基于降雨指數(shù)法的水庫(kù)實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)方案研究

張 盛 明

(四川省紫坪鋪開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610091)

1 研究意義與背景

水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)調(diào)度工作一直都是防汛工作的重要業(yè)務(wù)之一，是防洪調(diào)度決策的主要依據(jù)。為增加紫坪鋪水庫(kù)控制流域內(nèi)洪水預(yù)報(bào)方案的可選擇性，根據(jù)防洪調(diào)度決策過(guò)程中不同階段所關(guān)注的重點(diǎn)不同，著重研究實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)階段，并通過(guò)將新安江模型計(jì)算加以簡(jiǎn)化以提高紫坪鋪水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)方案的實(shí)用性。實(shí)際應(yīng)用中顯示該預(yù)報(bào)方案簡(jiǎn)單實(shí)用，方便快捷，效果較好。

岷江上游的徑流主要由降水形成。降水分布自上而下由松潘、黑水向茂縣、汶川遞減，然后由汶川向壽溪、龍溪、白沙河、都江堰一帶猛增。區(qū)域內(nèi)黑水河上游的三打古、知木林；白沙河的虹口、龍溪的關(guān)門石及漁子溪、壽溪、紫坪鋪均是岷江上游降水量的高值區(qū)[1]。北部和西北部寒冷高原區(qū)，最大一日降水量為40～60 mm[2]。其中黑水河上游三打古一帶為多雨區(qū)。中部的沙壩、茂縣和汶川一帶為岷江上游降水量最少的地區(qū)，最大一日降水量為50～70 mm。東南部映秀至都江堰一帶，降水量大，最大一日降水量在200 mm以上。

受“5·12”大地震以及由地震引起的次生災(zāi)害影響，流域內(nèi)產(chǎn)、匯流條件發(fā)生巨大改變，原有洪水預(yù)報(bào)模型不能滿足要求的精度。自2009年汛期以來(lái)，調(diào)度中心集中力量組織科技攻關(guān)，提出了基于前期降雨指數(shù)法，并結(jié)合人工經(jīng)驗(yàn)修正的實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)方案。

在具體應(yīng)用中，依據(jù)各降雨站點(diǎn)前期降雨指數(shù)，可確定其所代表區(qū)域的土壤干濕度。前期降雨指數(shù)低，則降雨過(guò)程中用于補(bǔ)充土壤水和田間持水的損失較大，產(chǎn)流效率較低，產(chǎn)流時(shí)間偏后；前期降雨指數(shù)越高，則土壤含水量越接近飽和，產(chǎn)流損失較小，洪峰形成時(shí)間越早。依據(jù)現(xiàn)有水情自動(dòng)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)運(yùn)行以來(lái)的降雨徑流資料，按月份時(shí)段，降雨中心位置，降雨強(qiáng)度等因素，可初步建立前期降雨指數(shù)與降雨徑流系數(shù)之間的關(guān)系。

流域發(fā)生降雨過(guò)程后，可依據(jù)其前期降雨指數(shù)、降雨發(fā)生時(shí)段、暴雨中心以及降雨強(qiáng)度等因素確定徑流系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出該次降雨所能夠產(chǎn)生的徑流總量。然后依據(jù)各子流域不同產(chǎn)匯流特性，通過(guò)單位線法確定洪峰量級(jí)和峰現(xiàn)時(shí)間。得出各控制斷面洪水過(guò)程后，再依據(jù)相關(guān)水文站相應(yīng)水位法，對(duì)各子流域洪水過(guò)程疊加組合，進(jìn)而確定壩址洪水的波形以及峰現(xiàn)時(shí)刻[3]。

紫坪鋪水庫(kù)調(diào)度中心一直著力于此項(xiàng)研究工作，將研究成果應(yīng)用于日常預(yù)報(bào)工作中，并及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，更新成果，科學(xué)有效地指導(dǎo)和輔助中心的調(diào)度運(yùn)行工作。經(jīng)過(guò)對(duì)近年運(yùn)行資料的整理，可以初步確定：汛期7月如果遭遇夏旱雨量偏少時(shí)，徑流系數(shù)可為0.3左右；如果8月再遭遇伏旱天氣，徑流系數(shù)在0.2左右；后汛期徑流系數(shù)在0.3左右。沙壩至威州洪水傳播時(shí)間大約為3～4 h，威州站到庫(kù)區(qū)洪水傳播時(shí)間大約為4～5 h左右，耿達(dá)、黑土坡到壩址的洪水傳播時(shí)間視雨強(qiáng)大小約在1～3 h左右。

