李瑩芹，何　斌，梁國華（大連理工大學(xué)水利土木學(xué)院，遼寧大連116024）

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門樓水庫洪水預(yù)報(bào)及修正方法

李瑩芹，何斌，梁國華
（大連理工大學(xué)水利土木學(xué)院，遼寧大連116024）

［摘要］由于流域下墊面條件、人類活動和水利工程影響，使得概念性流域水文模型更加難于全面地描述流域的產(chǎn)匯流特性，導(dǎo)致預(yù)報(bào)結(jié)果誤差較大。研究以門樓水庫為背景，分析流域入庫洪水組成、水利工程分布、氣候及下墊面等水文特點(diǎn)，采用大伙房模型（DHF）進(jìn)行門樓水庫以上流域的洪水預(yù)報(bào)方案研究,進(jìn)而修正水庫的入庫洪水過程。研究結(jié)果表明，修正后的洪水預(yù)報(bào)結(jié)果精度比修正前有較大提高，可以為水庫防洪調(diào)度決策提供依據(jù)。

［關(guān)鍵詞］門樓水庫；洪水預(yù)報(bào)；大伙房模型；推理模式；山東煙臺

1　概況

我國降雨時(shí)空分布極不均勻，旱澇交替頻繁，洪水預(yù)報(bào)已經(jīng)成為防洪減災(zāi)和提高洪水資源利用率的重要手段。洪水預(yù)報(bào)是根據(jù)面臨時(shí)刻所獲得的信息對未來一定時(shí)期內(nèi)的某些水文要素作出定性和定量預(yù)測的技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中一般采用概念性水文模型進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)方案研究。針對煙臺市門樓水庫調(diào)度的實(shí)際需要，嘗試?yán)眠m合于北方流域產(chǎn)匯流特點(diǎn)的大伙房水文模型開展洪水預(yù)報(bào)及修正方法研究，為水庫的調(diào)度決策提供依據(jù)。

2　工程背景及研究思路

門樓水庫是一座集防洪、供水和灌溉功能為一體的大（Ⅱ）型綜合水利樞紐工程，流域面積1079km2，總庫容2.02億m3。流域受季風(fēng)和大陸性氣候的影響，降雨時(shí)空分布極不均勻，主要集中在6—8月份，易造成洪澇災(zāi)害。水庫流域?qū)儆谇鹆晟絽^(qū)，控制面積較小，流域平均比降較大，洪水過程陡漲陡落，加之受上游水利工程影響較大，給洪水預(yù)報(bào)帶來較大困難。門樓水庫壩址以上流域水利工程位置分布不均勻,其中臧格莊以上流域內(nèi)有中小型水庫近40座，控制面積約246 km2，總庫容約1萬m3，門樓水庫至臧格莊區(qū)間內(nèi)有小型水庫近50座，控制面積約121 km2，總庫容約0.25萬m3。通過分析上游水庫的興利庫容和水庫控制面積之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前期土壤較干旱時(shí)，流域至少產(chǎn)生80 mm的凈雨，才會有小水庫發(fā)生溢流。臧格莊以上流域中小型水庫的運(yùn)行對門樓水庫的洪水入流過程影響較大，當(dāng)降雨小于60 mm時(shí)，臧格莊以上流域基本不產(chǎn)生流量，對洪峰發(fā)生之前時(shí)段的流量過程影響較為明顯。為此，首先根據(jù)流域下墊面及氣候特點(diǎn)，嘗試選擇大伙房水文模型作為產(chǎn)匯流計(jì)算的基本模型，進(jìn)行整個(gè)水庫壩址以上流域的洪水預(yù)報(bào)研究；然后根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行臧格莊至門樓水庫區(qū)間的洪水預(yù)報(bào)研究；最后根據(jù)區(qū)間預(yù)報(bào)結(jié)果修正門樓水庫入庫洪水過程。

