基于防洪特征水位與雨量閾值的水庫(kù)水文站防洪預(yù)警監(jiān)控方法

楊 飛，沈桂環(huán) 馬 政

(安康水文水資源勘測(cè)中心，陜西 安康 725000)

1 水文站防洪特征水位與雨量閾值預(yù)警監(jiān)控方法設(shè)計(jì)

1.1 水文站防洪特征水位-雨量的關(guān)系

水庫(kù)范圍內(nèi)的大部分地區(qū)，年降雨量十分不均勻，夏季暴雨洪水頻發(fā)，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了較大的威脅。根據(jù)降水與流量的關(guān)系，反演出水位-雨量的關(guān)系，從而得到雨量閾值[1]。水庫(kù)水位與雨量之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，只要水庫(kù)降雨量不大，就可以用一條單一的曲線來(lái)表示。水位-雨量的關(guān)系如圖1所示。

圖1 防洪特征水位-雨量的關(guān)系曲線

由圖1可見(jiàn)，黑色方塊表示的是水文站的起漲水位，平滑曲線的位置就是水位-雨量穩(wěn)定上升的區(qū)域[2]。由圖1可知，雨量越大，水位越高。

將降水?dāng)?shù)據(jù)輸入到相關(guān)水文模型中，可以對(duì)水庫(kù)的雨量展開(kāi)分析，可知在洪峰時(shí)段內(nèi)，平均分布在水庫(kù)防洪特征水位上的雨量深度，就是水庫(kù)雨量閾值，雨量閾值如式(1)、式(2)所示：

(1)

(2)

式中：P為雨量深度閾值，mm；W為徑流總量，m3；s為水庫(kù)集水面積，km2；Q為雨量徑流閾值，m3/s；Δt為洪峰時(shí)段，h。

雨量閾值與水庫(kù)前期防洪特征水位有關(guān)，前期防洪特征水位較高時(shí)，雨量閾值相對(duì)較低；前期防洪特征水位較低時(shí)，雨量閾值相對(duì)較高。

1.2 防洪特征水位與雨量閾值確定預(yù)警監(jiān)控指標(biāo)

在確定了防洪特征水位與雨量的關(guān)系之后，本文從不同的河流斷面計(jì)算洪水流量，推算出防洪預(yù)警水位，有效地度量水文站水文變化特征。在水文站中對(duì)水文數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列離散處理，計(jì)算出不同河流斷面變化過(guò)程的信息量系數(shù)，從而對(duì)水文站防洪預(yù)警水位進(jìn)行定量分析[3]。河流斷面變化的細(xì)節(jié)信號(hào)如式(3)所示：

(3)

(4)

式中：ICF為水文信息的信息量系數(shù)；Pj為水庫(kù)水文數(shù)據(jù)能量分布。

根據(jù)ICF得出，各類水文數(shù)據(jù)的Pj值越均勻，水文防洪監(jiān)控信息越無(wú)規(guī)則，ICF也隨之增加；各類水文數(shù)據(jù)的Pj值越不均勻，Pj集中于某一頻帶時(shí)，ICF存在較強(qiáng)的周期成分，更有利于判斷水文站水文防洪預(yù)警監(jiān)控信息的真實(shí)有效性[4]。本文在水文站中找出雨量的信息數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行信息量系數(shù)分析，在R、Q已知的條件下，對(duì)水庫(kù)防洪特征水位進(jìn)行監(jiān)控，如圖2所示。

圖2 水庫(kù)防洪特征水位示意圖

由圖2可知，根據(jù)水文站的雨量數(shù)據(jù)，分析出水庫(kù)對(duì)應(yīng)的防洪特征水位，并對(duì)死水位、校核洪水位、防洪高水位、防洪限制水位、設(shè)計(jì)洪水位進(jìn)行監(jiān)控，確保水庫(kù)防洪庫(kù)容的正常調(diào)度。將雨量閾值與防洪特征水位相結(jié)合，設(shè)定出水庫(kù)汛期允許的上限水位與下限水位，并將上限水位作為預(yù)警水位，超出該水位開(kāi)始預(yù)警[5]。水庫(kù)預(yù)警水位如式(5)所示：

(5)

式中：Zm(t)為水庫(kù)預(yù)警水位，m；R為蒸發(fā)量，m；Zd為設(shè)計(jì)洪水位，m。

本文將Zd作為防洪風(fēng)險(xiǎn)的明確標(biāo)志，當(dāng)水位超過(guò)Zd，并接近Zm(t)，即判定為洪水風(fēng)險(xiǎn)水位。由此確定水文站防洪預(yù)警監(jiān)控指標(biāo)，如表1所示。

表1 水文站防洪預(yù)警指標(biāo)

本文將預(yù)警等級(jí)分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共四種，洪水危險(xiǎn)程度為Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ，并將其按照紅、橙、黃、藍(lán)進(jìn)行顏色預(yù)警。設(shè)定水庫(kù)某一時(shí)段的水位為v，當(dāng)v>Zd，v≈Zm(t)時(shí)，判定為Ⅳ級(jí)預(yù)警等級(jí)，在監(jiān)控界面顯示為藍(lán)色；當(dāng)v>Zd>Zm(t)時(shí)，判定為Ⅰ級(jí)預(yù)警等級(jí)，并在監(jiān)控界面顯示為紅色。通過(guò)此種預(yù)警監(jiān)控方式，能夠在洪水水位高于閾值的瞬間予以預(yù)警，最大程度上確保水庫(kù)的防洪效果。

