大清河石門(mén)水庫(kù)抗暴雨能力分析及河庫(kù)聯(lián)合預(yù)報(bào)調(diào)度研究

馮站青

(蓋州市石門(mén)水庫(kù)管理處，遼寧 蓋州 115220)

隨著氣象科學(xué)技術(shù)發(fā)展，氣象部門(mén)1～3d降水預(yù)報(bào)精度已有較大提高，可為防汛工作提供早期參考。遼寧省防汛工作重點(diǎn)在水庫(kù)，難點(diǎn)在河道，所以必須將水庫(kù)防洪與河道防洪緊密結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)流域聯(lián)合防汛調(diào)度。但目前已建成的洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)大多面向單個(gè)水庫(kù)或水文控制站[1- 6]，所得結(jié)果僅為各水庫(kù)與下游水文控制站的分步結(jié)果，造成了水庫(kù)群之間、水庫(kù)群與堤防之間以及各水庫(kù)與下游控制站洪水預(yù)報(bào)調(diào)度成果相分離，必須由人工進(jìn)行合成才能分析流域的防洪形勢(shì)和決策，工作繁瑣且容易出錯(cuò)，無(wú)法構(gòu)成以流域?yàn)閱卧姆篮轶w系，難以滿足庫(kù)群與河道堤防聯(lián)合調(diào)度模擬的自動(dòng)、實(shí)時(shí)、快速、移動(dòng)、多方案與集成性的更高要求。不同降水和流域蓄水量情況，對(duì)于水庫(kù)抗暴雨能力影響不同，當(dāng)前，對(duì)于不同暴雨等級(jí)下的水庫(kù)抗暴雨能力影響研究較為成熟[7- 9]，但是同時(shí)考慮降水和流域蓄水量組合情況下的水庫(kù)抗暴雨能力分析還較少，為此本文以大清河石門(mén)水庫(kù)為研究實(shí)例，基于不同組合情景對(duì)水庫(kù)的抗暴雨能力及河庫(kù)聯(lián)合調(diào)度預(yù)報(bào)進(jìn)行研究。

1 研究方法

本文設(shè)置的不同組合情景中，流域蓄水量分飽和、半飽和兩種情況，而降雨量設(shè)置為：24h面雨量P分別為50mm、100mm、150mm、200mm、250mm和300mm六個(gè)等級(jí)，降雨時(shí)程分布為：24h分8個(gè)時(shí)段，每段雨量所占比例為：14%、20%、20%、14%、8%、8%、8%、8%。通過(guò)不同組合情景，結(jié)合水庫(kù)抗暴雨能力計(jì)算方法[10]對(duì)水庫(kù)的抗暴雨能力進(jìn)行分析，在進(jìn)行河庫(kù)聯(lián)合預(yù)報(bào)調(diào)度分析時(shí)主要采用遼寧飽和產(chǎn)流計(jì)算模型進(jìn)行推算，飽和產(chǎn)流是包氣帶未達(dá)到飽和時(shí)不產(chǎn)流、達(dá)到飽和后降水全部產(chǎn)流的產(chǎn)流方式。遼寧飽和產(chǎn)流模型的基礎(chǔ)是指數(shù)型流域蓄水容量曲線，主要用于我省東部地區(qū)。流域面上各點(diǎn)的蓄水容量不同，若按照大小排列，并與相應(yīng)面積(%)點(diǎn)繪在一張圖上繪成曲線，即為流域蓄水容量曲線，遼寧飽和產(chǎn)流模型中，蓄水容量曲線采用指數(shù)形式。

(1)

式中，F(xiàn)—流域面積；F0—產(chǎn)流面積；a—流域參數(shù)，反映流域蓄水容量分布特征；P—降水量。遼寧飽和模型產(chǎn)流計(jì)算公式為：

(2)

式中，R—徑流深；P—降雨量；Pa—前期影響雨量；a—流域參數(shù)。在遼寧飽和產(chǎn)流計(jì)算時(shí)，我省采用雙層扣損法，將下墊面分為上下兩層，分別計(jì)算Pa，公式如下:

當(dāng)P+Pa上≥Em時(shí)，有：

E上=Em

(3)

E下=0

(4)

P′=P+Pa上-S上

(5)

Pa上，t=Pa上+P-E上-P′

(6)

R=P′-(S下-Pa下)(1-e-ap′)

(7)

Pa下，t=Pa下+P′-R

(8)

