葫蘆島地區(qū)水庫洪水模擬預(yù)報(bào)研究

金鑫

（遼寧省葫蘆島水文局，遼寧 葫蘆島125000）

洪水預(yù)報(bào)指的是對將發(fā)生的未來洪水在實(shí)際時間進(jìn)行預(yù)報(bào)。洪水預(yù)報(bào)的基本任務(wù)是對未來將發(fā)生的洪水做出洪水總量、洪峰及發(fā)生時間、洪水發(fā)生過程情況的預(yù)測［1］。實(shí)時洪水預(yù)報(bào)提供的洪水信息能為防汛搶險提前做好準(zhǔn)備，有計(jì)劃的采用防汛措施，把洪水危害程度減到最低。由于葫蘆島地區(qū)部分水庫（中小型）資料信息不全，防洪承載能力不明確，故對葫蘆島地區(qū)各水庫設(shè)定固定降雨量值和流域蓄水量等級，開展各節(jié)點(diǎn)洪水模擬預(yù)報(bào)工作，以此填補(bǔ)葫蘆島地區(qū)中小型水庫洪水預(yù)報(bào)的空白。

1 模擬預(yù)報(bào)方法

1.1 經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法

水文預(yù)報(bào)方法一般運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)方法、水文模型方法和統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)三類方法［2］。應(yīng)用最早、研究最多的水文預(yù)報(bào)方法是經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法,該方法是把水文現(xiàn)象的原因看作自變量，同時把水文現(xiàn)象影響的結(jié)果看作因變量，可直接用圖解法求出它們的相關(guān)關(guān)系；也可以采用統(tǒng)計(jì)相關(guān)或其他相關(guān)方法對實(shí)測數(shù)值擬合，求出它們之間的定量關(guān)系。綜合考慮葫蘆島地區(qū)各類型水庫特點(diǎn)及區(qū)域降雨特點(diǎn)，該研究采用經(jīng)驗(yàn)相關(guān)方法、混合產(chǎn)流模型進(jìn)行水庫模擬預(yù)報(bào)，并對混合產(chǎn)流模式與蓄滿產(chǎn)流模式下的預(yù)報(bào)精度進(jìn)行了對比。

降雨徑流相關(guān)圖以流域降雨產(chǎn)流的物理機(jī)理為基礎(chǔ)，以主要影響因素作參變量，建立降雨量與產(chǎn)流量之間定量的相關(guān)關(guān)系。常用的參變量有前期雨量指數(shù)Pa、季節(jié)和降雨歷時T（或降雨強(qiáng)度）等，也有采用反映雨型、暴雨中心位置等因素為作參變量的。同時建立降雨徑流相關(guān)圖需要有足夠數(shù)量和充分代表性的觀測資料,其代表性包括洪水量級代表性、洪水發(fā)生季節(jié)代表性、雨型代表性、前期條件代表性等。

1.2 混合產(chǎn)流模型

混合產(chǎn)流是指一個流域蓄滿產(chǎn)流和超滲產(chǎn)流兩種模式并存的產(chǎn)流模型，該模型更適合半干旱半濕潤地區(qū)產(chǎn)流實(shí)際［3］。垂向混合法是混合產(chǎn)流計(jì)算的一種方法，該方法把超滲產(chǎn)流和蓄滿產(chǎn)流垂向組合，當(dāng)凈雨到達(dá)地面超過地表下滲能力時產(chǎn)生地面徑流，下滲的水流在土壤缺水量大的部分面積上補(bǔ)充土壤含水量不產(chǎn)流；在土壤缺水量小的流域面積上降雨補(bǔ)充土壤缺水量后產(chǎn)生徑流。

垂向混合產(chǎn)流計(jì)算地面徑流取決于雨強(qiáng)和前期土濕，為超滲產(chǎn)流計(jì)算模式。地面以下的徑流，取決于前期土壤缺水量和下滲水量，若下滲水量補(bǔ)足土壤缺水量，即產(chǎn)流否則不產(chǎn)流，是蓄滿產(chǎn)流的計(jì)算模式［4］。在垂向混合計(jì)算中，流域蓄滿、超滲的面積比例是隨前期土濕和下滲量而隨時改變的，其比例改變式為：

面積比例的部分為蓄滿產(chǎn)流，剩余部分為超滲產(chǎn)流或不產(chǎn)流。垂向混合產(chǎn)流計(jì)算模式由以下方程組（2）、（3）、（4）構(gòu)成：

2 模擬預(yù)報(bào)條件確定

模擬設(shè)定如下條件：

1）流域蓄水量分飽和、半飽和兩種情況。

2）設(shè)置24h降雨量分別為P=50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm六個等級。降雨的時程分布為：24h分8個時段，每段雨量所占比例為：14%、20%、20%、14%、8%、8%、8%、8%。遼西沿海地區(qū)雨量時空分布設(shè)置如下表1所示。

3）在水庫入庫洪水模擬預(yù)報(bào)及調(diào)洪中，中型水庫按照汛限水位、死水位與汛限水位平均值兩種水位進(jìn)行調(diào)洪，小型水庫按照汛限水位、死水位兩種水位進(jìn)行調(diào)洪。

表1 雨量時空分布設(shè)置

3 模擬預(yù)報(bào)成果

水庫洪水模擬預(yù)報(bào)調(diào)度按下面步驟進(jìn)行：首先根據(jù)水庫基本特征值確定起調(diào)水位；其次根據(jù)模擬預(yù)報(bào)設(shè)定的P=50，100，150，200，250，300mm，流域蓄水量飽和（Pa=Im）、半飽和（Pa=Im/2），共12種模式確定各模式下的P+Pa值；通過查水庫降雨徑流相關(guān)圖的方法確定在這12種條件下的徑流深R；然后根據(jù)水庫集水面積由以下式（5）計(jì)算出不同P+Pa條件下入庫洪量：

