百色市雞甫水庫(kù)入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)方案研究與應(yīng)用

涂 旭，黃旭升，李榮輝*，劉 偉，黃雪絨姿

(1 廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院，南寧 530023； 2 廣西水工程材料與結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530023)

洪水預(yù)報(bào)是水庫(kù)汛情分析、防洪調(diào)度、防汛搶險(xiǎn)的基礎(chǔ)，其準(zhǔn)確性和可靠性直接影響水庫(kù)及上下游流域防洪減災(zāi)工作[1]。2019年3月水利部召開(kāi)全國(guó)水庫(kù)安全度汛視頻會(huì)議，明確提出關(guān)于水庫(kù)水情預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),逐庫(kù)完成入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)方案編制方面的具體要求。中國(guó)中小型水庫(kù)數(shù)量龐大，防洪安全任務(wù)繁重，開(kāi)展中小型水庫(kù)的洪水預(yù)報(bào)方案編制是地區(qū)防洪安全的關(guān)鍵[2]。文章以百色市小型水庫(kù)雞甫水庫(kù)為研究對(duì)象，基于產(chǎn)匯流分析計(jì)算，建立降雨量、徑流量、洪峰流量與庫(kù)水位相互間關(guān)系，實(shí)現(xiàn)入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)，為該水庫(kù)防洪減災(zāi)工作提供理論基礎(chǔ)。

1 水庫(kù)概況

雞甫水庫(kù)位于德?？h東凌鎮(zhèn)定坡村雞甫屯旁的那王河上，那王河發(fā)源于波平山附近，流經(jīng)谷門、那樂(lè)、雞甫等村屯，于東凌盆地注入石灰?guī)r地下溶洞，潛流后匯入福祿河，壩址以上集雨面積38.5km2,河長(zhǎng)13.5km，平均坡降3.0%，流域平均高程在1000m以上，屬高山區(qū)雨源性小河。由于本流域洪峰流量來(lái)勢(shì)迅速，歷時(shí)短，而下游地下溶洞洞口狹窄，過(guò)水能力小，致使東凌盆地洪水期受淹成災(zāi)。雞甫水庫(kù)流域圖，見(jiàn)圖1。

圖1 雞甫水庫(kù)流域圖

雞甫水庫(kù)壩址距離縣城74km，距離東凌鎮(zhèn)政府4km。是一座以灌溉為主，供水為輔的小(1)型水庫(kù)[3]。樞紐工程主要由連拱壩、溢流壩、放水設(shè)施及管理房等組成。水庫(kù)正常蓄水位523.00m，死水位508.00m，總庫(kù)容152.8萬(wàn)m3,調(diào)洪庫(kù)容64.92萬(wàn)m3，興利庫(kù)容87.88萬(wàn)m3，死庫(kù)容4.10萬(wàn)m3。水庫(kù)大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)以30a一遇洪水設(shè)計(jì)， 200a一遇洪水校核。設(shè)計(jì)洪水位527.10m，洪水流量506m3/s，相應(yīng)最大下泄流量為430m3/s；校核洪水位527.85m，洪水流量668m3/s，相應(yīng)最大下泄流量579m3/s。

2 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

2.1 設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)計(jì)算方法

對(duì)于有實(shí)測(cè)雨量資料的區(qū)域，其設(shè)計(jì)暴雨采用站點(diǎn)歷年雨量資料進(jìn)行計(jì)算；對(duì)于缺乏實(shí)測(cè)雨量資料的區(qū)域，其設(shè)計(jì)暴雨采用查算圖表法分析得到。設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)計(jì)算涉及到不同時(shí)段、不同頻率暴雨均值及變差系數(shù)Cv、偏態(tài)系數(shù)Cs與變差系數(shù)Cv比值(Cs/Cv)、點(diǎn)面折減系數(shù)α、暴雨遞減指數(shù)np的確定。

2.2 設(shè)計(jì)暴雨量計(jì)算

雞甫水庫(kù)流域24h最大降雨量按東凌站歷年雨量資料計(jì)算得出； 1h、6h最大降雨量通過(guò)查《廣西暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)等值線圖研究》[4]的附圖，得到1h、6h共2種標(biāo)準(zhǔn)歷時(shí)的暴雨均值和Cv值，按Cs =3.5Cv，查《廣西壯族自治區(qū)暴雨徑流查算圖表》[5](以下簡(jiǎn)稱《查算圖表》)的“皮爾遜III型曲線的模比系數(shù)Kp值表”，可得不同設(shè)計(jì)暴雨頻率相應(yīng)的Kp值，乘以暴雨均值可得不同設(shè)計(jì)暴雨頻率的設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量。根據(jù)防洪標(biāo)準(zhǔn)，暴雨頻率選擇了30a一遇、100a一遇和200a一遇。

在頻率暴雨過(guò)程計(jì)算中，當(dāng)流域面積<100km2時(shí)用點(diǎn)雨量代替面雨量，當(dāng)流域面積>100km2時(shí)則要計(jì)算面雨量。雞甫水庫(kù)流域面積為38.5km2，<100km2，則由點(diǎn)雨量代替面雨量。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)計(jì)算得出的不同頻率的暴雨遞減指數(shù)，計(jì)算公式為：