當(dāng)P+Pa上

E上=P+Pa上

(9)

(10)

Pa上,t=0

(11)

Pa下,t=Pa下-E下

(12)

R=0

(13)

式中，R—徑流深；P—降雨量；P′—下層進(jìn)量；S上—上層蓄水容量；S下—下層蓄水容量；a=1/S下—流域參數(shù)，反映流域蓄水容量曲線分布特征；Pa上—上層前期影響雨量；Pa下—下層前期影響雨量；E上—上層蒸發(fā)量；E下—下層蒸發(fā)量；Em—蒸發(fā)能力。

2 實(shí)例分析

2.1 研究區(qū)域概況

本文選取大清河石門(mén)水庫(kù)為研究實(shí)例，大清河上游分東西兩個(gè)支流，東支流發(fā)源于大石橋市建一鎮(zhèn)八盤(pán)嶺山的東大嶺下。西支流發(fā)源于海城市英洛鎮(zhèn)，西支稱(chēng)西大清河。一級(jí)支流有21條，其中大石橋市10條，蓋州市11條，大清河水系圖如圖1所示。石門(mén)水庫(kù)總庫(kù)容1.022×108m3。最大壩高47m，最大壩長(zhǎng)350m，設(shè)計(jì)正常高水位140.2m，溢洪道堰頂高程132.3m，第一溢洪道三孔閘門(mén)最大泄洪量2245m3/s，第一、二溢洪道六孔閘門(mén)最大泄量5286m3/s。水庫(kù)上游集水面積410km2，河道長(zhǎng)39.2km，河道平均比降9‰，有兩大支流來(lái)水注入水庫(kù)，平均年降水量750mm，下游河道安全泄量1500m3/s，石門(mén)水庫(kù)特征曲線見(jiàn)表1及圖2。

水位m庫(kù)容/(106m3)水面面積/km2泄水建筑物泄量/(m3/s)合計(jì)正常溢洪道非常溢洪道泄洪洞輸水洞1050.910.36001104.10.920.420.41159.51.1428.228.212016.44234.234.212528.52.6639.239.213043.313.243.643.6132.351.083.5344.90044.9136.566.974.299050044148.813873.314.4157978075049.414082.484.7625311260122051.414187.324.943082154014905214292.375.1436431800179052.814397.635.3442032000215053.4143.85102.25.5453462180310660

圖2 大清河石門(mén)水庫(kù)特性曲線

2.2 不同組合情景條件下水庫(kù)上游來(lái)水預(yù)測(cè)分析

對(duì)不同組合情景條件下的水庫(kù)來(lái)水進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)分析結(jié)果見(jiàn)表2～4，并繪制不同組合情景下石門(mén)水庫(kù)的預(yù)報(bào)調(diào)度圖，如圖3、4所示。

表2 望寶山至石門(mén)區(qū)間流域半飽和時(shí)段雨量、徑流深計(jì)算表

表3 大清河流域望寶山至石門(mén)區(qū)間洪水模擬預(yù)報(bào)成果表(半飽和Pa=0.5Im)

表4 大清河流域望寶山至石門(mén)區(qū)間洪水模擬預(yù)報(bào)成果表(飽和Pa=1 Im)

圖3 不同組合情景下大清河石門(mén)水庫(kù)預(yù)報(bào)成果

圖4 不同組合情景下大清河石門(mén)水庫(kù)調(diào)度成果

水位/m相應(yīng)庫(kù)容/(108m3)校核水位/m相應(yīng)庫(kù)容/(108m3)空余庫(kù)容/(108m3)折算徑流深/mm允許最大降雨量土壤半飽和土壤飽和110.30(死水位)0.043143.851.0220.979238.8303.8238.8112.000.06021143.851.0220.96179234.6299.6234.6114.000.08105143.851.0220.94095229.5294.5229.5118.000.13115143.851.0220.89085217.3282.3217.3120.000.16643143.851.0220.85557208.7273.7208.7122.000.21037143.851.0220.81163198263198126.000.31214143.851.0220.70986173.1238.1173.1128.000.3703143.851.0220.6517159224159132.000.5004143.851.0220.5216127.2192.2127.2134.000.57258143.851.0220.44942109.6174.6109.6136.50(汛限)0.67143.851.0220.35285.9150.985.9137.000.695143.851.0220.32779.8144.879.8138.000.73309143.851.0220.2889170.5135.570.5139.000.78143.851.0220.2425912459140.000.82479143.851.0220.1972148.1113.148.1141.10(設(shè)計(jì))0.8781143.851.0220.143935.19935.1142.000.92368143.851.0220.098322485.524143.000.975143.851.0220.04711.55911.5143.85(校核)1.022143.851.0220000

