曹舒燕

(上海涇欣工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，上海 虹口 200000)

1 研究背景

水庫洪水預(yù)報(bào)能夠讓人們及時(shí)掌握水庫控制流域內(nèi)的水情和雨情信息，并根據(jù)水、雨情信息對(duì)將來水庫的出庫洪水及庫水位等過程進(jìn)行分析，及時(shí)做出安全防護(hù)措施。對(duì)中小型水庫而言，做好其洪水預(yù)報(bào)的工作能很大程度上減輕水庫的負(fù)擔(dān)。由氣象部門提供的預(yù)報(bào)降雨，提前預(yù)報(bào)入庫洪水過程，可以提前開閘放水，減少潰壩等問題[1]。由于中小型水庫在以前缺少系統(tǒng)管理，實(shí)測(cè)水情資料缺乏，且大多位于山丘區(qū)，雨量站、水文站等比較少，無法準(zhǔn)確對(duì)其進(jìn)行入庫洪水預(yù)報(bào)[2]。通過水庫洪水預(yù)報(bào)，可以獲取水庫未來一段時(shí)間內(nèi)的來水總量、洪峰流量和洪峰出現(xiàn)時(shí)間等信息[3]。以往水庫在汛期都面臨庫水位超汛限、潰堤等問題，通過水庫洪水預(yù)報(bào)的來水進(jìn)行提前防護(hù)可以幫助水庫在汛期安全度汛，因此預(yù)報(bào)結(jié)果的可靠性、預(yù)見期的有效長(zhǎng)度及預(yù)報(bào)精度的高低直接關(guān)系到洪水調(diào)度方案的制定與執(zhí)行。

近幾年，隨著天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)及洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)等的不斷改進(jìn)、完善，可以更加及時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)降雨量、入庫流量、峰現(xiàn)時(shí)間等。提前做好精準(zhǔn)的洪水預(yù)報(bào)，及時(shí)運(yùn)用防洪設(shè)施做好防洪準(zhǔn)備，在較大洪水來之前開閘提前下泄，為未來洪水留出一定的防洪庫容；在洪水不大時(shí)，攔蓄一定水量，能夠做好灌溉調(diào)度。這樣就充分利用洪水資源，解決了原來水庫防洪與興利之間的矛盾[4～6]。目前，氣象部門發(fā)布的降雨預(yù)報(bào)越來越準(zhǔn)確，洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)根據(jù)預(yù)報(bào)降雨輸出得到較準(zhǔn)確的入庫洪水。降雨預(yù)報(bào)和洪水預(yù)報(bào)是水庫抗暴雨能力的基礎(chǔ)，做好降雨預(yù)報(bào)和入庫洪水預(yù)報(bào)就能更好地計(jì)算中小水庫抗暴雨能力，進(jìn)而做好防洪泄洪準(zhǔn)備，盡可能防止水庫超設(shè)計(jì)洪水位可能引起的潰決，能有效減少洪澇災(zāi)害帶來的人身安全和經(jīng)濟(jì)損失的威脅[7]。

2 研究區(qū)概況

方便水庫位于南京市溧水區(qū)東部的低山丘陵區(qū)，是秦淮河支流二干河的上游。庫區(qū)周邊地形起伏不大，以平原和丘陵山區(qū)為主，東蘆山、湫湖山、雙尖山等是庫區(qū)周邊主要山體，海拔高度200～270 m，山脊線起伏不大。水庫匯水區(qū)域?yàn)樯角饏^(qū)，其集水面積為77.1 km2，干流長(zhǎng)度為16.86 km，干流比降為0.0023。方便水庫壩頂高程31.70 m，壩頂寬6.60 m，壩長(zhǎng)1077 m，水庫溢洪閘為3孔×2.5 m，閘底高程23.00 m，總庫容4900萬m3，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)是50年一遇，校核洪水標(biāo)是千年一遇。

方便水庫位于溧水東北部，所屬秦淮河流域。二干河為秦淮河南源溧水河的主要支流，流域面積254 km2，約占溧水河流域面積680 km2的37.4%、秦淮河流域面積2631 km2的9.7%。二干河從方便水庫起至溧水河，全長(zhǎng)26.0 km。二干河流域涉及江寧區(qū)、溧水區(qū)及句容市，具體見圖2.1，其中：方便水庫～溧水區(qū)東屏鎮(zhèn)大仁山附近，河道長(zhǎng)度15.46 km，兩岸均屬溧水區(qū)東屏鎮(zhèn)；大仁山～茅公渡附近，河道長(zhǎng)度2.37 km，兩岸為句容市郭莊鎮(zhèn)；公渡～共和漁場(chǎng)，河道長(zhǎng)度8.17 km，河道左岸為溧水區(qū)柘塘鎮(zhèn)，右岸為江寧區(qū)湖熟鎮(zhèn)。

二干河流域大致呈長(zhǎng)邊為西北～東南向矩形狀，長(zhǎng)約33 km，寬5～10 km。流域地形總體上位東南部高，向西北方向地勢(shì)逐漸降低，最高峰為溧水區(qū)東廬山海拔274 m，山丘區(qū)約為207.12 km2，占總面積的81.5%，主要分布在流域東南部以及東北、西南兩側(cè)的分水嶺附近區(qū)域。沿二干河兩側(cè)的平原圩區(qū)面積共約46.88 km2，占總面積的18.5%，地面高程7.0～10.5 m，主要分布在南山閘以下；南山閘以上河道兩岸地面高程一般在11.1～13.0 m，圩區(qū)面積較小，呈零星分布狀，堤防與地面高差不大；和尚橋以上無明顯堤防，屬自然漫溢區(qū)域。