2 研究?jī)?nèi)容和方法

紫坪鋪工程特大灌區(qū)都江堰灌區(qū)的調(diào)節(jié)水源工程，也是成都平原的防洪屏障，主要擔(dān)負(fù)著成都、德陽(yáng)、綿陽(yáng)等7市38縣區(qū)綜合供水和防洪任務(wù)，直接受益人口2 600多萬(wàn)人，因此，工程的防汛度汛工作是重中之重。基于工程的重要性、特殊性及其具體特點(diǎn)，建設(shè)了紫坪鋪工程水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，并根據(jù)近年來(lái)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，編制了一套實(shí)用可靠的洪水預(yù)報(bào)方案。根據(jù)對(duì)紫坪鋪以上流域暴雨洪水特性的分析，并結(jié)合工程防汛搶險(xiǎn)的要求，確定紫坪鋪水情自動(dòng)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的站網(wǎng)及覆蓋區(qū)域，洪水預(yù)報(bào)方案基本滿足預(yù)見(jiàn)期的需要[4]。

威州—紫坪鋪河段長(zhǎng)78 km，控制集水面積3 743 km2，在河段支流漁子溪、壽溪流域還設(shè)有部分雨量站點(diǎn)；該河段水文站點(diǎn)的分布基本控制了干、支流河段的水文情勢(shì)變化。根據(jù)各水文站點(diǎn)所處地理位置，結(jié)合其歷史觀測(cè)資料的可靠性、連續(xù)性、同步性以及洪水組成的代表性等因素綜合分析后，選取干流的威州站、紫坪鋪站，支流漁子溪的耿達(dá)、壽溪河的黑土坡站的洪水要素摘錄資料，用于預(yù)報(bào)方案編制[5]。

3 水庫(kù)實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)方案

所謂實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)即降水開(kāi)始后，根據(jù)已知的降雨過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)滾動(dòng)預(yù)報(bào)，對(duì)洪水過(guò)程進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，為調(diào)洪演算和實(shí)時(shí)洪水調(diào)度決策提供依據(jù)[6](圖1)。

圖1 實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)方案的基本方法示意圖

具體步驟是：

(1)入庫(kù)洪水過(guò)程線。根據(jù)單位線假定：當(dāng)凈雨歷時(shí)與泄流歷時(shí)相等時(shí), 洪水歷時(shí)等于流域匯流歷時(shí)的兩倍, 即T=2 t。又根據(jù)較小流域匯流歷時(shí)計(jì)算公式：t=0.278 L/V

其中：t為流域匯流歷時(shí)，h；L為河道總長(zhǎng)，km；V為平均流速，m/s。

根據(jù)實(shí)測(cè)資料分析,V值的取值范圍為0.8～1.4 m/s, 可由河道比降確定。

依據(jù)單位線的假定和上式得：

T=0.556 L/V

另?yè)?jù)單位線定義：

R=10 mmW=RF

其中：F為流域面積(km2)；W為來(lái)水總量(m3)。

則單位線洪峰流量為：

qm(m3/s)=5.56W/3600T=RFV/L

令單位線洪峰滯時(shí)等于漲洪歷時(shí)，即Tt=Tz=1/3T。這樣單位線的三要素qm、T、Tt都已確定。

由此得出簡(jiǎn)化的單位線，根據(jù)每小時(shí)實(shí)測(cè)雨量，求出其相應(yīng)單位線，再將其疊加。

(2)實(shí)時(shí)修正。通過(guò)對(duì)流域地形地貌和水文特性較為熟悉的洪水預(yù)報(bào)專業(yè)工程師采用簡(jiǎn)易的AR模型進(jìn)行實(shí)時(shí)滾動(dòng)修正。

(3)所需資料。入庫(kù)計(jì)算：流域河長(zhǎng)、流域面積、時(shí)段雨量、流量；

4 預(yù)報(bào)方案應(yīng)用實(shí)例

4.1 選取資料

根據(jù)水庫(kù)投運(yùn)多年的五十余場(chǎng)降水產(chǎn)流過(guò)程的實(shí)例計(jì)算確定出預(yù)報(bào)方案中所需的基本參數(shù)，并根據(jù)具體情況加以修正。

選取20130710、20140710、20170615號(hào)洪水過(guò)程作為預(yù)報(bào)方案的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行成果鑒定。

