梁國(guó)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(yáng) 110000)

洪水預(yù)報(bào)是防洪減災(zāi)最重要的非工程措施之一,準(zhǔn)確的洪水預(yù)報(bào)成果更是防洪調(diào)度決策的依據(jù)。洪水預(yù)報(bào)方案的制定一直是專家學(xué)者研究的重點(diǎn)[1-11]。然而,受人類活動(dòng)尤其是已建水利工程的影響,北方地區(qū)的洪水預(yù)報(bào)成果精度較低[12-16]。目前,考慮水利工程影響的洪水預(yù)報(bào)方法主要有兩種:一是基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的多元回歸分析法,即通過(guò)選取水文氣象要素和洪水的特征要素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,建立回歸模型進(jìn)行洪水預(yù)報(bào);二是基于水文模型的洪水預(yù)報(bào)方法,即在水文模型中增加考慮水利工程影響的模塊,通過(guò)設(shè)置相關(guān)參數(shù)來(lái)量化水利工程的影響。方法一將水利工程運(yùn)行對(duì)洪水過(guò)程的影響進(jìn)行簡(jiǎn)單描述[17-18],雖使用方便,但缺乏機(jī)理機(jī)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(shí)需要大量的水利工程運(yùn)行數(shù)據(jù)[19-21],這也是應(yīng)用的難點(diǎn)所在。

事實(shí)上,流域上游的大部分水利工程以無(wú)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(chǎng)次降雨量有一定的關(guān)系,能否準(zhǔn)確地描述蓄泄關(guān)系,是洪水預(yù)報(bào)精度高低的關(guān)鍵。鑒于此,以桓仁水庫(kù)以上流域?yàn)檠芯繀^(qū),基于聚合水庫(kù)的方法,研究了桓仁水庫(kù)的調(diào)蓄規(guī)律,建立了聚合水庫(kù)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(kù)洪水預(yù)報(bào)方法,以期為水庫(kù)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(bào)方法

1.1 聚合水庫(kù)劃分方式

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

1.2 聚合水庫(kù)蓄泄曲線

水利工程運(yùn)行對(duì)洪水過(guò)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(kù)處于空庫(kù)狀態(tài),此時(shí)水庫(kù)主要發(fā)揮攔蓄作用;隨著降雨的繼續(xù),水庫(kù)逐漸蓄滿,此時(shí)水庫(kù)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(rùn),水庫(kù)處于滿庫(kù)狀態(tài),為保證水庫(kù)安全運(yùn)行,需增加下泄量,此時(shí)水庫(kù)主要發(fā)揮泄流作用。基于此,聚合水庫(kù)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(kù)當(dāng)前時(shí)刻的蓄滿率R(聚合水庫(kù)當(dāng)前時(shí)段的蓄水庫(kù)容與聚合水庫(kù)總庫(kù)容的比值),橫軸表示時(shí)段的蓄泄率S。假設(shè)聚合水庫(kù)的蓄滿率臨界值為Rc,當(dāng)R≤Rc時(shí),聚合水庫(kù)主要發(fā)揮攔蓄作用;當(dāng)R>Rc時(shí),聚合水庫(kù)主要發(fā)揮泄流作用。在場(chǎng)次洪水過(guò)程中,聚合水庫(kù)的蓄泄?fàn)顟B(tài)隨蓄滿率R的變化而變化。

圖1 水庫(kù)蓄泄關(guān)系示意圖

1.2.1 初始蓄滿率計(jì)算

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

(1)

(2)

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

1.2.2 聚合水庫(kù)蓄泄曲線

對(duì)于場(chǎng)次洪水過(guò)程,一般降雨開始時(shí)水庫(kù)的蓄滿率R0≤Rc,聚合水庫(kù)主要發(fā)揮攔蓄作用;隨著降雨的持續(xù),聚合水庫(kù)蓄滿率R逐漸增至Rc;若聚合水庫(kù)的蓄滿率R0>Rc,此時(shí)聚合水庫(kù)發(fā)揮泄流作用。因此,聚合水庫(kù)的蓄泄?fàn)顟B(tài)可以采用公式(3)來(lái)表示。

(3)

