察爾森水庫洪水預報模型的研究與應用

馮 艷，薛 梅，周 炫，陳理想

（松遼委水文局（信息中心），吉林 長春 130021）

1 流域概況

察爾森水庫位于洮兒河中游、內(nèi)蒙古自治區(qū)科右前旗察爾森鎮(zhèn)北1.7 km處，水庫控制流域面積為7780 km2，河道長度為220 km，河道平均比降為0.44%。水庫上游五岔溝以上，尚有天然森林，植被較好；五岔溝以下較差，每當暴雨后，地表徑流易于集中，形成陡漲陡落的洪峰。

流域暴雨歷時多在3～4 h，較強的暴雨歷時大都在6～12 h，主要降雨量集中在24 h內(nèi)。洪水多出現(xiàn)在7至8月份，洪水漲洪歷時2～8 d，一次洪水總歷時15～30 d，當遇連續(xù)降雨時，便形成連續(xù)洪水，退水很慢。

2 察爾森水庫入庫預報模型

構(gòu)建察爾森水庫入庫預報模型：首先，結(jié)合水文氣象、流域地形數(shù)據(jù)和產(chǎn)匯流特性，建立基于子流域的流域降雨徑流NAM模型；其次，將水文模型的計算結(jié)果作為邊界入流條件，并結(jié)合河道灘區(qū)地形資料、水工建筑物設計參數(shù)及調(diào)度運行情況等，從而構(gòu)建河道水動力HD模型。

2.1 模型介紹

2.1.1 NAM模型

NAM水文模型是一個集總式的確定性概念模型，用于模擬流域內(nèi)的降雨產(chǎn)匯流過程。它將土壤含水量分成積雪儲水層、地表儲水層、淺層或根區(qū)儲水層和地下水儲水層4個部分，分別進行連續(xù)計算，以模擬流域內(nèi)的產(chǎn)匯流過程。

NAM模型的主要參數(shù)包括：地表儲水層最大含水量Umax，根區(qū)儲水層最大含水量Lmax，坡面流匯流系數(shù)CQOF，壤中流匯流時間CKIF，坡面流匯流時間CK1，2，坡面流產(chǎn)流臨界值TOF，壤中流產(chǎn)流臨界值TIF，根區(qū)地下水補給臨界值TG和基流匯流時間CKBF。

2.1.2 水動力模型

MIKE 11水動力計算模型(HD模型)是基于一維非恒定流Saint-Venant方程組來模擬河流或河口的水流狀態(tài)，參見式（1），（2）。

式中：x，t分別為計算點空間和時間的坐標；A為過水斷面面積；Q為過流流量；h為水位；q為旁側(cè)入流流量；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑；α為動量校正系數(shù)；g為重力加速度。

2.2 子流域劃分

察爾森水庫入庫預報模型研究區(qū)域共被劃分成2個子流域，即索倫以上子流域、索倫至察爾森區(qū)間子流域。

2.3 數(shù)據(jù)資料

根據(jù)1985—2008年資料統(tǒng)計，察爾森水庫以上流域共有2個蒸發(fā)站，12個雨量站。索倫、察爾森蒸發(fā)站蒸發(fā)器類型為Φ20，蒸發(fā)數(shù)據(jù)按折算系數(shù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為水面蒸發(fā)。

2.4 模型率定及精度分析

察爾森水庫建庫以前，選用察爾森河道水文站作為該區(qū)域最終出口控制站，建庫以后，選用察爾森入庫流量作為率定驗證的目標。

表2 察爾森水庫模型率定入庫流量成果表

從表2中可以看出，察爾森水庫徑流深相對誤差平均值為-4.84%，合格率100%，甲級。確定性系數(shù)平均值為0.79，合格率為87.5%，確定性系數(shù)乙級，合格率甲級。峰值誤差平均值為-2%，合格率為100%，甲級。峰值相位差平均值-5.38 h，合格率100%，甲級。

通過對察爾森水庫流域的降雨產(chǎn)流過程進行模擬分析，在該流域建立的NAM水文模型，可以對降雨徑流過程進行較好地模擬。NAM模型率定和驗證的結(jié)果較為合理，總體上水量平衡，洪峰過程滿足精度要求。

3 模型應用

2013年，察爾森水庫以上流域自6月1日開始出現(xiàn)頻繁降雨，在6月6日至30日，察爾森水庫以上流域僅有1 d無降雨，其中6月25日至30日，水庫以上流域出現(xiàn)了第一場較強降雨過程，流域累計過程降雨量達到了65.8 mm。6月份，水庫以上降雨量達到了134 mm，比歷年同期偏多6成。從7月15日開始，水庫流域以上出現(xiàn)多場降雨過程，7月25日，水庫達到汛限水位。

根據(jù)前期降雨情況以及未來降雨預報，首先考慮流域降雨的空間分布和河道匯流時間的差異性，將察爾森水庫劃分為索倫以上、察索區(qū)間2個子流域，分別進行區(qū)域產(chǎn)匯流計算。預報水庫最大入庫流量607 m3/s，實測最大入庫流量569 m3/s，相對誤差6.68%；預報最大8 d洪量3.04億m3，實測最大8 d洪量3.23億m3，相對誤差僅為5.88%，預報結(jié)果，見圖1。

圖1 察爾森水庫洪水預報過程

4 結(jié)語

1）將察爾森水庫以上流域劃分成索倫以上、索倫至察爾森區(qū)間2個子流域，構(gòu)建基于子流域的流域降雨徑流模型及河道水動力模型的洪水預報方案，充分考慮流域的空間分布不均勻性。

2）通過對降雨產(chǎn)匯流過程進行模擬分析，該流域建立的預報模型水量總體平衡，洪峰及過程均滿足精度要求，可以對察爾森水庫流域暴雨洪水過程進行較好的模擬。

3）2013年，預報察爾森水庫最大入庫流量誤差6.68%，最大8 d洪量誤差僅為5.88%，驗證了模型的適用性，為察爾森水庫精細化調(diào)度提供了重要的技術(shù)支撐。

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