柏葉口水庫洪水預(yù)報方案

吳 楠

（山西省柏葉口水庫建設(shè)管理局 太原 030002）

柏葉口水庫是列入國家“十一五”水庫建設(shè)規(guī)劃的項目，也是山西省重點建設(shè)的水源項目之一。柏葉口水庫位于山西省呂梁市交城縣的文峪河干流上，水庫總庫容9 712萬m3。最大壩高88.3 m，以壩最低趾板底為相對高程的零點計算，正常蓄水的相對高程為83.0 m，防洪限制水位為78.0 m。壩頂相對高程為88.3 m。水庫是以防洪、城市及工業(yè)供水、灌溉為主，兼顧發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫。水庫建成后，將會對當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。通過與文峪河水庫聯(lián)合運用，既可大大緩解本地區(qū)城市生活及工業(yè)用水的矛盾，同時，也可改善柏葉口至文峪河水庫區(qū)間河道水生態(tài)環(huán)境，向文峪河水庫下游提供0.51 m3/s生態(tài)基流，對文峪河水庫下游河道生態(tài)環(huán)境將起到積極的改善作用。為了施工安全度汛以及建成后更好地發(fā)揮水庫效益，合理地利用水資源，科學(xué)有效地進(jìn)行水庫調(diào)度管理，建立洪水實時預(yù)報系統(tǒng)是十分必要的。

1 柏葉口水庫上游產(chǎn)匯流自然條件

柏葉口水庫位于交城縣會立鄉(xiāng)柏葉口村上游的文峪河干流上，其壩址以上有兩大支流中西河和葫蘆河，發(fā)源于交城縣西北關(guān)帝山，控制流域面積875 km2，流域為扇形狀，支溝較為發(fā)達(dá)，流域內(nèi)以變質(zhì)巖為主，主河道兩側(cè)為第四紀(jì)沖洪積物覆蓋。兩側(cè)山間林木茂密，以天然針葉林為主，林地邊緣雜灌叢生，相比較而言，葫蘆河主河道較中西河寬闊，葫蘆河流域植被覆蓋率較低。水庫所在區(qū)域?qū)贉貨霭霛駶櫄夂騾^(qū)，海拔高、氣溫低、雨量充沛、水草豐盛、森林茂密，是山西省最大的森林區(qū)，從岔口站系列資料分析，本流域徑流充沛，四季基流不斷。其洪水由暴雨形成，多發(fā)于汛期，由于匯流坡度較陡，洪水陡漲陡落，洪水過程線多表現(xiàn)為尖瘦型。

2 模型選擇

2.1 水文模型的選擇

柏葉口水庫洪水預(yù)報應(yīng)采用降雨徑流途徑，即根據(jù)全流域?qū)崟r降雨過程預(yù)報進(jìn)入柏葉口水庫的洪水過程，從降雨到洪水需經(jīng)歷流域產(chǎn)流、流域匯流、河道匯流、水庫調(diào)節(jié)等幾個中間環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)都有多種備選的確定性概念模型供選擇，選擇是否合理將影響預(yù)報結(jié)果的精度。

確定性概念模型是根據(jù)水文循環(huán)概念，采用合理推理和科學(xué)概化方法，對流域水文現(xiàn)象的各個具體環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，建立一系列數(shù)理方程組用以模擬流域系統(tǒng)的徑流輸出。模型包括模型結(jié)構(gòu)和模型參數(shù)兩部分。前者是指降雨徑流過程中產(chǎn)流、匯流各主要階段水文物理現(xiàn)象之間數(shù)學(xué)模擬的推演關(guān)系和概念特點。它由一系列的物理方程、簡化物理方程和數(shù)學(xué)函數(shù)與邏輯判斷組成。模型參數(shù)則是區(qū)別不同流域水文特征的一組待定常數(shù)，一般分為三類：一是具有確定物理意義，可用量測或物理實驗與物理關(guān)系推求的參數(shù)；二是具有一定物理意義，可以介定其值域的半經(jīng)驗參數(shù)；三是純經(jīng)驗性參數(shù)。模型結(jié)構(gòu)確定后，以流域已有的降雨、徑流蒸發(fā)資料為輸入，在固定第一類參數(shù)的前提下，用系統(tǒng)分析方法，以模擬洪水總量、洪峰、峰現(xiàn)時間誤差最小和確定性系數(shù)最大為目標(biāo)函數(shù)，分析定量第二、三類參數(shù)。這一過程稱為參數(shù)的率定和識別。