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

1.2.3 聚合水庫(kù)的時(shí)段泄流量

每個(gè)聚合水庫(kù)在t時(shí)段的泄流量ΔQi,t采用公式(4)計(jì)算:

(4)

式中Qi,t為t時(shí)段第i個(gè)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(fù)值表示水庫(kù)在該時(shí)段發(fā)揮攔蓄作用。

1.3 聚合水庫(kù)的蓄泄量計(jì)算過(guò)程

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

步驟2根據(jù)公式(1)和公式(2)計(jì)算形成該場(chǎng)次洪水的降雨開始時(shí)刻各聚合水庫(kù)的初始庫(kù)容(即蓄水量,m3) ,vi,0=R0Vi(i=1,2,…,n),Vi為第i個(gè)聚合水庫(kù)的庫(kù)容。

步驟3根據(jù)公式(3)和公式(4)計(jì)算聚合水庫(kù)各時(shí)段的泄流量。當(dāng)時(shí)段t=1(預(yù)報(bào)時(shí)段序號(hào))時(shí),根據(jù)公式(3)計(jì)算聚合水庫(kù)的蓄水率Ss,1或泄流率Sd,1,然后由公式(4)計(jì)算本時(shí)段每個(gè)聚合水庫(kù)的泄流量ΔQi,1,進(jìn)而計(jì)算時(shí)段末(t=1)聚合水庫(kù)的庫(kù)容vi,1(vi,1=vi,0+ΔQi,1ΔT)和時(shí)段末聚合水庫(kù)的蓄滿率R1(R1=v1/V),式中ΔT為洪水預(yù)報(bào)方案的時(shí)段長(zhǎng);當(dāng)時(shí)段t>1時(shí),先計(jì)算時(shí)段產(chǎn)流量,然后采用公式(3)和公式(4)計(jì)算時(shí)段的蓄水率Ss,t或泄流率Sd,t和各個(gè)聚合水庫(kù)的泄流量ΔQi,t,進(jìn)而得到時(shí)段末各個(gè)聚合水庫(kù)的庫(kù)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(shí)段蓄滿率、t時(shí)段聚合水庫(kù)的總庫(kù)容和所有聚合水庫(kù)的總庫(kù)容。

步驟4計(jì)算各個(gè)子流域t時(shí)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(shí)段流量Q′i,t演算至流域出口斷面,通過(guò)線性疊加得到該場(chǎng)次洪水在整個(gè)流域出口斷面的流量過(guò)程。

2 實(shí)例研究

2.1 桓仁水庫(kù)概況

桓仁水庫(kù)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(kù)控制流域面積為10 400 km2,總庫(kù)容為34.6 億m3,防洪庫(kù)容為12.6 億m3。桓仁水庫(kù)以上流域多年平均降水量為860 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(chǎng)次洪水過(guò)程線以單峰型為主,場(chǎng)次洪水過(guò)程一般持續(xù)9 d左右,3 d洪量占一次洪水過(guò)程洪量的80%,場(chǎng)次洪水具有陡漲陡落的特點(diǎn)。自20世紀(jì)90年代以來(lái),桓仁水庫(kù)上游修建了大量的中小型水庫(kù),其分布位置如圖2所示。其中,中型水庫(kù)6座,小型水庫(kù)41座,總興利庫(kù)容(死庫(kù)容至堰頂高程之間的庫(kù)容)2.44億m3。水利工程的修建與運(yùn)行改變了流域的產(chǎn)流和匯流特性,降低了桓仁水庫(kù)原洪水預(yù)報(bào)方案的精度[16],影響了水庫(kù)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(kù)洪水預(yù)報(bào)方法研究。

圖2 水庫(kù)上游水利工程分布及子流域劃分

2.2 桓仁水庫(kù)以上流域聚合水庫(kù)劃分

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

表1 研究區(qū)各子流域?qū)?yīng)的聚合水庫(kù)庫(kù)容

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

2.3.1 流域水文預(yù)報(bào)模型選擇

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

2.3.2 聚合水庫(kù)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(kù)以上流域未新建中小型水庫(kù),為保持資料的一致性,選取桓仁水庫(kù)以上流域2005年以后的20場(chǎng)歷史洪水資料進(jìn)行模擬,分析水利工程對(duì)流域洪水過(guò)程的影響。其中,前14場(chǎng)洪水用于模型參數(shù)率定,后6場(chǎng)洪水用于模型參數(shù)檢驗(yàn)。通過(guò)率定得到聚合水庫(kù)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(kù)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(chǎng)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(yàn)期合格率從83.3%增至100.0%;20場(chǎng)洪水的平均相對(duì)誤差由13.7%降至9.4%。

