考慮上游水利工程影響的桓仁水庫洪水預(yù)報研究

梁國華, 路廣平, 代金輝, 王笑媚

(1.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部水利工程學(xué)院,遼寧 大連 116024; 2.遼寧省防汛抗旱指揮部辦公室,遼寧 沈陽 110000)

洪水預(yù)報是防洪減災(zāi)最重要的非工程措施之一,準確的洪水預(yù)報成果更是防洪調(diào)度決策的依據(jù)。洪水預(yù)報方案的制定一直是專家學(xué)者研究的重點[1-11]。然而,受人類活動尤其是已建水利工程的影響,北方地區(qū)的洪水預(yù)報成果精度較低[12-16]。目前,考慮水利工程影響的洪水預(yù)報方法主要有兩種:一是基于數(shù)理統(tǒng)計的多元回歸分析法,即通過選取水文氣象要素和洪水的特征要素進行統(tǒng)計分析,建立回歸模型進行洪水預(yù)報;二是基于水文模型的洪水預(yù)報方法,即在水文模型中增加考慮水利工程影響的模塊,通過設(shè)置相關(guān)參數(shù)來量化水利工程的影響。方法一將水利工程運行對洪水過程的影響進行簡單描述[17-18],雖使用方便,但缺乏機理機制基礎(chǔ),外延性較差,難于廣泛推廣應(yīng)用;方法二在應(yīng)用時需要大量的水利工程運行數(shù)據(jù)[19-21],這也是應(yīng)用的難點所在。

事實上,流域上游的大部分水利工程以無閘門控制居多,水利工程的蓄泄水量與流域前期的降雨量和場次降雨量有一定的關(guān)系,能否準確地描述蓄泄關(guān)系,是洪水預(yù)報精度高低的關(guān)鍵。鑒于此,以桓仁水庫以上流域為研究區(qū),基于聚合水庫的方法,研究了桓仁水庫的調(diào)蓄規(guī)律,建立了聚合水庫的蓄泄關(guān)系曲線,并將其與新安江模型相結(jié)合,構(gòu)建了考慮水利工程影響的桓仁水庫洪水預(yù)報方法,以期為水庫防洪和發(fā)電調(diào)度、水資源配置、洪水資源化利用、防災(zāi)減災(zāi)等提供決策支持和科學(xué)指導(dǎo)。

1 考慮水利工程影響的洪水預(yù)報方法

1.1 聚合水庫劃分方式

中小型水利工程的運行資料難以獲得,本文采用聚合水庫的思想,將分布在不同子流域內(nèi)的中小型水庫分別聚合成不同的聚合水庫,研究其蓄放水對洪水過程的影響規(guī)律,提高洪水預(yù)報的精度。聚合水庫的劃分方式見文獻[13]。

1.2 聚合水庫蓄泄曲線

水利工程運行對洪水過程的影響主要表現(xiàn)為攔洪和泄洪作用。若降雨發(fā)生前,流域較為干旱,水庫處于空庫狀態(tài),此時水庫主要發(fā)揮攔蓄作用;隨著降雨的繼續(xù),水庫逐漸蓄滿,此時水庫攔蓄作用降低,主要發(fā)揮滯洪削峰作用。若洪水發(fā)生前,降雨較多,流域下墊面較為濕潤,水庫處于滿庫狀態(tài),為保證水庫安全運行,需增加下泄量,此時水庫主要發(fā)揮泄流作用?；诖?聚合水庫的蓄泄關(guān)系曲線形式如圖1所示,圖1中縱軸表示聚合水庫當前時刻的蓄滿率R(聚合水庫當前時段的蓄水庫容與聚合水庫總庫容的比值),橫軸表示時段的蓄泄率S。假設(shè)聚合水庫的蓄滿率臨界值為Rc,當R≤Rc時,聚合水庫主要發(fā)揮攔蓄作用;當R>Rc時,聚合水庫主要發(fā)揮泄流作用。在場次洪水過程中,聚合水庫的蓄泄狀態(tài)隨蓄滿率R的變化而變化。

