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        中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)在王快水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)方案中的應(yīng)用

        2016-08-18 03:02:47王國(guó)江
        地下水 2016年4期
        關(guān)鍵詞:海河雨量徑流

        王 玲,王國(guó)江

        (河北省保定水文水資源勘測(cè)局,河北 保定 071000)

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        中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)在王快水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)方案中的應(yīng)用

        王玲,王國(guó)江

        (河北省保定水文水資源勘測(cè)局,河北 保定 071000)

        采用中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的應(yīng)用平臺(tái)建立王快水文站降雨徑流模型洪水預(yù)報(bào)方案,更新了王快水庫(kù)的預(yù)報(bào)方案。結(jié)果表明,該方案在精度的評(píng)定中取得較滿意的效果,為中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)在大清河流域的應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)。

        中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng);王快水庫(kù);預(yù)報(bào)方案

        中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系[1]統(tǒng)是由水利部水文局開發(fā)的水情預(yù)報(bào)軟件,在全國(guó)統(tǒng)一的實(shí)時(shí)水情數(shù)據(jù)庫(kù)和客戶/服務(wù)器環(huán)境基礎(chǔ)上,采用軟硬件環(huán)境及模塊化、開放性結(jié)構(gòu),建立了常用的預(yù)報(bào)模型和方法庫(kù),通過(guò)人機(jī)界面快速地構(gòu)造多種類的預(yù)報(bào)方案,是通用性強(qiáng)、功能全面、操作簡(jiǎn)便的全國(guó)實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)。其中,為了更科學(xué)合理地制作方案和作業(yè)預(yù)報(bào),給預(yù)報(bào)人員提供做大方便,系統(tǒng)還提供多種實(shí)用功能,來(lái)輔助制作方案和預(yù)報(bào)。自動(dòng)流域邊界圈畫,系統(tǒng)可以根據(jù)數(shù)字高程模型(DEM)將現(xiàn)實(shí)流域中的地面山川河流等在計(jì)算機(jī)中用數(shù)字化表達(dá)出來(lái)。降雨量作為洪水預(yù)報(bào)方案的重要輸入之一,直接關(guān)系到預(yù)報(bào)的精度和預(yù)報(bào)的合理性。中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)面雨量計(jì)算方法通常有:算術(shù)平均法、泰森多變形法、等雨量線法等,用戶在構(gòu)造預(yù)報(bào)方案時(shí)可以根據(jù)流域具體情況來(lái)自由選取任意計(jì)算方法。

        圖1 王快水庫(kù)流域圖

        目前使用《海河流域?qū)嵱盟念A(yù)報(bào)方案》中王快水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)方案于1996年編制完成的[2]。編制方案時(shí)所使用的均為20世紀(jì)90年代以前的資料。但是,80年代以后王快水庫(kù)流域內(nèi)氣候環(huán)境、下墊面情況的改變導(dǎo)致年降雨量較80年代普遍偏小[3],降雨產(chǎn)匯流的形成也有所變化。為使降雨徑流相關(guān)圖曲線更契合當(dāng)前的實(shí)際情況以及實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)方案的計(jì)算機(jī)化,應(yīng)用中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)王快流域的降雨徑流相關(guān)圖進(jìn)行修訂非常重要。

        1 王快水庫(kù)概況

        王快水庫(kù)[4]位于海河流域大清河水系南支沙河上游,壩址健在河北省曲陽(yáng)縣鄭家莊西,控制流域面積3 770 km2,其中河北省境內(nèi)面積2 543 km2,山西省境內(nèi)面積1 227 km2。水庫(kù)控制面積占沙河流域面積的59%,總庫(kù)容13.89億 m3,是一座防洪、灌溉、發(fā)電等綜合利用的大型水利樞紐工程。近幾年,王快水庫(kù)又成為白洋淀生態(tài)補(bǔ)水和北京、滄州生活用水的供水水源地。因此,王快水庫(kù)的預(yù)報(bào)方案對(duì)于保定市的防洪有重要意義。王快水庫(kù)流域見圖1。

