楊海燕,陶興玲,蔣金銘,萬 芳

(1.四川省達州水文水資源勘測中心,四川 達州 635000;2.華北水利水電大學水利學院,鄭州 450046)

0 引言

四川省江口水庫位于達州市前河、中河、后河匯口處宣漢縣城,以發(fā)電為主,兼有防洪、灌溉、發(fā)電等功能,為州河流域僅有一定調(diào)蓄能力的水庫,對州河下游城鎮(zhèn)(特別是達州市城區(qū))的防洪安全具有十分重要的作用。同時江口水庫以下人煙稠密,主要有羅江鎮(zhèn)、達州市城區(qū)、達州機場等,而州河為典型的山區(qū)河流,流域暴雨洪水頻繁,城市防洪能力較低,災害嚴重,威脅人民生命財產(chǎn)安全,制約經(jīng)濟發(fā)展。因此,對江口水庫入庫流量預報及水庫調(diào)度的模擬研究,為州河流域水庫的實時洪水調(diào)度提供有力有效的技術支撐,促進水庫的安全經(jīng)濟運行,避免或盡量減少因洪水對人民群眾生命和財產(chǎn)造成的損失,同時,也有利于實現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置。本文基于近期投入使用的“四川省水旱災害防御決策支持系統(tǒng)”,選取州河江口水庫為例,對江口水庫的入庫流量預報及調(diào)度進行動態(tài)模擬研究。

1 水旱災害防御決策支持系統(tǒng)概況

針對流域水旱災害特點和流域水旱災害防御決策指揮需求,近年來四川省水利廳投資建設的新平臺——“四川省水旱災害防御決策支持系統(tǒng)”已于2022年逐步投入使用。該平臺融合了水務及水文等多重模塊,融合了實時雨水情、氣象網(wǎng)格數(shù)值預報、流域洪水預報、動態(tài)洪水風險編制、流域防洪調(diào)度、洪水調(diào)查等內(nèi)容,為進一步分析研判汛情風險、預測災害發(fā)展趨勢及水庫調(diào)度決策指揮提供多層次的信息服務和多種手段支持。

“四川省水旱災害防御決策支持系統(tǒng)”的水文模塊中除了涵蓋原老平臺的雨水情查詢功能外,還添加了預報、調(diào)度、簡報發(fā)布等多重功能模塊。其中“預報調(diào)度”模塊通過在平臺中構建相應的洪水預報模型,結合未來氣象數(shù)值預報,即可預報水庫的入庫流量。在平臺中錄入水利工程基本信息后,便可在入庫流量預報的基礎上實現(xiàn)水庫調(diào)度的動態(tài)模擬。水庫的入庫流量預報及調(diào)度模擬將為流域水旱災害防御工作提供科學的技術支撐,充分發(fā)揮水庫防洪蓄水治澇的能力,為防洪減災和水資源合理利用發(fā)揮重要作用。

2 州河流域及江口水庫概況

2.1 流域概況

州河屬渠江左岸一級支流,上源分前、中、后河三支,均發(fā)源于大巴山南麓,河長310 km,控制流域面積11 165 km2,經(jīng)宣漢、達縣至三匯鎮(zhèn)匯入渠江。前河為主流,發(fā)源于城口縣燕麥鄉(xiāng)光頭山,自東北向西南流,至宣漢縣城附近與后河匯合,主河道長178 km,集水面積2 249 km2;中河發(fā)源于重慶城口縣白芷鄉(xiāng)的白芷山西南,中河流域面積1 402 km2,從源頭至匯合口河長101.5 km;后河起源于萬源市皮窩鄉(xiāng)趙家山下鐵鋪,于宣漢縣城東的江口處與前河相匯,注入州河,集水面積2 987 km2,河長154 km。

州河流域屬亞熱帶濕潤季風氣候,流域多年平均降水量1 308.4 mm。年內(nèi)降水主要集中在5-10月,降水量占全年總降水量的80%以上;而暴雨發(fā)生在7月、9月的概率較大,因此,年內(nèi)變化呈雙峰過程。