4.2 WM率定以及其它參數(shù)值確定

根據(jù)水庫(kù)多年調(diào)度運(yùn)行中的典型降雨產(chǎn)流過(guò)程推算出紫坪鋪水庫(kù)控制流域各分流域的WM值實(shí)際在0.2～0.8之間(理論值為0.35)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可以取中間值0.35。

K值為土壤含水量日消退折算系數(shù)，根據(jù)洪水預(yù)報(bào)大量研究表明，紫坪鋪水庫(kù)控制流域近壩區(qū)取0.5比較切合實(shí)際，高原來(lái)水區(qū)取0.25比較合適。

4.3 預(yù)報(bào)方案應(yīng)用成果

利用上述實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)方案，對(duì)紫坪鋪水庫(kù)在2013年、2014年和2017年的三場(chǎng)洪水過(guò)程進(jìn)行了預(yù)測(cè)，實(shí)際應(yīng)用統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 三次典型洪水過(guò)程預(yù)報(bào)要素統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)比表

應(yīng)用成果說(shuō)明：根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表明, 使用本洪水預(yù)報(bào)方案對(duì)洪水總量預(yù)報(bào)的預(yù)報(bào)誤差都在±6%之內(nèi), 峰值的預(yù)報(bào)誤差在±10%之內(nèi)，實(shí)際應(yīng)用效果比較好。

根據(jù)實(shí)時(shí)降雨情況，以及產(chǎn)匯流、退水規(guī)律，可延展做出洪水的48 h過(guò)程預(yù)報(bào)，分別見(jiàn)圖2、圖3和圖4；洪水過(guò)后對(duì)此預(yù)報(bào)過(guò)程進(jìn)行對(duì)比不難看出預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性較高。

圖2 20130710號(hào)洪水預(yù)報(bào)過(guò)程對(duì)比示意圖

圖3 20140710號(hào)洪水預(yù)報(bào)過(guò)程對(duì)比示意圖

圖4 20170615號(hào)洪水預(yù)報(bào)過(guò)程對(duì)比示意圖

5 結(jié)論及建議

(1)受近年來(lái)天氣、上游具有調(diào)節(jié)性電站及以“5·12”地震后續(xù)影響，汛期來(lái)水形勢(shì)多變，給水情預(yù)報(bào)工作帶來(lái)較大難度，可能會(huì)有一定偏差，以上數(shù)據(jù)僅作為下一步水庫(kù)調(diào)度工作的參考。在實(shí)際的洪水預(yù)報(bào)調(diào)度過(guò)程中，特別是在極端天氣出現(xiàn)后的抗洪搶險(xiǎn)過(guò)程中，根據(jù)防洪調(diào)度決策過(guò)程中各個(gè)階段所關(guān)注的重點(diǎn)不同，將水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)分成實(shí)時(shí)洪水預(yù)測(cè)和滾動(dòng)洪水預(yù)報(bào)兩個(gè)階段[7]，是非常有必要的，即可以快速給出計(jì)算結(jié)果，又可以簡(jiǎn)化洪水預(yù)報(bào)方案，提高洪水預(yù)報(bào)方案的通用性和實(shí)用性。在近三年中，實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)方案的運(yùn)用精度較高，能滿足防洪調(diào)度的決策要求。

(2)當(dāng)來(lái)水主要由高原來(lái)水區(qū)補(bǔ)給構(gòu)成時(shí)，由于流程長(zhǎng)，產(chǎn)、匯流過(guò)程受到很多因素影響，且震區(qū)流域情況尚未穩(wěn)定，局地短時(shí)強(qiáng)降雨的天氣時(shí)有發(fā)生，加之受上游電站發(fā)電、攔洪和滯洪等影響，過(guò)程中的人工經(jīng)驗(yàn)修正顯得尤為重要，必須對(duì)預(yù)報(bào)過(guò)程輔以其它方法進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，不斷提高預(yù)報(bào)精度。

(3)紫坪鋪工程上游有一定調(diào)節(jié)能力水庫(kù)水電站投運(yùn)后，通過(guò)對(duì)洪水調(diào)蓄，間接增加了紫坪鋪水庫(kù)的防洪庫(kù)容[8]。應(yīng)加強(qiáng)與省調(diào)及上游各水庫(kù)電站的溝通聯(lián)系，及時(shí)了解上游水庫(kù)電站調(diào)度運(yùn)行情況，通過(guò)水庫(kù)群的聯(lián)合調(diào)度，合理利用水資源，增加發(fā)電量，盡量避免與上游電站發(fā)生蓄發(fā)重疊的沖突。