the downstream Baotai industrial park.For safety,according to the ground rainfall intensity,the instantaneous unit line is converted intoa 1 hour period unit line tocalculate the flood process and to find out the relationship between the rainfall and the peak flow together with its reproduction period,The method can be applied to the flood forecasting of Baotai Industrial Park in Qingshui,which can be used tothe flood warningand forecastingin Baotai Industrial Park area ofQingshui River Basin.

The instantaneous unit line；flood forecastingand application

TV122

B

1673-9000（2017）02-0009-03

2017-01-17

石牡麗（1981-），女，陜西府谷人，工程師，主要從事水文水資源工作。