其中：Q入庫——入庫洪量，m3；R——徑流深，mm；A——水庫集水面積，km2。

1）依據(jù)水量平衡原理，查水庫水位～蓄水量關(guān)系曲線，確定各起調(diào)水位相應(yīng)蓄水量，再與步驟（3）計(jì)算出的入庫洪量相加，得到不考慮水庫放水情況下的水庫蓄水量，并根據(jù)水庫水位～蓄水量關(guān)系曲線計(jì)算出相應(yīng)洪水位。當(dāng)計(jì)算出的水位超過校核水位時，記為超校核。這次模擬計(jì)算不考慮水庫下泄流量，計(jì)算：

其中：Q入庫——入庫洪量，m3；Wt——前一時刻水庫蓄水量，m3；Wt+1——下一時刻水庫蓄水量，m3。

2）根據(jù)水庫入庫洪峰流量徑流深相關(guān)圖，確定在各徑流深R條件下的洪峰流量Q（有單位線的水庫，根據(jù)R值選擇單位線計(jì)算洪峰流量Q）：

其中：Qd——流域出口斷面時段末直接徑流量，m3/s；rd——時段凈雨量，mm；q——單位線時段末流量，m3/s；t——直接徑流流量時序，t=1，2，3，…，m+n-1，（其中m為凈雨時段數(shù)，為時段單位線時段數(shù)）；k1，k2——累積界限，其取值分別取決于t與n和m的相對大小，其分段取值為：

4 實(shí)例模擬及誤差分析

4.1 模擬實(shí)例

選取王寶河上的龍屯水庫作為模擬的實(shí)例。龍屯水庫位于遼寧省綏中縣王寶河中游，是一座以防洪為主及灌溉養(yǎng)魚的綜合性水庫。龍屯水庫的模擬起算基本信息如下：

1）龍屯水庫汛限水位為71.70m，死水位為60.80 m，所以選取的起調(diào)水位為71.70m，（71.70m+60.80m）/2=66.25m。

2）龍屯水庫前期影響雨量飽和值Im=190mm、半飽和值Im/2=95mm，在P=50、100、150、200、250、300mm各模式下的P+Pa值計(jì)算結(jié)果。

3）通過查詢龍屯水庫降雨徑流相關(guān)圖可得徑流深R值，龍屯水庫集水面積為214km2，利用洪量計(jì)算公式W=R×A計(jì)算可得入庫洪量。

4）查龍屯水庫入庫洪峰流量徑流深相關(guān)圖，確定在各徑流深R條件下的洪峰流量Q，龍屯水庫洪峰流量查算成果。各特征值計(jì)算結(jié)果如下表2所示。

表2 不同設(shè)計(jì)P值及流域先期飽水狀態(tài)下各特征值計(jì)算成果

5）根據(jù)水庫水位～蓄水量關(guān)系曲線，確定各起調(diào)水位相應(yīng)蓄水量，再與步驟（3）計(jì)算出的入庫洪量相加，得到不考慮水庫放水的水庫蓄水量，并根據(jù)水庫水位～蓄水量關(guān)系曲線計(jì)算出相應(yīng)水位。龍屯水庫模擬預(yù)報(bào)成果見表3。

4.2 模擬誤差分析——以烏金塘水庫為例

選取女兒河流域上的烏金塘水庫進(jìn)行模擬誤差分析。分別對該流域半飽和、飽和狀態(tài)（其中飽和狀態(tài)下對降雨徑流法和蓄滿產(chǎn)流法兩種方法進(jìn)行對比分析）下的洪量模擬預(yù)報(bào)進(jìn)行誤差分析。分析可知，烏金塘水庫降雨徑流模擬合格率為87.5%，蓄滿產(chǎn)流模擬合格率為50%，洪量模擬預(yù)報(bào)合格率達(dá)到80%，滿足預(yù)報(bào)精度要求。對于流域飽和狀態(tài)下，采用降雨徑流方法預(yù)報(bào)比采用蓄滿產(chǎn)流方法預(yù)報(bào)精度要高，這是由于葫蘆島地區(qū)氣候條件所致，降雨徑流方法更加適合于該地區(qū)預(yù)報(bào)。

5 結(jié)論與探討

對各類型水庫進(jìn)行模擬洪水預(yù)報(bào)，能比較出各類型水庫的洪水承載能力，從而為水庫設(shè)置防洪風(fēng)險等級提供依據(jù)。通過使用相關(guān)經(jīng)驗(yàn)法及混合產(chǎn)流法兩種方法對所選取的龍屯水庫與烏金塘水庫進(jìn)行降雨徑流模擬及洪水模擬，并以烏金塘水庫為例進(jìn)行了模擬精度分析，分別得到了各水庫的在不同設(shè)計(jì)降雨條件下的洪量及起調(diào)水位，結(jié)果顯示模擬滿足預(yù)報(bào)精度要求，該方法適合葫蘆島地區(qū)各類型水庫的洪水預(yù)報(bào)，適合推廣用于確實(shí)葫蘆島地區(qū)各類型水庫特征值。

表3 龍屯水庫模擬預(yù)報(bào)成果

［1］吳東峰.夾河子水庫洪水資源化調(diào)度研究［D］.石河子大學(xué),2008.

［2］張艷平.基于洪水分類的水庫汛限水位動態(tài)控制域研究及其風(fēng)險分析［D］.大連理工大學(xué)，2012.

［3］劉招.水庫的洪水資源化理論和方法研究［D］.西安理工大學(xué)，2008.

［4］李敬庫.遼河石佛寺水庫洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)研究［D］.河海大學(xué)，2007.