徑流在年內(nèi)的變化與降水的年內(nèi)變化相應。5-11月為豐水期,該時段內(nèi)的多年平均徑流量占年徑流量的86.8%;其中7-9月最豐,占年水量的49.5%。暴雨洪水匯流時間短,州河洪水具有陡漲陡落、峰高量大、過程線尖瘦等特點;過程線形狀單峰洪水歷時2～3 d,復峰歷時約5～6 d。

2.2 江口水庫概況

江口水庫樞紐工程系州河干流梯級開發(fā)中的第一級,地處宣漢縣城區(qū)上游,前、后河匯合口下游約300 m州河源頭處,距離達州城區(qū)約51 km,是一座以發(fā)電為主,兼有防洪、灌溉的骨干水利工程。集雨面積6 364 km2,總庫容2.77億m3,有效庫容1.48億m3,調(diào)洪庫容1.33億m3,具有不完全年調(diào)節(jié)性能[1]。

江口水庫擋水和泄水建筑物設計洪水標準為100年一遇,洪峰流量12 500 m3/s;校核洪水標準為1000年一遇,洪峰流量為15 800 m3/s。水庫正常蓄水位330.0 m,設計洪水位330.62 m,校核洪水位332.70 m,主汛期汛限水位327.00 m。

2.3 水文站網(wǎng)分布

水文站網(wǎng)是短期洪水預報的基礎。州河上游分為前河、中河、后河主要三支流,江口水庫位于前河、中河、后河匯口處,前河上有南壩水文站,中河有黃金口水文站,后河有毛壩水文站,以及眾多的雨量監(jiān)測站。截至目前,達州水文中心在江口水庫以上流域基本建成了水情遙測站126處(其中基本水文站4處,中小河流水文站2處,中小河流水位站3處,雨量站117處)。流域水系及站點分布見圖1,站點分布全流域,站網(wǎng)密度大,滿足水庫入庫流量預報需求。

圖1 江口水庫所在流域水系及水文站網(wǎng)分布

3 河系預報方案

3.1 預報方案構建

河系預報主要為江口水庫以上流域支流各主要控制站點逐級演算至江口水庫處,并疊加區(qū)間流量過程得到江口電站的入庫流量。其中,河系方案中各一級預報站點及區(qū)間來水采用新安江三水源蓄滿產(chǎn)流模型(SMS_3)和三水源滯后演算模型(LAG_3),各站點逐級演算采用馬斯京根河道流量演算法[2]。

本次方案主要借用“中國洪水預報系統(tǒng)”分別率定前、中、后河各支流控制站點南壩、黃金口、毛壩三個基本水文站(即本河系預報方案中一級預報站點)的新安江模型和馬斯京根河道演算各參數(shù),區(qū)間方案參數(shù)借用本流域具有相似流域下墊面條件站點已率定的新安江模型參數(shù),再通過“四川省水旱災害防御決策支持系統(tǒng)”平臺中“預報調(diào)度”模塊構建江口水庫的河系方案。河系預報方案概化圖見圖2。

圖2 江口水庫河系預報方案

3.2 預報方案檢驗

由于江口水庫沒有長系列實測水文資料,本次無法對該方案進行檢驗評定,故只對本河系預報方案中一級預報站點的新安江模型方案進行檢驗評定,檢驗評定見表1。檢驗評定表明,各一級預報站的方案精度均可達到乙級以上。

表1 基本水文站新安江模型方案檢驗評定

本次河系預報方案依據(jù)《水文情報預報規(guī)范》(GB/T 22482-2008),利用江口水庫的多場次實測洪水入流過程對預報方案進行檢驗后再做精度評定[3]:方案精度達乙級以上,可做預報及滾動預報使用。

4 預報調(diào)度模擬應用實踐

4.1 洪水概述

4.1.1 2021年“8·29”洪水

2021年8月28～29日,達州轄區(qū)普降大到暴雨、局部大暴雨,本次暴雨時空分布較均勻,持續(xù)時間較長,暴雨中心主要集中在萬源市、宣漢縣、達川區(qū)、開江縣一帶;最大1h雨量為22.0 mm,最大日雨量為215.0 mm(28日);最大過程雨量為293.0 mm。受暴雨影響,28～29日,達州轄區(qū)境內(nèi)各干支流發(fā)生了不同程度的洪水過程。其中:江口水庫以上各支流發(fā)生較大洪水過程,其最大入庫流量8 600 m3/s,最高庫水位超汛限水位2.55 m。