3　門樓水庫洪水預(yù)報(bào)研究

3.1模型選取及參數(shù)率定方法

3.1.1模型選擇

大伙房模型（DHF）由遼寧省大伙房水庫管理局根據(jù)大伙房水庫流域多年的預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)而總結(jié)提出的集總式概念性水文模型。它以超滲產(chǎn)流思想為基礎(chǔ)，采用表層、下層和地下水庫3層來描述土壤蓄水量的變化，引入（α-1）次拋物線描述表層蓄水容量分布不均勻的狀況；蒸發(fā)計(jì)算采用雙層蒸發(fā)模式；匯流部分采用8參數(shù)變強(qiáng)度、變匯流速度的經(jīng)驗(yàn)單位線進(jìn)行計(jì)算，不同降雨分布的地表徑流具有不同的匯流曲線。大伙房模型比較適用于干旱或半濕潤地區(qū)，已被廣泛地應(yīng)用于東北地區(qū)，應(yīng)用效果較好。門樓水庫位于膠東半島地區(qū)，流域氣候和下墊面狀況等自然特征與東北地區(qū)基本類似。因此，采用大伙房模型為基本模型研究門樓水庫的預(yù)報(bào)方案。

3.1.2模型參數(shù)率定方法

根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范GB/T22482—2008》，本文采用產(chǎn)流量、洪峰流量、峰現(xiàn)時(shí)間預(yù)報(bào)的合格率作為目標(biāo)函數(shù)，其目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為：

式中：n表示全部洪水場次數(shù)；m表示匯流合格預(yù)報(bào)場次數(shù)。

由于粒子群算法具有原理簡單、易于描述、設(shè)置參數(shù)少、收斂速度快、全局搜索能力強(qiáng)、容易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，在水文模型參數(shù)優(yōu)選方面得到廣泛應(yīng)用[2]。采用粒子群算法與人工試錯(cuò)法相結(jié)合的方法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)選。

3.2門樓水庫以上流域大伙房模型參數(shù)率定

選取1964—2007年間較大的2 0場歷史洪水進(jìn)行模擬研究，其中15場歷史洪水用于模型參數(shù)率定，5場歷史洪水用于參數(shù)檢驗(yàn)，產(chǎn)匯流參數(shù)優(yōu)選結(jié)果如表1所示。根據(jù)GB/T22482—2008《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》評定標(biāo)準(zhǔn)，對預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行評定，其中率定期合格率為66.7%，檢驗(yàn)期合格率為60%。預(yù)報(bào)結(jié)果表明模型參數(shù)在率定期和檢驗(yàn)期的預(yù)報(bào)結(jié)果合格率均不高，并具有如下特點(diǎn)：

1）發(fā)生在1970年之前或前期下墊面條件較濕潤以及洪峰流量超過1 000 m3/s的場次洪水模擬結(jié)果較好；

2）發(fā)生在1970年之后或前期下墊面較干旱以及峰值較小的場次洪水預(yù)報(bào)效果較不理想，且產(chǎn)匯流模擬結(jié)果偏大或偏小沒有規(guī)律可循。通過分析流域下墊面和水利工程的分布特點(diǎn)可知，洪水模擬效果較差的原因可能是上游水庫對洪水的蓄放作用引起的，尤其是前期下墊面較干旱的洪水或較小的洪水，水利工程運(yùn)行對產(chǎn)匯流過程的影響更加明顯。而在參數(shù)率定的過程中為了迎合預(yù)報(bào)合格率，率定所得到的模型參數(shù)可能沒有代表性，例如，流域的蓄水容量參數(shù)達(dá)到155 mm，8月份的蒸發(fā)參數(shù)E5達(dá)到6 mm，參數(shù)值過大明顯不合理。由此可見，上游水庫的運(yùn)行對流域的產(chǎn)匯流預(yù)報(bào)影響嚴(yán)重。

表1　大伙房模型參數(shù)