當(dāng)聚合水庫(kù)初始蓄滿率R0小于0.8時(shí),聚合水庫(kù)主要發(fā)揮攔蓄作用,當(dāng)聚合水庫(kù)初始蓄滿率R0大于等于0.8時(shí),聚合水庫(kù)此時(shí)主要發(fā)揮泄流作用。洪號(hào)為20100808、20100819和20100826的3場(chǎng)次洪水發(fā)生時(shí)各聚合水庫(kù)的初始蓄滿率R0均大于0.8,各聚合水庫(kù)主要發(fā)揮泄流作用,產(chǎn)流量變大。其他場(chǎng)次的洪水發(fā)生時(shí)各子流域?qū)?yīng)的聚合水庫(kù)的初始蓄滿率R0均小于0.8,聚合水庫(kù)表現(xiàn)為攔蓄作用,產(chǎn)流量變小;但場(chǎng)次洪水模擬過(guò)程后期各聚合水庫(kù)處于攔蓄還是泄流狀態(tài),需根據(jù)降雨量進(jìn)行判斷?？傮w而言,水利工程對(duì)洪水過(guò)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(bào)值更接近實(shí)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(yàn)期20場(chǎng)洪水的峰值流量和峰現(xiàn)時(shí)間不合格場(chǎng)次數(shù)量由4場(chǎng)降為1場(chǎng),率定期合格率從81.3%提高至87.5%,檢驗(yàn)期合格率從83.3%提高至100.0%;20場(chǎng)洪水中洪峰流量的模擬值與實(shí)測(cè)值的平均相對(duì)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(bào)洪峰流量基本都變小了。當(dāng)流域前期降雨量少、下墊面較為干旱、水利工程蓄水較少時(shí),聚合水庫(kù)對(duì)洪水過(guò)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(duì)洪量和洪峰流量的影響變小,特別是對(duì)小洪水影響更大,如圖3(a)和圖3(b)所示的洪號(hào)分別為20060826和20080731的洪水;當(dāng)前期降雨量較多、下墊面較為濕潤(rùn)、水利工程蓄水較多時(shí),聚合水庫(kù)對(duì)洪水過(guò)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(duì)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(hào)分別為20100808和20100826的洪水。圖3中,橫坐標(biāo)為時(shí)段序號(hào),相鄰時(shí)段間隔為6 h。

圖3 典型場(chǎng)次洪水模擬結(jié)果對(duì)比圖

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)受桓仁水庫(kù)以上流域水利工程影響導(dǎo)致的洪水預(yù)報(bào)精度偏低問(wèn)題,本文基于聚合水庫(kù)思想,建立了考慮上游水利工程影響的桓仁水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)模型,給出了聚合水庫(kù)的蓄泄量計(jì)算步驟,并利用2005年以后的洪水資料率定了聚合水庫(kù)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(duì)于場(chǎng)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(kù)的思想研究桓仁水庫(kù)的洪水預(yù)報(bào)方案是可行的。

2)當(dāng)前期降雨少、下墊面較為干旱時(shí),由于水利工程蓄水較少,聚合水庫(kù)對(duì)洪水過(guò)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(duì)洪量和洪峰流量的影響變小;當(dāng)前期降雨量較多、下墊面較為濕潤(rùn)、水利工程蓄水較多時(shí),聚合水庫(kù)對(duì)洪水過(guò)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(duì)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(lái)描述聚合水庫(kù)對(duì)洪水過(guò)程的影響,基本能反映水利工程對(duì)洪水過(guò)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(lái)描述不同調(diào)節(jié)性能的水利工程的蓄放規(guī)律可能無(wú)法完全反映實(shí)際的洪水過(guò)程,后續(xù)有待收集更多的資料開展進(jìn)一步的研究。