3 新安江模型

20世紀(jì)60、70年代趙人俊教授帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)研究并提出了新安江模型[8]，首次將地區(qū)產(chǎn)流分為濕潤(rùn)地區(qū)產(chǎn)流和干旱地區(qū)產(chǎn)流，認(rèn)為在濕潤(rùn)地區(qū)主要以蓄滿產(chǎn)流為主，而干旱地區(qū)主要以超滲產(chǎn)流為主，推翻了以往傳統(tǒng)的概念性水文模型。新安江模型最先應(yīng)用于新安江流域[9]，驗(yàn)證了在濕潤(rùn)和半濕潤(rùn)地區(qū)的適用性，該模型也從此在國(guó)內(nèi)被廣泛應(yīng)用。

本文采用三水源的新安江模型，這里的三水源是指徑流分為地表徑流、壤中流和地下徑流[10]。該模型將所研究流域劃分為不透水面積和透水面積，其中不透水面積上產(chǎn)生的徑流為地表徑流，而在透水面積上產(chǎn)生的徑流有地表徑流、壤中流和地下徑流。一般將城市路面、水面等[11]可以直接產(chǎn)流的區(qū)域稱為不透水面積，由于不透水面積的產(chǎn)流在中小流域中一般影響不大，故可忽略不計(jì)。

由于降雨時(shí)空分布不均和下墊面條件不同，故新安江模型將其結(jié)構(gòu)分為蒸散發(fā)計(jì)算、產(chǎn)流計(jì)算、分水源計(jì)算和匯流計(jì)算4個(gè)層次。

表1 新安江模型各層次結(jié)構(gòu)功能、計(jì)算采用的方法和相應(yīng)參數(shù)

4 數(shù)據(jù)收集及分析

降雨、蒸發(fā)、水位和出庫流量數(shù)據(jù)均取于江蘇省水文局實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫，采用2013～2018年系列數(shù)據(jù)。降雨是逐小時(shí)數(shù)據(jù)，方便水庫流域面雨量的計(jì)算按泰森多邊形的方法來計(jì)算。蒸發(fā)采用逐日數(shù)據(jù)，可以將逐日蒸發(fā)數(shù)據(jù)平均至逐小時(shí)；出庫流量是溢洪閘的泄流量，由于灌溉流量太小故忽略不計(jì)。入庫流量是根據(jù)水位庫容曲線推求的，但是反推入庫流量由于水位的上下波動(dòng)會(huì)出現(xiàn)負(fù)值、跳動(dòng)值等，本文采用滑動(dòng)平均的方法對(duì)其進(jìn)行處理，處理過程保持總水量不變，洪峰值保持不變，使鋸齒處盡可能平滑。

5 次洪分析

根據(jù)降雨、水位及反推入庫流量挑選典型場(chǎng)次進(jìn)行分析。此次洪水場(chǎng)次共選取8場(chǎng)洪水，以降雨量大且水位變化大為原則選擇洪水場(chǎng)次，8場(chǎng)洪水場(chǎng)次累計(jì)降雨量介于86.5～251 mm，降雨歷時(shí)介于20～68 h。

6 洪水預(yù)報(bào)率定及驗(yàn)證

選擇2013～2018年的水文數(shù)據(jù)資料，入庫流量由出庫流量及庫容曲線反推得到，將其與模擬過程進(jìn)行對(duì)比分析。以2013～2016年作為率定期，2017～2018年作為驗(yàn)證期。率定結(jié)果見表2和圖1。

表2 方便水庫新安江模型參數(shù)率定結(jié)果

選擇時(shí)間段在2013年7月4日～2013年7月10日、2014年7月4日～2014年7月9日、2014年8月31日～2014年9月5日、2015年6月26日～2015年7月4日、2016年6月30日～2017年7月5日和2016年7月5日～2017年7月15日的六場(chǎng)典型洪水進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果見圖1。

圖1 洪率定結(jié)果

選擇時(shí)間段在2017年6月10日～2017年6月15日、2018年8月17日～2018年8月19日、2018年7月5日～2018年7月8日的三場(chǎng)洪水做驗(yàn)證，其驗(yàn)證結(jié)果見圖2。

圖2 驗(yàn)證結(jié)果

2013～2018年洪水場(chǎng)次模擬誤差統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 2013～2018計(jì)算與實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)

由表3可知，預(yù)報(bào)流量和由實(shí)測(cè)出庫流量反推的入庫流量的相對(duì)誤差在-9.91%～14.27%，均小于20%；峰現(xiàn)時(shí)間差值由表看出都不超過3 h；確定性系數(shù)在0.622～0.872之間。此次預(yù)報(bào)的確定性系數(shù)的均值為0.710，模擬精度較高。

6 結(jié)論

基于方便水庫流域基本參數(shù)構(gòu)建新安江洪水預(yù)報(bào)模型，結(jié)合水情數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬、驗(yàn)證，驗(yàn)證新安江模型在方便水庫的適用性，得到以下結(jié)論：

(1)對(duì)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行模擬、驗(yàn)證。預(yù)報(bào)流量和由實(shí)測(cè)出庫流量反推的入庫流量的相對(duì)誤差在-9.91%～14.27%，均小于20%；峰現(xiàn)時(shí)間差值由表看出都不超過3 h；確定性系數(shù)在0.622～0.872之間。表明新安江模型對(duì)流量的模擬精度較高。

(2)模擬的典型洪水場(chǎng)次實(shí)測(cè)入庫流量和模擬入庫流量平均相對(duì)誤差為1.24%，確定性系數(shù)的平均值為0.710，模擬精度較高，表明本文構(gòu)建的新安江模型適用于方便水庫的入庫洪水預(yù)報(bào)。