2.2 流域產(chǎn)流模型的選擇

世界氣象組織（WMO）先后兩次從世界范圍內(nèi)的不下百種流域水文模型中選出部分具有代表性的模型進(jìn)行過統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的檢驗。水利部水文局1992年對國內(nèi)的流域水文模型做過類似檢驗。所得結(jié)論基本相同，即：

（1）如果流域位于濕潤地區(qū)，就不必過于挑選模型，因為在這樣的流域，簡單模型與復(fù)雜模型可以取得同樣的預(yù)報效果。但是，對于干旱和半干旱流域，模型需要仔細(xì)挑選，這是因為不同類型的模型，其模擬精度在濕潤地區(qū)較之在干旱、半干旱地區(qū)的差異要小些。

（2）對于干旱、半干旱地區(qū)，一般說來，顯式計算土壤濕度的復(fù)雜模型要比隱式計算土壤含水量的簡單模型效果好；模擬久旱之后的濕潤地區(qū)流域徑流，也是顯式計算土壤含水量模型好。這個結(jié)論很重要，因為它表明，當(dāng)用戶不僅要將模型用于濕潤狀況，而且還要將其用于其他狀況時，顯式計算土壤含水量的模型就顯得具有較大的價值?？傊?，在久旱或久旱之后，顯式計算土壤含水量的模型一般能較好地模擬河川徑流。

（3）像Tank模型那樣不直接計算土壤含水量的模型，對于流域大小和自然地理特征、氣候條件等都具有更好地適應(yīng)能力與彈性。

（4）在建立模型時，如果資料條件不好，則隱式計算土壤含水量的模型，特別是系統(tǒng)途徑（第三類），有可能具有更好地處理這種缺陷的能力，因而較之顯式計算土壤含水量的模型可能給出更好的預(yù)報結(jié)果。

以上4點，引自河海大學(xué)李光熾教授2001年計算水力學(xué)講義。

以上結(jié)論對指導(dǎo)我們挑選流域水文模型具有現(xiàn)實和指導(dǎo)意義。

WMO的結(jié)論和本地區(qū)產(chǎn)流機理、特性和預(yù)報實踐說明，無論是國人創(chuàng)建的模型還是從國外引進(jìn)的模型，不加改造均難于符合本流域產(chǎn)流機制和特性，預(yù)報效果不會理想。因此，我們首選了雙超產(chǎn)流模型，它集陜北、新安江、薩克、水箱四個模型中之符合本流域產(chǎn)流機理的部分，加上拓展的可能損失概念和Richards方程入滲新解等科研成果而構(gòu)成。超滲指雨強大于入滲強度時即產(chǎn)生地表徑流，超持指土壤水分超過土壤的持水能力即有壤中流和地下徑流產(chǎn)生。雙超流域產(chǎn)流模型的物理基礎(chǔ)是非飽和土壤水分的運動規(guī)律。由于本區(qū)域?qū)贉貨霭霛駶櫄夂騾^(qū)，特別是中西河流域很接近蓄滿產(chǎn)流，需利用現(xiàn)有資料進(jìn)行模擬分析，如果精度高，預(yù)報方案可將分單元分別采用雙超產(chǎn)流模型和新安江模型兩種水文模型。

2.3 河道流量演算模型的選擇

河道匯流模型大致可以歸納為水力學(xué)模型和水文學(xué)模型兩大類。直接求解圣維南方程組或簡化圣維南方程組得出的模型稱為水力學(xué)模型。它從微觀角度出發(fā)建立河道洪水波運動的偏微分方程，然后用積分求解一定初、邊條件下洪水波在全河段內(nèi)的宏觀運動規(guī)律。解決的是由微觀到宏觀的推斷問題。方法的實施需要知道河道眾多的水力要素（如水面比降）、邊界條件（如斷面形狀）和參數(shù)（如糙率）沿程時變過程資料。在計算機技術(shù)沒有介入洪水預(yù)報領(lǐng)域之前，用之進(jìn)行具有時效要求的洪水預(yù)報作業(yè)是不現(xiàn)實的。計算機技術(shù)介入之后，這類方法已廣泛應(yīng)用于設(shè)計條件下的河道洪水演進(jìn)計算。應(yīng)用于天然河道中的洪水預(yù)報作業(yè)，至少在國內(nèi)目前尚處在研究嘗試階段，有待地理信息系統(tǒng)的成功介入。上世紀(jì)90年代初，圣維南方程組擴散波線性解析解——擴散模擬法被介紹到國內(nèi)，90年代末，在黃河下游花園口以下變床河段應(yīng)用成功，我省汾河運城段防洪決策支持系統(tǒng)中也取得滿意效果。它有河長、擴散系數(shù)和洪水波速三個物理參數(shù)，概念明確，理論嚴(yán)謹(jǐn)，應(yīng)用簡便，故柏葉口水庫實時洪水預(yù)報系統(tǒng)把它列為首選模型。

