马新双，何 平

北运河暴雨洪水计算探讨

马新双1，何 平2

(1.河北省保定水文水资源勘测局，河北 保定 070051；2.河北省廊坊水文水资源勘测局，河北 廊坊 065000)

受人类活动的影响，北运河流域下垫面条件发生了较大变化，造成流域产汇流规律发生一定程度改变，从而大大增加了该地区暴雨洪水的计算难度。通过多年的实践表明，在暴雨洪水计算过程中，根据流域实际情况，充分考虑水利工程运用等各方面的条件，选择适当的计算方法，可以大大提高暴雨洪水的计算精度。

径流深；超渗产流；蓄满产流；洪水总量

1 流域概况

北运河通州北关闸至土门楼站河长52 km，其中通州北关闸至榆林庄27 km，榆林庄至土门楼25 km。区间入流主要有凉水河榆林庄入北运河，凤港减河王家摆入北运河，另有牛牧屯引潮白河入北运河(汛期一般情况关闭)。通州至土门楼区间流域面积1105 km2，其中通惠河258 km2、凉水河624 km2，凤港减河223 km2。通州至土门楼区间节制闸较多，其中有通州北关拦河节制闸、榆林庄闸、杨洼闸、凤港减河军屯闸，97年又新建一座曹庄橡皮坝。

2 暴雨洪水计算理论依据

北运河上游地区产流的计算，过去基本是应用经验暴雨径流深，以降雨和前期雨量为主参数。有的考虑暴雨中心，暴雨历时等因素，以降雨、前期影响雨量、暴雨中心位置、暴雨历时各参数用试错法绘制相关图，后来一些地区应用蓄满产流的方法代替经验相关图法。在北运河水系，以蓄满产流的方法，一直没有理想的结果，加上人为因素的影响，产流计算精度不太理想。

多年的洪水预测实践证明，河道洪水预报除了受水利工程人为的影响以外，流域下垫面发生了很大变化，产流条件和产流方式发生了很大改变，需要根据具体情况，摸清洪水规律，制定相应的计算方法。

在进行暴雨径流预测计算时，首先要判定产流方式。是超渗产流，还是蓄满产流，或是既有超渗产流又有蓄满产流。一般情况下，地下水埋深在0.6 m以内的地区，基本上是蓄满产流区，按蓄满产流的计算方法计算。北运河下游平原地区，地下水埋深一般在10 m以上，汛期洪水一般为超渗产流，应按超渗产流方法计算。市区由于路面硬化率较高，大都为超渗产流，可按超渗产流方法计算。中部地区的产流方式大部分是由超渗产流逐渐向蓄满产流转化。在洪水预测的工作中，每次洪水过后，要尽快分析洪水的稳定入渗率是多少，一般是逐渐变小。要及时准确掌握稳定入渗率变小的动向，当稳定入渗率接近于0时，说明产流方式转化为蓄满产流，要按蓄满产流方法计算。一般情况，这个转化一般是先局部后全部，发生局部蓄满，要分别用两种方法计算。此外，在人为因素影响较大的地区要进行修正计算，河道蓄水的要加上蓄水量。

3 产流计算

3.1 超渗产流计算方法

北运河水系，暴雨历时短、强度大、地面分布不均匀。中小洪水的对应暴雨强度有时每小时达50 mm，暴雨历时少则1～2 h，多者不过5～6 h。大洪水的对应暴雨强度有的多达每小时100 mm，地面分布很不均匀，暴雨中心的雨量往往比最小雨量多2～3倍，因此局部产流多有发生。

北运河水系地面情况不尽相同，产流开始时间也是各不相同，受最大初渗不均匀和稳定入渗率不均匀的影响，不同区域相同的流域面积产流量也不同。

要熟悉以上这些情况，在产流计算时，超渗产流计算必须以单站计算的方法进行，将各站以自己的具体特点计算的单站净雨深乘以单站代表面积为单站洪水总量，将产流的各站洪水总量相累积为流域洪水总量。

超渗产流方式影响径流量的主要因素有降雨量、前期影响雨量、最大初渗，稳定入渗率和历时。这些参数的计算精度直接影响洪水总量的计算结果。

1)降雨量P

一般取早8点以后的实测隆雨量，降雨接近结束的时候发生的小于稳定入渗率的雨量可以不参加计算。

2)前期影响雨量Pa

计算公式为：

Pac+1=KP1+k2Pt-1+k2Pt-2+…。

(1)

(2)

式中：Pa为前期影响雨量(以最大初渗控制)；K为土壤含水量日折减系数；Em为流域陆面蒸发能力；Im为流域最大初损(渗)

流域最大初损(渗)值，一般由水文资料中直接分析来确定。选择前期影响雨量很小，流域出口降雨较大并早产流汇流到流域出口，产流量很少的资料。用下式计算确定。

Im=P+ Pa-R-f·t-E

(3)

