王路路，張 宇，孫 超

（1.東營市水文中心，山東 東營257000；2.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京100875）

1 概況

小清河位于魯北平原南部，黃河沖積平原上，干流自濟(jì)南玉符河起，自西向東流經(jīng)濟(jì)南、淄博、濱州、東營、濰坊5市的10個縣、市、區(qū)，匯集18個縣、市、區(qū)的來水，于壽光市羊角溝流入萊州灣，全長229 km，流域面積10434 km2。是一條具有排水、灌溉、航運(yùn)等多功能的人工河道，為全國五條重要的國防戰(zhàn)備河道之一，也是魯中地區(qū)重要的排水河道。小清河水系復(fù)雜，支流眾多，呈典型的單側(cè)梳齒狀分布，幾乎全部支流在干流右岸，排洪能力較大。

石村水文站位于東營市廣饒縣石村鎮(zhèn)東辛橋，為小清河最下游干流控制站，距河口52 km，控制流域面積6717 km2。其上游42 km處有岔河站，下游41 km處有羊角溝潮位站。本站主要任務(wù)是監(jiān)測小清河水位、流量等水文要素，收集基本水文信息，開展防汛抗旱、水文預(yù)測預(yù)報，并承擔(dān)東營市年度區(qū)域用水總量監(jiān)測、出入境河流控制站徑流測報、研究水文規(guī)律等。

石村站多年平均降水量為580 mm，豐水年份多達(dá)1140 mm（1964年），枯水年份僅為347 mm（1952年），年降水量多集中于汛期，暴雨多發(fā)生于7月中旬至8月上旬。該站歷史最高水位為8.02 m，出現(xiàn)在1964年；最大流量為521 m3/s，出現(xiàn)在2019年。

2 數(shù)據(jù)

本研究時段選用1961年～2019年59 a，洪水資料來自歷年洪水摘錄數(shù)據(jù)。石村站歷史上發(fā)生過多次變遷，1992年～2009年石村站只測水位3 m以上洪水，這18年大多數(shù)洪水過程摘錄不完整，洪水難以分析。1997年因小清河干流治理，該站下遷5000 m至東辛橋現(xiàn)址，干流治理后，流域匯流情況發(fā)生了較大變化［1］。

計算流域面平均雨量采用泰森多邊形法，這種方法計算簡單且使用廣泛［2］。選取石村站控制流域面積內(nèi)的黃臺、博山、北鳳、九戶、芽莊湖、淄川、索鎮(zhèn)、馬尚、岔河、石村站10個雨量站資料，其面積權(quán)重分別為0.21、0.05、0.16、0.08、0.1、0.07、0.12、0.07、0.1、0.04。對10個雨量站資料進(jìn)行加權(quán)平均得到石村站控制流域的平均雨量。

3 洪水特性

3.1 降雨徑流關(guān)系

將本站歷年實測洪水進(jìn)行整編，分割場次洪水和地表徑流，計算地表徑流深等水文要素數(shù)值。1961年～2019年共選取58場洪水，繪制P+Pa～R圖，見圖1。P為流域平均雨量，Pa為前期雨量指數(shù)，反映前期土濕，前期影響天數(shù)選擇15 d。由圖1可知，石村站的降雨徑流關(guān)系較為散亂，通過點(diǎn)群中心定線，關(guān)系線存在一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)以上關(guān)系線與45°線近似平行，轉(zhuǎn)折點(diǎn)以下為曲線［3］。部分點(diǎn)據(jù)存在較大偏離，例如2019年大洪水，由于上游破堤泄洪，計算得到的徑流深明顯偏小。

由于石村站位于平原地區(qū)，水系復(fù)雜，上游多水利工程，洪水期間上游水庫蓄水、閘門開放水等都會影響實際洪水過程［4］。另外，石村站位置近海，受到海水頂托的影響，退水較慢，經(jīng)常出現(xiàn)一場洪水尚未結(jié)束又發(fā)生第二場洪水的情況，這些因素導(dǎo)致石村站洪水過程復(fù)雜，場次洪水難以劃分，計算的地表徑流深存在誤差，降雨徑流關(guān)系可能不夠準(zhǔn)確。