        2 王快水庫(kù)預(yù)報(bào)方案

        2.1預(yù)報(bào)方案原理

        降雨徑流相關(guān)圖法是國(guó)內(nèi)廣大水文工作者在長(zhǎng)期實(shí)踐中總結(jié)建立起來(lái)的一種簡(jiǎn)便實(shí)用并具有較高精度的洪水預(yù)報(bào)方法。以次降雨量P與前期影響雨量Pa的和為縱坐標(biāo),以相應(yīng)的徑流深R(Rs)為橫坐標(biāo),可按對(duì)應(yīng)的P+Pa、R(Rs)在圖上繪一個(gè)點(diǎn),按點(diǎn)群分布的趨勢(shì),照顧大多數(shù)點(diǎn)子,繪出的一條線既為P+Pa ~R(Rs)相關(guān)圖法。

        Pa為前期影響雨量,反映土壤濕度。其計(jì)算公式為:

        當(dāng)上時(shí)段有雨量,即Pt-1>0

        Pa,t=K(Pa,t-1+Pt-1)

        (1)

        當(dāng)上時(shí)段無(wú)雨時(shí),

        Pa,t=K×Pa,t-1

        (2)

        式中:K為土壤含水量衰減系數(shù);Pa,t、Pa,t-1為本時(shí)段和上時(shí)段的前期影響雨量;Pt-1為上時(shí)段降雨量。

        用Im表示土壤最大初損量,以mm計(jì)。當(dāng)計(jì)算的Pa,t>Im時(shí),則以Im作Pa值計(jì)算,即認(rèn)為此后的降雨不再補(bǔ)充初損量,全部形成徑流。

        2.2方案修訂流程

        利用中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)修訂王快水庫(kù)預(yù)報(bào)方案的流程見圖2。在修訂方案的過(guò)程中,需要注意的問(wèn)題有:

        圖2 王快站方案修訂流程

        (1)挑選歷史場(chǎng)次洪水資料,主要選擇了建站以來(lái)主要的場(chǎng)次洪水,并記錄場(chǎng)次洪水雨洪摘錄資料(包含流量起漲結(jié)束時(shí)間、洪峰流量等要素、降雨起始時(shí)間等要素)。

        (2)計(jì)算Pa、P、R中,前期影響雨量Pa起始日期可設(shè)定久旱之后某個(gè)時(shí)刻,距離本場(chǎng)洪水降水開始時(shí)刻越長(zhǎng)越好,一般可設(shè)置1個(gè)月或者2個(gè)月之前,其中K值去0.93(以前方案中為0.90),而Im取值120(以前方案中為110)。面雨量P計(jì)算方法即為方案構(gòu)建時(shí)定義的方法,一般為泰森多邊形計(jì)算方法。場(chǎng)次洪水徑流深R根據(jù)計(jì)算公式為

        R=W/1 000 F(mm)

        (3)

        式中:W為預(yù)報(bào)時(shí)間段內(nèi)水庫(kù)入庫(kù)水量除去河道基流量,F(xiàn)為區(qū)間面積(本方案指王快流域的區(qū)間面積)km2。

        3 王快水庫(kù)預(yù)報(bào)方案成果與分析

        3.1產(chǎn)流方案結(jié)果與分析

        產(chǎn)流方案中的降雨徑流相關(guān)圖的誤差評(píng)定見表1,繪制的降雨徑流相關(guān)圖見圖3,有30場(chǎng)洪水合格,有6場(chǎng)不合格,其中計(jì)算單位線的二場(chǎng)洪水全部合格。對(duì)于不合格場(chǎng)次洪水分析如下:

        圖3 王快水庫(kù)流域降雨徑流相關(guān)圖

        (1)19560803號(hào)洪水前還有一次降雨,造成前期雨量較大,但是前一次降雨產(chǎn)流很少,使得此次降雨的計(jì)算徑流R偏大。

        (2)19780728,19880730,20040814號(hào)洪水造成不合格的因素差不多相同,都是降雨為局部暴雨形成,前期比較干旱,三場(chǎng)洪水的降雨歷時(shí)時(shí)間比較長(zhǎng),導(dǎo)致計(jì)算R偏大。特別是19880730雨量最大的阜平,新房距離王快有比較近,20040814號(hào)洪水雨量最大的下莊,龍泉關(guān),砂窩位于中下游,都導(dǎo)致計(jì)算徑流r偏大。