式中：H24p、H6p、H1p分別為24h、6h、1h設(shè)計(jì)暴雨，mm。

然后采用以下公式，推求不同歷時(shí)的設(shè)計(jì)暴雨。

式中：Htp為th設(shè)計(jì)暴雨，mm；H24p、H6p、H1p分別為24h、6h、1h設(shè)計(jì)暴雨，mm。

2.3 設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程分配計(jì)算

暴雨時(shí)程分配采用《查算圖表》的“廣西分區(qū)綜合24h雨型表(時(shí)段為1h)”進(jìn)行分析，雞甫水庫(kù)流域雨型分區(qū)屬于5區(qū)，計(jì)算得到24h暴雨時(shí)程分配。

3 凈雨計(jì)算

通常情況下，凈雨分析應(yīng)當(dāng)考慮初損和下滲兩部分。其中，初損主要考慮植被截留和洼蓄兩部分，后損主要考慮下滲。

3.1 設(shè)計(jì)總徑流深 R總的查讀

查找《查算圖表》圖31“廣西壯族自治區(qū)產(chǎn)流分區(qū)圖”，可以得到設(shè)計(jì)洪水計(jì)算條件下初損的取值情況。雞甫水庫(kù)流域所處產(chǎn)流分區(qū)為第4區(qū)，從降雨徑流相關(guān)特征參數(shù)綜合表查得流域平均最大蓄水量Wm=120mm，從偏于安全考慮計(jì)算初始需水量Wo=0.7Wm=0.7×120=84mm，再查《查算圖表》附圖4“第4區(qū)降雨徑流關(guān)系圖(P+Wo-Wo-R)”，上部可按45°外延，設(shè)計(jì)情況下的稀遇洪水可用R總=P+Wo-Wm。但常遇的小洪水在關(guān)系線下部者應(yīng)該在圖中查讀。

3.2 凈雨過(guò)程計(jì)算

4 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

4.1 瞬時(shí)單位線法

根據(jù)《查算圖表》查匯流分區(qū)圖，雞甫水庫(kù)屬三區(qū)，m1穩(wěn)=0.96F0.324J-0.238，n=1.38F0.080J0.150，式中F是集雨面積，J是河道平均坡降，查S(t)曲線表進(jìn)行匯流計(jì)算。推求出雞甫水庫(kù)30a一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為506m3/s，100a一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為605m3/s，200a一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為668m3/s。

4.2 推理公式法

4.3 設(shè)計(jì)洪水成果比較

以上兩種計(jì)算方法推求的設(shè)計(jì)洪水成果，雞甫水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水成果表，見(jiàn)表1。

表1 雞甫水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水成果表

由以上成果表看出，同頻率洪峰流量值的兩種推算方法成果較接近，計(jì)算成果合理，故采用瞬時(shí)單位線法的成果作為入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)依據(jù)。

4.4 合理性分析

選取百色市范圍內(nèi)24h降雨均值及下墊面情況與設(shè)計(jì)流域基本相似的水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水分析成果，點(diǎn)繪P=1%洪峰流量與集雨面積的雙對(duì)數(shù)圖，見(jiàn)圖2。本次計(jì)算的雞甫水庫(kù)點(diǎn)據(jù)落在點(diǎn)群中心線略上方，故設(shè)計(jì)洪峰流量成果是合理的。

圖2 P=1%洪峰流量與流域面積關(guān)系圖

5 入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)

小型水庫(kù)一般流域面積較小,河道短、坡降大,匯流時(shí)間短,洪水來(lái)勢(shì)猛。水庫(kù)上游雨量站點(diǎn)較少,無(wú)入庫(kù)水文站,往往只在壩前設(shè)一水文站,測(cè)降雨和水位。若降雨均勻(一般發(fā)生較大洪水時(shí)降雨較均勻),這一站的代表性尚可,若降雨分布不均勻,代表性較差,入庫(kù)流量?jī)H能用壩前實(shí)測(cè)水位、出庫(kù)量和損失量反推求出[6]。

在蓄滿產(chǎn)流地區(qū),用暴雨徑流相關(guān)圖預(yù)報(bào)洪量，在超滲產(chǎn)流地區(qū),可用扣損穩(wěn)滲量法預(yù)報(bào)徑流量。小型水庫(kù)由于流域面積小、降雨特性變化不大,所以入庫(kù)洪水的峰量關(guān)系一般比較穩(wěn)定,可以根據(jù)各次洪水的入庫(kù)洪峰流量與相應(yīng)的徑流深建立相關(guān)關(guān)系,即所謂峰、量相關(guān)圖。應(yīng)用時(shí),根據(jù)已知的徑流深即可查出預(yù)報(bào)的洪峰流量值。一般小型水庫(kù)的實(shí)測(cè)水文資料年限不長(zhǎng),繪制的峰、量關(guān)系往往不能滿足大洪水時(shí)防汛調(diào)度的需要。可考慮根據(jù)實(shí)測(cè)資料分析,結(jié)合本水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水的峰、量關(guān)系趨勢(shì)進(jìn)行高水延長(zhǎng)。運(yùn)用數(shù)年積累資料,可根據(jù)降雨性質(zhì)(降雨歷時(shí)、平均雨強(qiáng)等),繪制2-3條不同的峰、量關(guān)系線以提高預(yù)報(bào)精度。小型水庫(kù)一般沒(méi)有入庫(kù)站進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn),只能用近似的辦法推求入庫(kù)洪水,一般可將來(lái)水過(guò)程概化為三角形。預(yù)報(bào)出入庫(kù)洪水總量、洪峰及概化為三角形的來(lái)水過(guò)程以后,進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算,即可預(yù)報(bào)出洪水過(guò)程中水庫(kù)最高庫(kù)水位及最大泄流量。