圖1 水庫蓄泄關(guān)系示意圖

1.2.1 初始蓄滿率計算

降雨開始前,聚合水庫的初始蓄滿率R0很難獲得,本文采用公式(1)和公式(2)進行計算,兩公式分別為:

(1)

(2)

式中:α為線性系數(shù);λ0為形成場次洪水的降雨開始時刻的土壤飽和度;τ為方次系數(shù);P7為形成場次洪水的降雨開始時刻的前7 d總降雨量,取值參考文獻[16];Pmin為形成場次洪水的降雨開始時刻的前7 d的最小降雨量;Pmax為形成場次洪水的降雨開始時刻的前7 d的最大降雨量;參數(shù)α、τ均通過遺傳優(yōu)化算法率定得到。

1.2.2 聚合水庫蓄泄曲線

對于場次洪水過程,一般降雨開始時水庫的蓄滿率R0≤Rc,聚合水庫主要發(fā)揮攔蓄作用;隨著降雨的持續(xù),聚合水庫蓄滿率R逐漸增至Rc;若聚合水庫的蓄滿率R0>Rc,此時聚合水庫發(fā)揮泄流作用。因此,聚合水庫的蓄泄狀態(tài)可以采用公式(3)來表示。

(3)

式中:Ss,t為t時段聚合水庫的蓄水率;Rt為t時段聚合水庫的蓄滿率;m為描述聚合水庫攔蓄過程的形狀參數(shù),反映聚合水庫的蓄水能力,一般取值為0～1;Sd,t為t時段聚合水庫的泄流率;n為描述聚合水庫泄流過程的形狀參數(shù),反映聚合水庫的泄流能力,一般取值為0～3;參數(shù)Rc、m、n均通過遺傳優(yōu)化算法率定得到。

1.2.3 聚合水庫的時段泄流量

每個聚合水庫在t時段的泄流量ΔQi,t采用公式(4)計算:

(4)

式中Qi,t為t時段第i個子流域產(chǎn)出的地表徑流、壤中流及地下徑流經(jīng)河網(wǎng)匯流后的流量值,m3/s,負值表示水庫在該時段發(fā)揮攔蓄作用。

1.3 聚合水庫的蓄泄量計算過程

步驟1將流域劃分為不同的子流域,根據(jù)各水庫的空間位置聚合成不同的聚合水庫,并計算相應(yīng)的聚合水庫庫容。

步驟2根據(jù)公式(1)和公式(2)計算形成該場次洪水的降雨開始時刻各聚合水庫的初始庫容(即蓄水量,m3) ,vi,0=R0Vi(i=1,2,…,n),Vi為第i個聚合水庫的庫容。

步驟3根據(jù)公式(3)和公式(4)計算聚合水庫各時段的泄流量。當時段t=1(預(yù)報時段序號)時,根據(jù)公式(3)計算聚合水庫的蓄水率Ss,1或泄流率Sd,1,然后由公式(4)計算本時段每個聚合水庫的泄流量ΔQi,1,進而計算時段末(t=1)聚合水庫的庫容vi,1(vi,1=vi,0+ΔQi,1ΔT)和時段末聚合水庫的蓄滿率R1(R1=v1/V),式中ΔT為洪水預(yù)報方案的時段長;當時段t>1時,先計算時段產(chǎn)流量,然后采用公式(3)和公式(4)計算時段的蓄水率Ss,t或泄流率Sd,t和各個聚合水庫的泄流量ΔQi,t,進而得到時段末各個聚合水庫的庫容vi,t(vi,t=vi,t-1+ΔQi,tΔT),以及蓄滿率Rt(Rt=vt/V)。上述Rt、vt和V分別為t時段蓄滿率、t時段聚合水庫的總庫容和所有聚合水庫的總庫容。