2.4 流域匯流模型的選擇

流域匯流是指流域產(chǎn)生的凈雨、壤中流和地下徑流如何匯集為出口斷面的流量過程。按匯流路徑先后分為坡地匯流和河網(wǎng)匯流兩個階段。某一時段內(nèi)降雨產(chǎn)生的坡面凈雨、壤中流和地下徑流，通過不同介質(zhì)界面，或通過坡面調(diào)蓄，分時段匯入河網(wǎng)形成河網(wǎng)總?cè)肓?，視為坡地匯流階段。某一時刻的河網(wǎng)總?cè)肓鳎俳?jīng)過河網(wǎng)調(diào)蓄，又分成若干時段匯集到出口斷面形成出流過程，則為河網(wǎng)匯流階段。

柏葉口水庫實時洪水預(yù)報系統(tǒng)使用瞬時單位線方法有一個得天獨厚的條件，就是流域內(nèi)有一個按國家站網(wǎng)規(guī)劃要求布設(shè)的岔口水文站和雨量站網(wǎng)，長達(dá)四十多年的雨、洪配套觀測資料，可以為分析單元瞬時單位線提供了充分條件。

3 預(yù)報方案和參數(shù)率定

3.1 預(yù)報方案

預(yù)報方案是預(yù)報模型和方法同預(yù)報斷面有關(guān)的河段和流域特征以及洪水構(gòu)成的具體結(jié)合。按采用的預(yù)報模型種類不同可分為四類：經(jīng)驗相關(guān)圖預(yù)報方案、水文模型預(yù)報方案、水力學(xué)模型預(yù)報方案和徑流預(yù)測方案。柏葉口水庫實時洪水預(yù)報的任務(wù)是由流域?qū)崟r降雨產(chǎn)流，預(yù)報可能進(jìn)入柏葉口水庫的洪水過程。根據(jù)流域下墊面屬性存在的差異，降雨產(chǎn)流的三個隨機性，流域形狀和雨量站點分布狀況，以及現(xiàn)有預(yù)報模型的使用效果與經(jīng)驗，采用水文模型單元產(chǎn)流、匯流法預(yù)報方案比較現(xiàn)實合理。即先將流域分成若干個產(chǎn)、匯流計算單元分別計算產(chǎn)流和匯流，得出單元面積的出流過程；然后將單元面積的出流過程按河系串聯(lián)，從上游依次向下游演算，最后求得進(jìn)入柏葉口水庫的洪水過程。這樣，降雨、產(chǎn)流空間的不均勻性，通過分單元予以弱化；河網(wǎng)內(nèi)各處調(diào)節(jié)能力的差異則可通過分河段匯流演算的方法予以分段均化。這種分單元、分河段演算的方法，物理概念清楚，有利于提高成果精度。

綜合考慮流域特性相近、水系完整、暴雨特性差異不大、便于充分運用流域水文雨量站網(wǎng)資料、每個單元都有代表性雨量站等因素，將柏葉口水庫以上流域劃分為2個單元，葫蘆河單元面積379.8 km2，中西河單元面積495.2 km2。

3.2 模型參數(shù)的率定

率定模型參數(shù)是根據(jù)水文站降雨洪水對應(yīng)觀測記錄和上游雨量站相應(yīng)的暴雨資料，分單元進(jìn)行率定。模型參數(shù)的初值是實測水文資料，分別以次暴雨資料和次洪水資料對全流域進(jìn)行模擬，比較實測值與計算值，分別率定出流域產(chǎn)流模型、流域匯流模型和河道演算模型的參數(shù)。由于流域面積較小產(chǎn)匯流時間短，流域內(nèi)洪水陡漲陡落，且洪水歷時短，因此，率定參數(shù)時須把暴雨資料摘錄為1 h的時段雨量，對應(yīng)的洪水也要計算處理成等時段的洪水過程，這樣得出的參數(shù)大大地提高了模型洪水預(yù)報的精度。

4 結(jié)語

綜上所述，準(zhǔn)確的資料、準(zhǔn)確的測量、最優(yōu)模型的選擇、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠嬎闶潜ＷC柏葉口水庫洪水預(yù)報方案成功的關(guān)鍵所在。完善的洪水預(yù)報方案一定能使柏葉口水庫在工程建設(shè)期間安全度汛，并對水庫建成后發(fā)揮其設(shè)計的最大效益提供保障，助推我省的興水戰(zhàn)略。