為迅速作出入庫(kù)洪水預(yù)報(bào),建立降雨量、徑流量、洪峰流量與庫(kù)水位相互間關(guān)系,可根據(jù)降雨量預(yù)報(bào)出洪水過(guò)程中水庫(kù)最高庫(kù)水位及最大泄流量[7]。

5.1 預(yù)測(cè)總徑流深

雞甫水庫(kù)流域P+Wo-R相關(guān)圖，見(jiàn)圖3?；诮涤炅亢颓捌谟绊懹炅?，根據(jù)相關(guān)圖預(yù)測(cè)雞甫水庫(kù)流域產(chǎn)生的總徑流深。

圖3 雞甫水庫(kù)流域P+Wo-R相關(guān)圖

5.2 推測(cè)洪峰流量

根據(jù)頻率下總徑流深和洪峰流量的計(jì)算成果作出相關(guān)圖，雞甫水庫(kù)流域R-Qm相關(guān)圖，見(jiàn)圖4。通過(guò)預(yù)測(cè)得到的總徑流深推測(cè)出24h降雨量產(chǎn)生的洪峰流量。

圖4 雞甫水庫(kù)流域R-Qm相關(guān)圖

5.3 推測(cè)不泄洪情況下庫(kù)水位

以庫(kù)水位Z為縱坐標(biāo)、總徑流深R為橫坐標(biāo)，起調(diào)庫(kù)水位Zo為參數(shù)，繪制R-Zo-Z關(guān)系曲線，通過(guò)預(yù)測(cè)得到的總徑流深推測(cè)出不同起調(diào)水位不泄洪情況下的庫(kù)水位，雞甫水庫(kù)R-Zo-Z相關(guān)圖，見(jiàn)圖5。

圖5 雞甫水庫(kù)R-Zo-Z相關(guān)圖

5.4 推測(cè)泄洪情況下最高庫(kù)水位和最大泄流量

根據(jù)庫(kù)水位與下泄流量關(guān)系曲線，見(jiàn)圖6。通過(guò)推測(cè)出的24h降雨量產(chǎn)生的洪峰流量和不同起調(diào)水位不泄洪情況下的庫(kù)水位推測(cè)出泄洪情況下最高庫(kù)水位和最大泄流量。

5.5 入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)應(yīng)用

假設(shè)雞甫水庫(kù)的起調(diào)水位Zo=522m，流域24h平均降雨量P=120mm，前期影響雨量Wo=84mm，要求預(yù)報(bào)該次洪水的最高庫(kù)水位Zm，以及相應(yīng)最大泄流量qm。

1)首先假設(shè)水庫(kù)不泄洪，由P+Wo=204mm，在P+Wo-R相關(guān)圖上查得總徑流深R=84mm；在R-Zo-Z相關(guān)圖上由R=84mm向上交Zo=522m(內(nèi)插)，再向右交Z1=536.8m。

2)由于雞甫水庫(kù)的溢流壩為實(shí)用堰，堰頂高程為523m，Z1>523m，故假設(shè)不成立。再由R=84mm，在R-Qm相關(guān)圖上查得該場(chǎng)暴雨形成的洪峰流量Qm=259.47m3/s；在Z-q相關(guān)圖上標(biāo)出點(diǎn)1(259.47,523)和點(diǎn)2(0,536.8)，兩點(diǎn)連線與泄流量曲線交點(diǎn)的縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)即為該次洪水的最高庫(kù)水位Zm=525.67m和相應(yīng)最大泄流量qm=210m3/s。

圖6 雞甫水庫(kù)Z-q相關(guān)圖

6 結(jié) 語(yǔ)

入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)是防汛決策的科學(xué)依據(jù)，是防洪非工程措施的重要內(nèi)容之一，直接為防汛搶險(xiǎn)、防洪調(diào)度服務(wù)。為提高水庫(kù)水情預(yù)報(bào)能力，文章通過(guò)收集雞甫水庫(kù)歷年降雨和庫(kù)水位等數(shù)據(jù)，基于小流域產(chǎn)匯流分析，計(jì)算出若干場(chǎng)次洪水，開(kāi)展實(shí)測(cè)降雨徑流模擬入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)，用場(chǎng)次洪水過(guò)程實(shí)測(cè)最大庫(kù)水位驗(yàn)證模擬成果，精度基本滿足規(guī)范要求，模擬效果較好，可應(yīng)用于雞甫水庫(kù)入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)。