式中：F为稳定下渗率；F为稳定下渗历时；R为径流深；E为蒸发量

注：P和Pa应用出口站资料。

严格的讲，最大初渗不是固定不变的，要分析多次资料，求出各种情况的Im值，寻求规律，不同情况用不同的Im。往往当Pa和R接近于0时的Im，为最大初损(渗)值。

北运河水系陆面蒸发量，正常年日最大蒸发在9～12 mm左右。

3)稳定入渗率和稳渗历时

一般的讲，稳定入渗是暴雨满足初渗形成径流后的下渗。初渗值为出口站洪水起涨时对应的8时以后的降雨总量(mm)。往往在洪水过程线上，开始有一个小的起动，这起动是流域降雨形成的，代表河槽和水沟的湿润情况形成的径流，其初渗值为河槽水沟地带的初渗。而代表地面径流的初渗，是小起动的后面陡涨的起动时降雨总量。确定初渗后，应用下式求稳定入渗率。

(4)

式中：t为稳渗历时，由实际资料中求得。

4)单站径流量的计算

先求单站代表流域面积数F，一般应用泰森多边形法。

应用P+ Pa-Im和稳定入渗历时，稳定入渗查单站超渗产流暴雨径流相关图，求出单站径流深。

单站径流量W1=R1+f1

(5)

5)流域洪水总量为各单站径流量相叠加

∑W=W1+W2+W3+…

(6)

3.2 蓄满产流计算方法

按照蓄满产流的基本理论，降雨满足初渗，净雨等于初渗满足后的降雨。可用下式求得。

R=P+Pa-Im-E

(7)

式中：R为径流深(mm)；Pa为前期影响雨量；Im为最大初渗；E为蒸发量。

受北方地区降雨量的不均匀性和多局部产流的影响，蓄水分配曲线也不大固定。因此计算时，凡蓄满产流的站要以单站的实际资料计算单站径流量，流域径流量以各站径流量叠加得之。

3.3 超渗和蓄满产流同时发生计算方法

由于北运河水系上中下游植被不同，流域下垫面不同，产流条件不同，产流方式也不同，一场洪水在上、中、下游可能既有超渗产流，也有蓄满产流，或先超渗产流后蓄满产流。因此需要按不同产流分别用不同方法计算单站径流量，各站径流量相叠加为径流总量。

4 河道汇流计算

河道汇流计算多用马司京干法和分段连续流量演算法。由于河道下垫面的变化及水利工程的影响，计算误差往往很大。北运河上游，建有苇沟等三个翻板闸，日常为自动使用，具有一定的水头，自动翻板泄流。小水时不翻板，起到蓄水作用，水泄不下去，只有具备翻板条件时才翻板。翻板造峰和提闸造峰一样，形成与原洪水峰不同的变形峰。有时早期蓄水还影响洪量。用一般的河道流量演算方法反映不出翻板造峰的规律。解决此类问题，一般将闸上河道作为蓄水区考虑，进行调节演算计算到水位超过翻板水头时判断为翻板，不到翻板水头则不翻板，下游无水。另外，北运河北关闸至土门楼闸区间闸坝林立，经常蓄水2 000～3 000万 m3，遭遇暴雨突提闸门加大洪峰流量，遇到此情况，将分析计算的突提闸门过程线与河道汇流计算过程相叠加为修正计算过程，多年来，计算成果较好。

5 经验洪水计算方法

经多年北运河洪水资料分析，推出了一种适合北运河及相近河道洪水计算的新计算方法，即“流量倍比法”。该方法是将上游站一次实测的洪水流量，按设定的时段(可为1h、3h等)通过倍比计算，转算成每个时段的下游流量，按照洪水传播时间，计算到达流域出口水流的流量连接线，按照洪水总量不变的假定，采用面积分配曲线作为流域汇流曲线，即流量采用上游流量乘以倍比，历时采用上游洪水历时除以倍比，从而计算出下游的洪水过程线。

“流量倍比法”是将上游断面实测的洪水流量，按设定的时段转算成每个时段的流量百分数，采用面积分配曲线作为流域汇流曲线，作为流域出口断面的洪水预报过程。这种方法，不仅计算精度较高，并且计算简单快捷。

以2012年7月21日暴雨洪水实测资料进行分析计算见图1。

图1 北运河各站洪水流量过程(2012年7月21日)

6 结语

受人类活动的影响，海河流域中下游大部分河道下垫面发生了较大变化，城市化建设、水利工程建设等对河道产汇流规律造成很大影响，按常规产汇流规律进行洪水计算或作业洪水预报，往往计算精度不会太高。通过多年的实践表明，在暴雨洪水计算过程中，根据流域实际情况，充分考虑流域下垫面变化及水利工程运用等各方面的条件，研究制定了快速简单的经验计算方法，“流量倍比法”，该方法可以大大提高暴雨洪水的计算时效，其它河道洪水计算亦可借鉴。

[1]刘同僧.大清河北支“12.7”特大暴雨洪水流域产汇流参数变化分析[J].南水北调与水利科技.2013(1).

[2]刘文具.流域下垫面变化对流域洪水的影响分析[J].地下水.2013(3).

[3]刘同僧.人类活动对洪水计算的影响分析[J].地下水.2013(2).

[4]刘文具，何平.海河流域产汇流参数变化分析[J].水科学与工程技术.2014(2).

[5]高延雄.北运河2012年暴雨洪水分析[J].水科学与工程技术.2014(5).

[6]廊坊市水务局. 北运河2012年暴雨洪水调查报告.2013(5).

2017-03-15

马新双(1973-)，男，河北保定人，高级工程师，主要从事水文测报工作。

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