鄱阳湖洪水预报方案研制

JournalofWaterResourcesResearch水资源研究,2014,3,479-485PublishedOnlineDecember2014inHans.://dx.doi.org/10.12677/jwrr.2014.36059479FloodForecastingSchemeforPoyangLakeGuowenLi1,ZhongwenYu1,SunyunLv21HydrologyBureauofJiangxiProvince,Nanchang2BureauofHydrology,ChangjiangWaterResourcesCommission,WuhanEmail:[e-mail]:Sep.1st,2014;revised:Nov.5th,2014;accepted:Nov.10th,2014Copyright©2014byauthorsandHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY).鄱阳湖洪水预报方案研制李国文1，喻中文1，吕孙云21江西省水文局，南昌2长江水利委员会水文局，武汉Email:[e-mail]收稿日期：2014年9月1日；修回日期：2014年11月5日；录用日期：2014年11月10日作者简介：李国文(1964-)，男，高级工程师，主要从事流域规划、洪水预报工作。鄱阳湖洪水预报方案研制480摘要鄱阳湖为长江中下游洪涝灾害频繁的地区，鄱阳湖洪水预报方案研制对于科学调度鄱阳湖防洪减灾具有重要意义。本文分析了鄱阳湖洪水及其灾害特征，根据星子站实测水位与星子、湖口站前期水位、涨率、区间平均降雨量、五河七口入湖流量与湖口出流量之差进行相关分析，建立了湖泊水量平衡方案与多要素相关方程两种预报方案，用于鄱阳湖洪水作业预报。通过历史资料和应用检验，这些洪水预报方案可以取得较高的预报精度。关键词鄱阳湖，洪水灾害，预报方案1.引言鄱阳湖为长江中下游洪涝灾害频繁的地区，洪涝灾害危及湖区人民生命财产安全，严重地制约着湖区社会经济的发展。鄱阳湖区受五河来水及长江顶托影响，河湖口洪道以上河段洪水下泄的影响比较显著；同时五河的出流受到鄱阳湖顶托的影响。因此鄱阳湖洪水预报方案研制对于科学调度鄱阳湖防洪减灾具有重要意义。近年来，鄱阳湖区洪涝灾害日频发，已引起国家和社会各界的普遍关注。我国许多学者对鄱阳湖洪水洪涝灾害特征、成因、灾情评估、减灾对策进行了大量的研究，取得了一系列的成果。闵骞对鄱阳湖区20世纪90年代洪水特征进行了研究[1]，并对鄱阳湖洪水水位变化趋势进行了计算与分析[2]，徐高洪、秦智伟采用面积比拟法、修正总入流法、单水源模型、新安江三水源模型对湖区洪水进行了分析计算，分析了围垦对鄱阳湖洪水位的影响[3]，舒长根、刘影等从高洪水位与江西暴雨关系方面，提出了对鄱阳湖高洪水位进行预报的思路和方法[4]，这些研究仅对鄱阳湖洪水成因、洪水水位变化以及鄱阳湖洪水预报的思路和方法进行了研究和探讨，而对鄱阳湖洪水预报方案的研制研究的较少。本文以星子水位站为代表站，研究分析了鄱阳湖湖泊水量平衡和多要素相关分析预报两种洪水预报方案，并进行了预报检验。2.鄱阳湖洪水及其灾害特性鄱阳湖可用“洪水一片，枯水一线”来形容其奇特的自然景象。湖口水位站达到1998年实测最高水位22.59m时，湖面面积达4070m2，容积320亿m3；枯水季节，水位下降，洲滩出露，湖水归槽，蜿蜒一线，当达最低水位5.90m时，湖面面积仅为146km2。鄱阳湖的洪水(指水位)可以概化为单峰和双峰。“五河”(赣江、抚河、信江、修水、饶河)洪水推迟，长江洪水提前，两者遭遇；据统计单峰型出现频率约42.5%，且出现单峰时，水位一般较高，年最高水位都在18m以上，超过20m的占52.9%。鄱阳湖区洪水灾害发生频繁，平均5年有4年受灾，据统计，发生大洪水灾害的年份主要有1954年、1983年、1995年、1998年、1999年、2010年等。鄱阳湖流域范围见图1。在鄱阳湖区和“五河”尾闾地区，洪涝灾害的致灾原因分为两个方面：一是河流本身来水过大、水位过高致使洪水漫过圩堤或使溃决，如2010年“6.21”唱凯堤决口即属于这一类型；二是由于鄱阳湖洪水顶托，“五河”尾闾长期维持高水位使圩堤内的渍水无法及时排除，圩堤长期在高水位下浸泡致使堤体松软，由此引发灾害危险。鄱阳湖洪水预报方案研制481Figure1.SchematicmapofthePoyangLakebasin图1.鄱阳湖流域示意图3.星子水位站基本情况鄱阳湖洪水预报以星子水位站为代表站。星子水位站地处星子县南康镇，鄱阳湖湖口水道中上游左岸，是鄱阳湖重要出口，位于东经116˚02′36″，北纬29˚26′45″，于1934年建站，观测项目有水位、降水量、蒸发量、水温等。