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的預(yù)警監(jiān)控方法是否滿足水文站防洪預(yù)警需求，以石泉水文站為例，對(duì)上述方法進(jìn)行了實(shí)例分析。石泉水文站位于漢江上游的陜西省石泉縣喜河鎮(zhèn)下游10 km處，位于石泉水庫(kù)是一座以發(fā)電為主，兼有防洪、航運(yùn)、養(yǎng)殖、旅游等綜合效益的水利樞紐。石泉水庫(kù)大壩為混凝土空腹重力壩及實(shí)體重力壩，最大壩高65 m，壩頂高程416.00 m，壩頂全長(zhǎng)353 m，壩頂寬16 m。設(shè)計(jì)洪水位410.29 m，歷史最高洪水位416.00 m。城區(qū)供水設(shè)施日供水能力13 550 m3，主要為居民生活用水，無(wú)工業(yè)和農(nóng)業(yè)灌溉用水。石泉水庫(kù)流域位置見(jiàn)圖3所示。

圖3 石泉水庫(kù)流域

石泉水庫(kù)壩址位于陜西省安康市石泉縣城關(guān)鎮(zhèn)，水庫(kù)集水面積23 400 km2。水庫(kù)相應(yīng)的洪峰流量為28 400 m3/s，洪水總量約為19.30億m3，調(diào)峰最高洪水位410.00 m。石泉水文站是石泉水庫(kù)出庫(kù)站，入庫(kù)水文站為洋縣、兩河口水文站。水庫(kù)建壩時(shí)在最低水位以下，高程為392.2 m處預(yù)埋有中Φ500 mm內(nèi)徑管道伸出壩外，專供縣城飲水用。在汛期，石泉水文站的洪水調(diào)度泄流情況見(jiàn)圖4所示。

圖4 汛期調(diào)度規(guī)則泄流示意圖

石泉水庫(kù)總庫(kù)容4.15億m3，有效庫(kù)容2.38億m3，正常蓄水位410.00 m，水庫(kù)校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇。在汛期的0～15 d，入庫(kù)流量在2000～2500 m3/s的范圍內(nèi)變化；在汛期的15～25 d，入庫(kù)流量在3000～5500 m3/s的范圍內(nèi)變化；在汛期的25～50 d，入庫(kù)流量在1500～2500 m3/s的范圍內(nèi)變化。也就是說(shuō)，汛期時(shí)，洪峰流量在15～25 d之內(nèi)出現(xiàn)，根據(jù)洪峰流量變化情況，實(shí)時(shí)監(jiān)控防洪預(yù)警汛限水位。

2.2 應(yīng)用結(jié)果

在上述條件下，本文隨機(jī)選取出多種歷史洪峰流量，對(duì)歷史雨量進(jìn)行分析。不同的洪峰流量對(duì)應(yīng)著不同的預(yù)警水位，監(jiān)控到的水位與實(shí)際水位越相近，防洪監(jiān)控效果越佳。預(yù)警水位與實(shí)際水位的預(yù)警等級(jí)與實(shí)際預(yù)警等級(jí)保持一致，即可確保防洪預(yù)警效果。在已知條件下，使用本文設(shè)計(jì)的基于防洪特征水位與雨量閾值的水文站防洪預(yù)警監(jiān)控方法進(jìn)行分析，應(yīng)用結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 應(yīng)用結(jié)果

由表2可知，根據(jù)預(yù)警水位與實(shí)際水位變化情況，將預(yù)警等級(jí)劃分為Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ共4類，洪水危險(xiǎn)程度從低到高。洪峰流量為28 400 m3/s、30 420 m3/s、13 550 m3/s、27 680 m3/s時(shí)，實(shí)際水位接近預(yù)警水位但不超過(guò)預(yù)警水位，預(yù)警等級(jí)為Ⅳ。洪峰流量為27 600 m3/s、21 500 m3/s時(shí)，實(shí)際水位超過(guò)預(yù)警水位，并超過(guò)歷史最高水位，預(yù)警等級(jí)為Ⅰ。洪峰流量為43 620 m3/s、28 320 m3/s時(shí)，實(shí)際水位超過(guò)預(yù)警水位，但低于歷史最高水位，預(yù)警等級(jí)為Ⅱ。洪峰流量為25 150 m3/s時(shí)，實(shí)際水位低于預(yù)警水位，低于警戒流量，不予預(yù)警。根據(jù)實(shí)際水位與預(yù)警水位情況，判斷的防洪預(yù)警等級(jí)與實(shí)際預(yù)警狀態(tài)保持了高度的一致。同時(shí)，監(jiān)控水位與實(shí)際水位為一致?tīng)顟B(tài)。由此得出，應(yīng)用本文方法之后，水文站防洪預(yù)警監(jiān)控效果更佳，能夠使水文站對(duì)水庫(kù)防洪泄洪問(wèn)題作出提前預(yù)判，為水文站的綜合效益提供保障。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文在防洪特征水位與雨量閾值的前提下，設(shè)計(jì)了水文站防洪預(yù)警監(jiān)控方法。從水位-雨量關(guān)系判定、預(yù)警指標(biāo)、水位監(jiān)控等方面，對(duì)水文站作出了有效地預(yù)警監(jiān)控，為水文站的防洪提供了有利的條件。