4.1.2 2022年“10·5”洪水

2022年10月4～6日,達州市普降大到暴雨、局部大暴雨。暴雨中心主要集中在達川區(qū)、萬源市、宣漢縣、通川區(qū)一帶,暴雨時間主要集中在4日0時至6日8時。達州轄區(qū)最大過程雨量為298.0 mm,最大日雨量為170.5 mm(4日),最大1 h雨量為4日16時35.0 mm。受強降雨影響,江口水庫以上河流發(fā)生了一次一般洪水過程,江口水庫最大入庫流量4 800 m3/s,最高庫水位超汛限水位2.39 m。

4.2 水庫預報調(diào)度模擬

根據(jù)渠江流域洪水預報多年經(jīng)驗,本文模擬實際預報過程,以檢驗方案預報調(diào)度是否合理可用,故預報時間為降雨開始后、各一級預報站點未出洪峰之前?！八拇ㄊ∷禐暮Ψ烙鶝Q策支持系統(tǒng)”平臺的具體操作流程為:首先,用“預報調(diào)度”中“預見期降雨設置”模塊獲取未來氣象數(shù)據(jù),同時,可對氣象數(shù)據(jù)進行人工修正,并保存雨量方案;其次,在“預報調(diào)度”模塊中選擇已構建好的“江口水庫”的河系方案,在獲取雨量方案及其他數(shù)據(jù)后進行作業(yè)預報,同時,可根據(jù)實際情況對預報結果進行檢查和人工修正;最后,在江口水庫入庫流量預報結果的基礎上,通過模擬不同的出庫方式,來演算水庫入庫流量、水庫水位等變化。

江口水庫動態(tài)模擬中,“8·29”洪水以2021年8月28日22時為預報依據(jù)時間,“10·5”洪水以2022年10月4日20時為預報依據(jù)時間,前期預熱期為30 d,預見期時段長為24個時段。利用已構建的江口水庫河系預報方案,在獲取未來氣象數(shù)值天氣數(shù)據(jù)的前提下,進行江口水庫的入庫流量預報。為了檢驗水庫調(diào)度模擬是否與實際過程相符,本次的出庫流量模擬按照實際出庫流量設置,“8·29”“10·5”入庫流量及水庫調(diào)度動態(tài)模擬見表2、表3。

表2 “8·29”洪水江口入庫流量及水庫調(diào)度動態(tài)模擬

表3 “10·5”洪水江口入庫流量及水庫調(diào)度動態(tài)模擬

由江口水庫入庫流量及水庫調(diào)度動態(tài)模擬結果分析:入庫流量動態(tài)模擬中洪峰預見期可達7～10 h,入庫洪峰流量數(shù)值誤差小于5%,時間誤差為1h,誤差滿足預報要求;同時,在入庫流量過程預報結果的基礎上,根據(jù)實際出庫流量模擬得到的江口水庫水位動態(tài)變化過程與實際水位過程較吻合,效果良好。

5 結語

準確可靠的水庫入庫流量及調(diào)度動態(tài)模擬,可為及時、科學的水庫群聯(lián)合調(diào)度提供有力的技術支撐,以達到削減洪峰流量、降低洪峰水位、實現(xiàn)水庫精細化調(diào)度、水資源科學配置等最終目的?；凇八禐暮Ψ烙鶝Q策支持系統(tǒng)”平臺建立的江口水庫河系預報方案,實現(xiàn)了江口水庫的入庫流量預報及水庫調(diào)度進行動態(tài)模擬,為水庫的實時洪水調(diào)度提供數(shù)據(jù)支撐及直觀的圖形顯示,為類似水庫的入庫流量預報調(diào)度提供參考?；凇八禐暮Ψ烙鶝Q策支持系統(tǒng)”平臺模擬未來水情信息時,對未來數(shù)字天氣預報依賴程度較高;同時,該方法須基于已率定好模型參數(shù)的基礎上構建方案,因此,須在構建河系方案前做大量的模擬檢驗率定工作,以得到較高預報精度方案參數(shù)。