步驟4計算各個子流域t時段經(jīng)校正后的流量Q′i,t,Q′i,t=Qi,t+ΔQi,t。

步驟5令t=t+1,若t

步驟6將各子流域的所有時段流量Q′i,t演算至流域出口斷面,通過線性疊加得到該場次洪水在整個流域出口斷面的流量過程。

2 實例研究

2.1 桓仁水庫概況

桓仁水庫位于遼寧省桓仁縣境內(nèi),是渾江干流上一座以發(fā)電為主,兼有防洪、灌溉等綜合利用功能的大(Ⅰ)型水利樞紐工程。水庫控制流域面積為10 400 km2,總庫容為34.6 億m3,防洪庫容為12.6 億m3?；溉仕畮煲陨狭饔蚨嗄昶骄邓繛?60 mm,多年平均徑流系數(shù)為0.52。流域年內(nèi)降水分配不均,汛期6—9月的降水量約占全年降水量的70%。場次洪水過程線以單峰型為主,場次洪水過程一般持續(xù)9 d左右,3 d洪量占一次洪水過程洪量的80%,場次洪水具有陡漲陡落的特點。自20世紀90年代以來,桓仁水庫上游修建了大量的中小型水庫,其分布位置如圖2所示。其中,中型水庫6座,小型水庫41座,總興利庫容(死庫容至堰頂高程之間的庫容)2.44億m3。水利工程的修建與運行改變了流域的產(chǎn)流和匯流特性,降低了桓仁水庫原洪水預(yù)報方案的精度[16],影響了水庫防洪與興利綜合效益的發(fā)揮。因此,有必要開展上游水利工程影響下的桓仁水庫洪水預(yù)報方法研究。

圖2 水庫上游水利工程分布及子流域劃分

2.2 桓仁水庫以上流域聚合水庫劃分

根據(jù)中小型水庫的分布狀況,將桓仁水庫以上流域劃分為6個子流域(圖2中以①—⑥表示),每個子流域?qū)?yīng)的聚合水庫的庫容見表1。桓仁水庫以上流域內(nèi)的6座中型水庫分布在4個子流域中,41座小型水庫分布在5個子流域中。

表1 研究區(qū)各子流域?qū)?yīng)的聚合水庫庫容

2.3 考慮上游水利工程影響的桓仁水庫洪水預(yù)報模擬結(jié)果及分析

2.3.1 流域水文預(yù)報模型選擇

桓仁水庫流域上游植被較好,流域多年平均降水量860 mm,屬于濕潤半濕潤地區(qū),一般情況下一場洪水后土壤基本達到蓄滿狀態(tài)。因此,本文采用適用于濕潤半濕潤地區(qū)的新安江模型作為考慮水利工程影響的桓仁水庫以上流域洪水預(yù)報方法。

2.3.2 聚合水庫蓄泄參數(shù)及新安江模型參數(shù)確定

根據(jù)遙感數(shù)據(jù)和流域調(diào)研調(diào)查情況可知,2005年后桓仁水庫以上流域未新建中小型水庫,為保持資料的一致性,選取桓仁水庫以上流域2005年以后的20場歷史洪水資料進行模擬,分析水利工程對流域洪水過程的影響。其中,前14場洪水用于模型參數(shù)率定,后6場洪水用于模型參數(shù)檢驗。通過率定得到聚合水庫的蓄泄參數(shù)值見表2,新安江模型的產(chǎn)匯流參數(shù)見表3。

表2 聚合水庫蓄泄參數(shù)率定結(jié)果

表3 新安江模型產(chǎn)匯流參數(shù)率定結(jié)果

2.3.3 結(jié)果與分析

基于新安江模型的考慮與未考慮水利工程影響的產(chǎn)流和匯流模擬結(jié)果分別見表4和表5。

表4 產(chǎn)流模擬結(jié)果

表5 匯流模擬結(jié)果

1)產(chǎn)流模擬結(jié)果分析。由表4可知,考慮上游水利工程影響的產(chǎn)流模擬精度較未考慮上游水利工程影響的產(chǎn)流模擬精度有所提高。20場洪水的產(chǎn)流模擬結(jié)果全部合格,其中率定期合格率從87.5%增至100%,檢驗期合格率從83.3%增至100.0%;20場洪水的平均相對誤差由13.7%降至9.4%。