多年平均降水量1454.6mm，年最大降水量2295.8mm(1954年)，年最小降水量774.3mm(1978年)；多年平均水位13.50m，历年最高水位22.52m(1998年8月2日)，历年最低水位7.11m(2004年2月4日)。星子站是中央重要报汛站，担负着鄱阳湖湖区防汛水文测报任务，为鄱阳湖区、长江中下游防汛抗旱服务，为湖区水资源综合评价和治理、开发、利用鄱阳湖、湖泊科研提供详实水文资料，为当地经济建设服务。4.鄱阳湖洪水预报方案研制本论文研究并编制了湖泊水量平衡和多要素相关分析预报两种方案。4.1.湖泊水量平衡方案湖泊水量平衡的具体表达式为：PE=++∆入出(1)式中：W入为入湖水量，WQt=⋅∆入；PW为湖面降雨水量，PWPF=⋅；W出为出湖水量，Wqt=⋅∆出；EW为湖面蒸发水量，EWEF=⋅；W∆为湖盆蓄水变量，()21WHFHHF∆=∆⋅=−⋅。鄱阳湖洪水预报方案研制482上面的t∆为时段长度；P为湖面降水深；F为平均湖面面积；E为湖面蒸发深度；H∆为t∆内的水位变化；Q为平均入湖流量，QQQ=Σ+河区，Q河为五河七口入湖流量，Q区为鄱阳湖区间入湖流量；q为湖口平均出湖流量；1H、2H为时段初、末的湖水位。为便于计算，将湖面产水量归入区间产水量之中，湖面蒸发量影响较小，可忽略不计。则(1)式变为：=+∆入出(2)其中()=+=Σ+∆入五河河区区间。将式(2)具体化为()12212FFQtqtHH+⋅∆=⋅∆+−⋅(3)取1dt∆=，式(3)转变为：21120.1728QqHHFF−=++(4)其中：1F、2F分别为时段初、末的湖面面积(单位：km2)，式(4)即为水量平衡法的预报方程。4.1.1.预报步骤1)确定入湖Q：()1212QQQ=+，1Q是已知的，2Q需要用五河七口及鄱阳湖区间入湖流量预报方法进行预报。2)确定出湖q：()1212qqq=+，1q是已知的，2q也需要作湖口出流预报。在利用水量平衡法预报鄱阳湖洪水位时，要做好以下三方面的工作：①计算区间入湖流量Q区；②预报时段末的入湖流量2Q；③预报时段末的出湖流量2q。4.1.2.预报应用限于资料，目前尚无法建立22Qq⋅的预报方案；鄱阳湖区间入湖量要建立模型进行估算。1)预算方程简化处理。在式(4)中，令QQq′=−，称为平均净入湖流量。则()()112QQqQq′=−+∆−∆，其中21QQQ∆=−为入湖流量的增量，21qqq∆=−为出湖流量的增量。一般来说，q∆随Q∆变化而改变(q∆的变化时刻较Q∆稍滞后)。现假定q∆与Q∆的变化在短时段内相近，得到：1121120.1728QqHHFF−≈++(5)以式(5)作为目前鄱阳湖洪水预报的简化方程。使用时，先假定一个2H，在高程面积关系曲线上查得一个2F，代入式(5)计算第一个2H与初设的2H有差异，则重新假设2H，计算出第二个2H；通过多次反复试算，直到由式(5)计算的2H与假设的2H相同。2)Q区的估算。选用五河七口控制站(外洲、李家渡、梅港、渡蜂坑、虎山、万家埠、虬津)和鄱阳湖星子、都昌、康山三站共10站，以这10个站的平均降水量代表鄱阳湖区间降水量。区间产流量的计算，采用地理学方法，即取大汛时期的径流量系数0.85α=，乘以区间降水量，得区间产流量。区间汇流使用由博阳河梓坊水文站和乐安河石镇街水文站历史资料综合推得的经验单位线()()1557882Qt=区；，；确定。这里的()Qt区是1mm区间平均降水量对应的单位线(包含了产流量计算在内)。区间汇流也可用滞后演算法计算()()01QtQCsCsQr=×+−×区区。0.5-0.7Cs=，Qr为一时段区间平均产流量。鄱阳湖洪水预报方案研制483采用以上预报模型，对鄱阳湖星子站1985~2003年历史洪水资料进行预报检验，其预报精度见表1。4.1.3.方案评定根据《水文情报预报规范》(SL250-2000)的规定进行方案评定，结合鄱阳湖特性，确定检验指标为0.1m。经检验，预报检验总天数2472天，预报误差≤0.06m的占77%，预报误差≤0.10m的合格率为92.7%，方案平均预报误差为0.04m，确定性系数为0.999。结果表明，该预报方案为甲级，可用与洪水作业预报。4.1.4.误差分析分析超过0.10m的误差发现，预报出现较大误差的主要原因在于“Q∆与q∆相近”的假设有时与实际情况有较大的出入，这一假设是造成预报出现较大误差的主要原因。该方案的主要改进方向是：建立2Q与2q预报方案，将利用式(5)进行作业预报改为直接使用式(4)进行作业预报。4.2.多要素相关分析预报方案研制多要素相关分析预报方案，即根据星子站实测水位与星子、湖口站前期水位、涨率、区间平均降雨量及五河七口入湖流量与湖口出流量之差进行相关分析，建立多要素相关方程，用于鄱阳湖洪水作业预报。五河、鄱阳湖和长江是紧密相连的水体，存在