3.3門樓水庫洪水預(yù)報(bào)修正研究

由3.2的分析結(jié)果可知，門樓水庫以上流域水利工程對流域的產(chǎn)匯流過程產(chǎn)生很大影響，造成洪水預(yù)報(bào)成果精度偏低，預(yù)報(bào)結(jié)果可靠性較差；另外，從小型水庫的庫容與控制面積分布比例上看臧格莊以上流域的中小型水庫對門樓水庫入庫洪水影響非常大。因此，下面將采用大伙房模型及模糊推理方法開展臧格莊至門樓水庫區(qū)間的洪水預(yù)報(bào)研究，然后通過與臧格莊實(shí)測流量錯(cuò)時(shí)段疊加實(shí)現(xiàn)門樓水庫入庫洪水過程的修正預(yù)報(bào)。

3.3.1臧格莊～門樓水庫區(qū)間洪水模擬分析

通過分析門樓水庫場次洪水的入庫洪水過程及洪峰組成、上游中小水庫分布特點(diǎn)可知，臧格莊以上的中小水庫對門樓水庫的入庫洪水過程影響最大，加之入庫洪峰的預(yù)見期較短，約為4～8 h，而臧格莊測站的洪水演進(jìn)到壩前則需要4 h左右。一般情況下門樓水庫入庫洪峰流量組成中臧格莊-門樓水庫區(qū)間的流量所占比重較大。因此，只要做好區(qū)間洪水過程的預(yù)報(bào)，基本上就可較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)出門樓水庫的入庫洪峰流量，即可滿足門樓水庫防洪調(diào)度的實(shí)際需求。

1）區(qū)間產(chǎn)流模擬所率定的。采用大伙房模型對臧格莊-門樓區(qū)間1964—2007年間的20場歷史洪水進(jìn)行產(chǎn)流預(yù)報(bào)，模型參數(shù)如表2所示，用于參數(shù)率定的15場洪水，模擬合格率為93.3%，用于檢驗(yàn)的5場洪水模擬合格率為100%，除“19790731”洪水外，其他場次洪水模擬效果較好?！?9790731”場次洪水前期土壤非常干旱，降雨主要發(fā)生在門樓水庫壩址附近，部分降雨未發(fā)生截留、下滲直接形成了入庫流量，導(dǎo)致預(yù)報(bào)值偏小。從產(chǎn)流參數(shù)率定結(jié)果上看，由于受小型水庫截留的影響，土壤蓄水容量取值135 mm也是相對合理的；月蒸發(fā)參數(shù)的取值都在流域多年平均實(shí)測蒸發(fā)范圍內(nèi)，雨間日蒸發(fā)E7和E8更符合實(shí)際。由此可見，區(qū)間產(chǎn)流參數(shù)基本能夠反映流域的產(chǎn)流特性。

表2　臧格莊至門樓區(qū)間大伙房模型產(chǎn)流參數(shù)

2）區(qū)間匯流模擬。臧格莊至門樓水庫區(qū)間洪水過程陡漲陡落，不同的降雨分布和前期土壤含水量，其匯流過程完全不同。因此，研究首先利用歷史場次洪水綜合推求出3條單位線，用以表征各種因素綜合影響下的匯流過程；然后綜合分析前期土壤含水量W0、區(qū)間累計(jì)降雨量與前期土壤含水量比值關(guān)系P/W0以及暴雨中心分布P上/P下等影響因素確定推理因子；最后以此為基礎(chǔ)利用模糊推理模式法推理得到合適的單位線進(jìn)行洪水過程預(yù)報(bào)。

模糊推理模式法以成因分析法和統(tǒng)計(jì)分析法以及經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法等作為理論依據(jù)，利用歷史信息歸納生成推理模式語句，再根據(jù)面臨時(shí)刻信息的實(shí)際情況選擇合適的語句，最后將與之相對應(yīng)的結(jié)果作為結(jié)論，其推理形式如公式（2）所示。

式中：A代表推理因子；B代表推理結(jié)果；m代表推理因子個(gè)數(shù)；n代表規(guī)則個(gè)數(shù)。采用W0，P/W0，P上/P下3個(gè)指標(biāo)作為推理因子進(jìn)行推理，通過對歷史洪水的分析推理，形成的推理規(guī)則如表3所示。例如，規(guī)則1表示，當(dāng)前期土壤含水量位于[0，35]區(qū)間時(shí)，且P上/P下>2則選擇單位線2進(jìn)行匯流預(yù)報(bào)。