        (3)19940707號(hào)洪水前期土壤比較干旱,造成計(jì)算徑流偏小

        (4)19950718號(hào)洪水前有一次較大降雨,產(chǎn)流不多,是得此次降雨的Pa偏大,同時(shí),起漲點(diǎn)比較低,考慮前期土壤還是比較干旱。

        3.2匯流方案結(jié)果與分析

        本次方案匯流部分仍沿用單位線,單位線是指[5],在給定的流域上,單位時(shí)段內(nèi)均勻降落單位深度的地面凈雨,在流域出口斷面形成的地面徑流過(guò)程線,稱為單位線。利用中國(guó)洪水系統(tǒng)求出的凈雨及實(shí)測(cè)的流量過(guò)程,求出王快流域的1996年和2000年兩條單位線。在原方案的基礎(chǔ)上增加了2000年單位線,修訂結(jié)果見圖4。第一條是根據(jù)1996年8月上旬洪水推得的3 h單位線,暴雨中心在下莊,洪峰滯時(shí)9 h。第二條是根據(jù)2000年8月洪水推得的3h單位線,暴雨中心在橋南溝,洪峰滯時(shí)3 h。

        圖4 王快水庫(kù)1996年和2000年單位線

        4 結(jié)語(yǔ)

        (1)人類活動(dòng)引起流域的下墊面變化,對(duì)流域的產(chǎn)匯流特性存在影響,應(yīng)用中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)建立的預(yù)報(bào)方案,具有一定的靈活性,特別是面雨量的計(jì)算,可以根據(jù)需要增減雨量站,變換雨量站的權(quán)重,極大地方便了面雨量的計(jì)算,對(duì)于預(yù)報(bào)工作有一定的積極作用。

        (2)從方案評(píng)定的結(jié)果來(lái)看,方案的檢驗(yàn)合格率達(dá)到83%,可用于實(shí)時(shí)的洪水預(yù)報(bào)作業(yè)中,該系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)王快流域提高洪水預(yù)報(bào)的時(shí)效性和加快預(yù)報(bào)手段向現(xiàn)代化發(fā)展有積極的意義。

        (3)加強(qiáng)對(duì)歷史洪水的分析、總結(jié)、掌握流域的暴雨洪水特性,加強(qiáng)對(duì)模型的學(xué)習(xí)與研究,運(yùn)用好中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng),提高洪水的預(yù)報(bào)精度。

        表1 王快水庫(kù)降雨徑流相關(guān)因素及預(yù)報(bào)誤差評(píng)定表 mm

        備注:(1)全流域產(chǎn)流;(2)資料系1956-2012年的資料。(3)產(chǎn)流深預(yù)報(bào)的允許誤差采用實(shí)測(cè)值的20%,當(dāng)允許誤差>20 mm時(shí),以20 mm為上限,允許誤差<3 mm,以3 mm為下限。

        [1]章四龍. 洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)踐[M].北京:中國(guó)水利水電出版社.2006.

        [2]水利部海河水利委員會(huì). 海河流域?qū)嵱盟念A(yù)報(bào)方案[R].天津:水利部海河水利委員會(huì)水文局.1996.

        [3]水利部海河水利委員會(huì).海河流域下墊面變化對(duì)洪水影響研究[R].天津:水利部海河水利委員會(huì)水文局.2009.

        [4]趙本龍,張強(qiáng).沙河流域王快水庫(kù)上游水文要素特征分析[J].海河水利.2009(3):34-36.

        [5]包為民.水文預(yù)報(bào)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社.2007.

        2016-03-14

        王玲(1983-),女,山西長(zhǎng)治人,工程師,主要從事水文水資源方面的工作。

        TV122+.1

        B

        1004-1184(2016)04-0189-03

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