圖1 石村站降雨徑流相關(guān)圖

3.2 峰量關(guān)系

由于1997年小清河干流治理，流域匯流情況發(fā)生了較大變化，河道寬闊順直，干流水位降低，干支流頂托減少，匯流速度增大，因此1996年以前的峰量資料已失去代表性。本研究根據(jù)1997年干流治理后的27場洪水繪圖定線，見圖2，點(diǎn)據(jù)大部分分布在相關(guān)曲線兩側(cè)，部分偏離較遠(yuǎn)。由于上游閘門啟閉以及下游水頂托導(dǎo)的影響，石村站部分場次洪水存在洪峰和洪量不對應(yīng)的情況。

圖2 石村站峰量關(guān)系圖

3.3 典型洪水過程

近年來石村站多發(fā)大洪水，2018年、2019年連續(xù)兩年受臺風(fēng)影響發(fā)生特大暴雨，給當(dāng)?shù)貛韲?yán)重洪澇災(zāi)害。本研究選取2013年、2018年、2019年3年典型暴雨洪水過程，分析其洪水特征和成因。

圖3 典型暴雨洪水過程

2013年“130731”號洪水洪峰流量為312 m3/s，本次洪水過程中發(fā)生多次降雨，導(dǎo)致洪水歷時較長，出現(xiàn)復(fù)式洪峰。2018年“180821”號洪水洪峰流量為378 m3/s，為歷史第二大洪峰，本次洪水受臺風(fēng)“溫比亞”影響，期間普降暴雨，降水范圍廣、歷時長、總量大，導(dǎo)致較大洪水過程。2019年“190813”號洪水洪峰流量為521 m3/s，為歷史最大洪峰，重現(xiàn)期達(dá)50年一遇，本次洪水過程是由于臺風(fēng)“利奇馬”和西風(fēng)槽結(jié)合影響，出現(xiàn)極端降水［5］，24 h暴雨重現(xiàn)期達(dá)500年一遇。

由以上三次典型洪水過程分析，石村站由于地處沿海平原，地形平坦且受到海水頂托的影響，洪水消退較慢，整個洪水歷時相對較長。

4 洪水預(yù)報

4.1 洪水預(yù)報面臨挑戰(zhàn)

石村站是小清河干流上最后一個控制站，小清河在其下游41 km處羊角溝匯入渤海。石村站防洪壓力相對較低，但近年來由于城市化發(fā)展，綠地面積減少，不透水面積增加，產(chǎn)匯流變快［6］。石村站連續(xù)兩年受臺風(fēng)暴雨影響，發(fā)生大型洪水，給其所在地東營市帶來嚴(yán)重?fù)p失，因此當(dāng)?shù)丶訌?qiáng)對石村站防洪工作的重視，其中預(yù)報預(yù)警起到關(guān)鍵作用。

石村站由于地處感潮河段，其洪水預(yù)報面臨諸多挑戰(zhàn)。位于感潮河段的斷面，流量受上游的洪水與下游潮水共同影響［7］，前者取決于控制流域內(nèi)的降雨徑流，流域內(nèi)多水利工程，上游水庫蓄水、閘壩泄洪等導(dǎo)致來水形勢復(fù)雜多變。后者取決于下游海洋潮汐漲落變化的影響，水位流量常出現(xiàn)不對應(yīng)的情況。受多種因素影響，石村站洪水特征復(fù)雜，其預(yù)報面臨諸多難題，目前沒有很好的適用于類似地區(qū)的水文模型。因此，石村站的洪水預(yù)報仍以經(jīng)驗預(yù)報為主。前文提到石村站的產(chǎn)匯流關(guān)系并不穩(wěn)定，本研究對石村站進(jìn)行了降雨徑流及洪水過程預(yù)報，以及上下游相關(guān)預(yù)報，建議使用上下游相關(guān)方案進(jìn)行實際預(yù)報。