表3　場次洪水識別準(zhǔn)則

根據(jù)上述方法對臧格莊至門樓區(qū)間的20場洪水進(jìn)行匯流預(yù)報(bào)，其中率定期模擬合格率為93.3%，檢驗(yàn)期模擬合格率為80%。除“19730831”和“19950822”兩場洪水外，其他場次模擬效果較好?！?9950822”場次洪水區(qū)間各時(shí)段平均雨強(qiáng)較小，導(dǎo)致產(chǎn)流預(yù)報(bào)值偏大，而區(qū)間累計(jì)降雨量較大，選擇的線型屬于峰靠前的單位線，因此預(yù)報(bào)洪峰預(yù)流量較實(shí)際偏大?？傮w而言，區(qū)間的產(chǎn)匯流預(yù)報(bào)精度較高，基本滿足調(diào)度的需求。

3.3.2門樓水庫修正匯流預(yù)報(bào)

將臧格莊至門樓區(qū)間的匯流過程與臧格莊水文站實(shí)測流量值錯(cuò)時(shí)段疊加得到門樓水庫整個(gè)流域的洪水過程，修正預(yù)報(bào)結(jié)果如表4所示。

表4　門樓水庫匯流預(yù)報(bào)結(jié)果

率定期內(nèi)匯流有2場不合格，合格率為86.7%，檢驗(yàn)期內(nèi)匯流有1場匯流預(yù)報(bào)不合格，合格率為80%?！?99640818場次洪水”、“19700719場次洪水”、“20010801場次洪水”分別代表前期較濕潤、干旱和特別濕潤的3種類型洪水。從模擬結(jié)果上看，臧格莊以上流域流量較小，修正預(yù)報(bào)精度更高。這是因?yàn)楫?dāng)臧格莊以上流域流量較小時(shí)，區(qū)間流量預(yù)報(bào)結(jié)果較好，入庫流量過程預(yù)報(bào)也較好。當(dāng)降雨分布較均勻時(shí)，庵里水庫放水導(dǎo)致臧格莊以上流域流量變大，此時(shí)預(yù)報(bào)結(jié)果較差，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，根據(jù)這一問題需要進(jìn)一步修正入庫洪水過程。

4　結(jié)論

根據(jù)門樓水庫實(shí)際調(diào)度的需要，針對水庫入庫洪水組成、水利工程分布情況、氣候及下墊面等特點(diǎn)，采用大伙房模型（DHF）、綜合單位線和模糊推理模式方法分別開展門樓水庫以上流域和臧格莊至門樓水庫區(qū)間流域的洪水預(yù)報(bào)方法研究，并對門樓水庫的入庫洪水過程進(jìn)行修正預(yù)報(bào)。取得了結(jié)論：

1）門樓水庫洪水預(yù)報(bào)受上游中小型水庫對洪水蓄放作用的影響較大，使不考慮水利工程影響的洪水預(yù)報(bào)精度偏低。

2）由于庵里水庫庫容較大，使臧格莊以上流域的中小型水庫的總庫容較大。因此，其對入庫洪水影響巨大，洪水預(yù)報(bào)方案應(yīng)分為臧格莊以上和臧格莊至門樓區(qū)間兩個(gè)預(yù)報(bào)單元，區(qū)間模擬結(jié)果表明，模型參數(shù)基本能夠反映流域?qū)嶋H的產(chǎn)匯流情況，修正后的門樓水庫入庫洪水過程與實(shí)際擬合效果較好。

3）當(dāng)庵里水庫的溢流量較大時(shí)，應(yīng)考慮進(jìn)一步對水庫入庫洪水過程進(jìn)行修正；

4）由于目前流域各項(xiàng)水文資料較少，只能進(jìn)行初步的修正預(yù)報(bào)研究，隨著資料的積累，應(yīng)對預(yù)報(bào)成果進(jìn)行進(jìn)一步完善。

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［中圖分類號］TV122

［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A

［文章編號］1002－0624（2016）03－0019－03

[收稿日期]2015-06-12