表2和表3給出了不同組合條下的石門(mén)水庫(kù)入庫(kù)洪峰過(guò)程，半飽和下，隨著暴雨等級(jí)的加大，入庫(kù)洪峰在43.7～1290m3/s之間變化，變幅為1246m3/s，而在飽和狀態(tài)下，庫(kù)洪峰在270～1620m3/s之間變化，變幅為1350m3/s，相比于半飽和狀態(tài)，飽和狀態(tài)下石門(mén)水庫(kù)入庫(kù)洪峰變幅加大，這點(diǎn)也可從圖3中看出，相同降水條件下，飽和狀態(tài)下的入庫(kù)洪峰和洪量均大于半飽和狀態(tài)。從圖4中可看出，飽和狀態(tài)下相同降水條件下的起調(diào)水位也偏高。

2.3 不同組合情景條件下水庫(kù)抗暴雨能力分析

對(duì)不同組合條件下的石門(mén)水庫(kù)抗暴雨能力進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)表5。

在水庫(kù)抗暴雨能力分析中，按照汛限水位、死水位與汛限水位平均值2種水位進(jìn)行調(diào)洪，從表5可看出，大清河水庫(kù)的空余庫(kù)容在0～0.979×108m3之間，空余庫(kù)容越大，水庫(kù)納雨能力也最大，石門(mén)水庫(kù)在半飽和情景下，抗暴雨能力最大值為303.8mm，而在飽和情景下，抗暴雨能力最大值為238.8mm，飽和情景下的石門(mén)水庫(kù)抗暴雨能力有所減弱。水庫(kù)抗暴雨能力可將空余庫(kù)容轉(zhuǎn)化為所能容納最大降水量，更直觀的反映水庫(kù)各暴雨量級(jí)下的蓄水動(dòng)態(tài)變化情況。

2.4 不同組合情景條件下河庫(kù)聯(lián)合預(yù)報(bào)分析

結(jié)合遼寧飽和模型對(duì)不同組合情景下的河庫(kù)聯(lián)合預(yù)報(bào)調(diào)度分析，成果見(jiàn)表6、7及圖5。

表6 半飽和組合情景下河庫(kù)聯(lián)合調(diào)度預(yù)報(bào)成果表(半飽和Pa=0.5Im)

表7 飽和組合情景下河庫(kù)聯(lián)合調(diào)度預(yù)報(bào)成果表((飽和Pa=1 Im)

圖5 不同組合情景下河庫(kù)聯(lián)合預(yù)報(bào)調(diào)度成果

不同組合情景下河庫(kù)聯(lián)合預(yù)報(bào)調(diào)度成果可直觀的反映不同暴雨等級(jí)下水庫(kù)蓄水量的動(dòng)態(tài)變化結(jié)果，水庫(kù)的出口水量對(duì)于下游河道水文站的洪量影響較大，這點(diǎn)也可直觀的從圖5中反映出來(lái)，從圖5中可明顯看出，在不同流域蓄水量情景下，隨著降雨等級(jí)的加大，洪量關(guān)系之間的間距和變幅也逐步加大。不同組合情景下的河庫(kù)聯(lián)合預(yù)報(bào)調(diào)度成果，對(duì)于氣象未來(lái)1～3天暴雨等級(jí)下的水庫(kù)預(yù)報(bào)調(diào)度具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，使水庫(kù)預(yù)報(bào)調(diào)度更加科學(xué)。

3 結(jié)論

(1)石門(mén)水庫(kù)在流域蓄水量半飽和狀態(tài)下的最大抗暴雨能力約為304mm，飽和狀態(tài)下約為239mm，但還需結(jié)合實(shí)時(shí)水位進(jìn)行調(diào)整。

(2)河庫(kù)聯(lián)合預(yù)報(bào)可實(shí)現(xiàn)流域?yàn)閱卧?、以干流為主線、以水庫(kù)和河道水文站為控制節(jié)點(diǎn)區(qū)域洪水預(yù)報(bào)，不同組合情況下的河庫(kù)聯(lián)合預(yù)報(bào)可顯著增加水庫(kù)洪水預(yù)見(jiàn)期。