4.2 上下游相關(guān)

上下游相關(guān)是指由上游站洪峰流量或水位預(yù)報下游站洪峰流量或水位。上游站選擇石村站斷面上42 km處的岔河站。為提高預(yù)報精度，選擇石村站同時流量作為預(yù)報參數(shù)。當(dāng)岔河站出現(xiàn)洪峰時，若石村站同一時刻流量較大，會相比流量較小時的洪峰流量更大。如圖4所示，點(diǎn)據(jù)呈帶狀分布，引入?yún)?shù)同時流量后可以更好的與點(diǎn)據(jù)擬合。

根據(jù)《水文情報預(yù)報規(guī)范》（SL 250-2000）對該洪水預(yù)報方案進(jìn)行精度評定，該方案共選取了32場次洪水資料進(jìn)行方案適線率定，有28場洪水絕對誤差在允許誤差（實測洪峰流量的20%）范圍內(nèi)，因此確定本預(yù)報方案合格率為87.5%，屬于甲級方案。對未參與方案編制的資料（2017年，2019年）進(jìn)行精度檢驗，誤差均在允許誤差范圍內(nèi)，合格率為100%，通過精度評定檢驗，表明本方案可以正式用于作業(yè)預(yù)報。

以2019年石村站特大洪水為例進(jìn)行預(yù)報，實測洪峰流量為521 m3/s，而通過上下游相關(guān)預(yù)報洪峰流量為600 m3/s。在此次洪水發(fā)生期間，石村站上游石村（溢）站破堤泄洪50 m3/s，即實際洪峰流量可能達(dá)到571 m3/s，可見與預(yù)報較為接近。本預(yù)報方法合格率為88%，屬于甲級方案，可以正式使用。其中，大型洪水預(yù)報相對準(zhǔn)確，而小型洪水誤差相對較大。除了洪峰流量的預(yù)報，本研究也對上下游傳播時間進(jìn)行了預(yù)報，但合格率僅為65%，預(yù)報難度較大，無法正式使用。尤其是小型洪水，受閘門啟閉和潮汐的影響，使得對于洪水傳播時間的預(yù)報偏差較大。

石村站受其特殊的地理位置的影響，加上近年來氣候變化，極端天氣多發(fā)，洪水形勢愈加復(fù)雜，預(yù)報方案使用時必須要全面分析多種因素的影響，盡量使預(yù)報符合實際情況。

圖4 石村站與岔河站洪峰流量相關(guān)圖

5 結(jié)語

本研究選取小清河流域下游石村水文站作為研究對象，對歷年洪水資料進(jìn)行分析，結(jié)果表明：

（1）由于石村站位于平原近海地區(qū)，水系復(fù)雜，上游多水利工程，實際洪水過程受到上游水庫蓄水、閘門開放水以及回水頂托的影響，石村站的降雨徑流關(guān)系以及峰量關(guān)系不夠準(zhǔn)確，存在部分洪水嚴(yán)重偏離相關(guān)曲線，實際工作中僅供參考。

（2）近年來石村站多發(fā)大洪水，給當(dāng)?shù)貛韲?yán)重?fù)p失。對2013年、2018年、2019年3年典型暴雨洪水過程進(jìn)行分析，研究表明石村站由于地處沿海平原，地形平坦且受到海水頂托，洪水消退較慢，整個洪水歷時相對較長。一旦面臨極端天氣（如臺風(fēng)），將會引發(fā)重大洪澇災(zāi)害。

（3）近年來，當(dāng)?shù)丶訌?qiáng)對石村站防洪工作的重視。但由于石村站地理位置特殊，洪水形勢復(fù)雜，其洪水預(yù)報面臨諸多挑戰(zhàn)。本研究建議使用上下游相關(guān)法進(jìn)行預(yù)報，合格率為88%，屬于甲級方案，可以正式投入使用。實際預(yù)報工作中建議加大對洪水災(zāi)害成因分析，采用多種預(yù)報方案進(jìn)行參考，提高預(yù)報精度。