當聚合水庫初始蓄滿率R0小于0.8時,聚合水庫主要發(fā)揮攔蓄作用,當聚合水庫初始蓄滿率R0大于等于0.8時,聚合水庫此時主要發(fā)揮泄流作用。洪號為20100808、20100819和20100826的3場次洪水發(fā)生時各聚合水庫的初始蓄滿率R0均大于0.8,各聚合水庫主要發(fā)揮泄流作用,產(chǎn)流量變大。其他場次的洪水發(fā)生時各子流域?qū)?yīng)的聚合水庫的初始蓄滿率R0均小于0.8,聚合水庫表現(xiàn)為攔蓄作用,產(chǎn)流量變小;但場次洪水模擬過程后期各聚合水庫處于攔蓄還是泄流狀態(tài),需根據(jù)降雨量進行判斷?？傮w而言,水利工程對洪水過程的影響大多都是攔蓄作用,且經(jīng)修正后的產(chǎn)流預(yù)報值更接近實際值。

2)匯流模擬結(jié)果分析。由表5可知,考慮上游水利工程影響的匯流模擬精度較未考慮上游水利工程影響的匯流模擬精度有較大提高,率定期和檢驗期20場洪水的峰值流量和峰現(xiàn)時間不合格場次數(shù)量由4場降為1場,率定期合格率從81.3%提高至87.5%,檢驗期合格率從83.3%提高至100.0%;20場洪水中洪峰流量的模擬值與實測值的平均相對誤差由21.3%降至10.1%?？傮w而言,由于水利工程的滯洪和調(diào)蓄作用,考慮上游水利工程影響的預(yù)報洪峰流量基本都變小了。當流域前期降雨量少、下墊面較為干旱、水利工程蓄水較少時,聚合水庫對洪水過程的影響主要表現(xiàn)為攔蓄作用,并且隨著降雨的持續(xù),其對洪量和洪峰流量的影響變小,特別是對小洪水影響更大,如圖3(a)和圖3(b)所示的洪號分別為20060826和20080731的洪水;當前期降雨量較多、下墊面較為濕潤、水利工程蓄水較多時,聚合水庫對洪水過程的影響主要表現(xiàn)為泄流作用,并且隨著降雨的持續(xù),其對洪量和洪峰流量的影響變小,如圖3(c)和圖3(d)所示的洪號分別為20100808和20100826的洪水。圖3中,橫坐標為時段序號,相鄰時段間隔為6 h。

圖3 典型場次洪水模擬結(jié)果對比圖

3 結(jié)語

針對受桓仁水庫以上流域水利工程影響導(dǎo)致的洪水預(yù)報精度偏低問題,本文基于聚合水庫思想,建立了考慮上游水利工程影響的桓仁水庫洪水預(yù)報模型,給出了聚合水庫的蓄泄量計算步驟,并利用2005年以后的洪水資料率定了聚合水庫的蓄泄參數(shù)和新安江模型的產(chǎn)匯流參數(shù),得到如下結(jié)論:

1)對于場次洪水,不論是產(chǎn)流階段還是匯流階段,考慮水利工程影響的洪水模擬精度均得到了較明顯的提高,表明采用聚合水庫的思想研究桓仁水庫的洪水預(yù)報方案是可行的。

2)當前期降雨少、下墊面較為干旱時,由于水利工程蓄水較少,聚合水庫對洪水過程的影響主要表現(xiàn)為攔蓄作用,且隨著降雨的持續(xù),其對洪量和洪峰流量的影響變小;當前期降雨量較多、下墊面較為濕潤、水利工程蓄水較多時,聚合水庫對洪水過程的影響主要表現(xiàn)為泄流作用,且隨著降雨的持續(xù),其對洪量和洪峰流量的影響也逐漸變小。

3)采用蓄泄關(guān)系曲線來描述聚合水庫對洪水過程的影響,基本能反映水利工程對洪水過程的影響規(guī)律,但不同調(diào)節(jié)性能的水利工程其蓄放規(guī)律可能不同,而采用統(tǒng)一的蓄泄關(guān)系曲線來描述不同調(diào)節(jié)性能的水利工程的蓄放規(guī)律可能無法完全反映實際的洪水過程,后續(xù)有待收集更多的資料開展進一步的研究。