柏叶口水库洪水预报方案

2011-04-14吴楠

山西水利科技 2011年3期

吴楠

（山西省柏叶口水库建设管理局太原 030002）

柏叶口水库是列入国家“十一五”水库建设规划的项目，也是山西省重点建设的水源项目之一。柏叶口水库位于山西省吕梁市交城县的文峪河干流上，水库总库容9 712万m3。最大坝高88.3 m，以坝最低趾板底为相对高程的零点计算，正常蓄水的相对高程为83.0 m，防洪限制水位为78.0 m。坝顶相对高程为88.3 m。水库是以防洪、城市及工业供水、灌溉为主，兼顾发电、养殖等综合利用的中型水库。水库建成后，将会对当地产生显著的经济效益和社会效益。通过与文峪河水库联合运用，既可大大缓解本地区城市生活及工业用水的矛盾，同时，也可改善柏叶口至文峪河水库区间河道水生态环境，向文峪河水库下游提供0.51 m3/s生态基流，对文峪河水库下游河道生态环境将起到积极的改善作用。为了施工安全度汛以及建成后更好地发挥水库效益，合理地利用水资源，科学有效地进行水库调度管理，建立洪水实时预报系统是十分必要的。

1 柏叶口水库上游产汇流自然条件

柏叶口水库位于交城县会立乡柏叶口村上游的文峪河干流上，其坝址以上有两大支流中西河和葫芦河，发源于交城县西北关帝山，控制流域面积875 km2，流域为扇形状，支沟较为发达，流域内以变质岩为主，主河道两侧为第四纪冲洪积物覆盖。两侧山间林木茂密，以天然针叶林为主，林地边缘杂灌丛生，相比较而言，葫芦河主河道较中西河宽阔，葫芦河流域植被覆盖率较低。水库所在区域属温凉半湿润气候区，海拔高、气温低、雨量充沛、水草丰盛、森林茂密，是山西省最大的森林区，从岔口站系列资料分析，本流域径流充沛，四季基流不断。其洪水由暴雨形成，多发于汛期，由于汇流坡度较陡，洪水陡涨陡落，洪水过程线多表现为尖瘦型。

2 模型选择

2.1 水文模型的选择

柏叶口水库洪水预报应采用降雨径流途径，即根据全流域实时降雨过程预报进入柏叶口水库的洪水过程，从降雨到洪水需经历流域产流、流域汇流、河道汇流、水库调节等几个中间环节，每个环节都有多种备选的确定性概念模型供选择，选择是否合理将影响预报结果的精度。

确定性概念模型是根据水文循环概念，采用合理推理和科学概化方法，对流域水文现象的各个具体环节进行数学模拟，建立一系列数理方程组用以模拟流域系统的径流输出。模型包括模型结构和模型参数两部分。前者是指降雨径流过程中产流、汇流各主要阶段水文物理现象之间数学模拟的推演关系和概念特点。它由一系列的物理方程、简化物理方程和数学函数与逻辑判断组成。模型参数则是区别不同流域水文特征的一组待定常数，一般分为三类：一是具有确定物理意义，可用量测或物理实验与物理关系推求的参数；二是具有一定物理意义，可以介定其值域的半经验参数；三是纯经验性参数。模型结构确定后，以流域已有的降雨、径流蒸发资料为输入，在固定第一类参数的前提下，用系统分析方法，以模拟洪水总量、洪峰、峰现时间误差最小和确定性系数最大为目标函数，分析定量第二、三类参数。这一过程称为参数的率定和识别。

2.2 流域产流模型的选择

世界气象组织（WMO）先后两次从世界范围内的不下百种流域水文模型中选出部分具有代表性的模型进行过统一标准的检验。水利部水文局1992年对国内的流域水文模型做过类似检验。所得结论基本相同，即：

（1）如果流域位于湿润地区，就不必过于挑选模型，因为在这样的流域，简单模型与复杂模型可以取得同样的预报效果。但是，对于干旱和半干旱流域，模型需要仔细挑选，这是因为不同类型的模型，其模拟精度在湿润地区较之在干旱、半干旱地区的差异要小些。

（2）对于干旱、半干旱地区，一般说来，显式计算土壤湿度的复杂模型要比隐式计算土壤含水量的简单模型效果好；模拟久旱之后的湿润地区流域径流，也是显式计算土壤含水量模型好。这个结论很重要，因为它表明，当用户不仅要将模型用于湿润状况，而且还要将其用于其他状况时，显式计算土壤含水量的模型就显得具有较大的价值。总之，在久旱或久旱之后，显式计算土壤含水量的模型一般能较好地模拟河川径流。

（3）像Tank模型那样不直接计算土壤含水量的模型，对于流域大小和自然地理特征、气候条件等都具有更好地适应能力与弹性。

（4）在建立模型时，如果资料条件不好，则隐式计算土壤含水量的模型，特别是系统途径（第三类），有可能具有更好地处理这种缺陷的能力，因而较之显式计算土壤含水量的模型可能给出更好的预报结果。

以上4点，引自河海大学李光炽教授2001年计算水力学讲义。

以上结论对指导我们挑选流域水文模型具有现实和指导意义。

WMO的结论和本地区产流机理、特性和预报实践说明，无论是国人创建的模型还是从国外引进的模型，不加改造均难于符合本流域产流机制和特性，预报效果不会理想。因此，我们首选了双超产流模型，它集陕北、新安江、萨克、水箱四个模型中之符合本流域产流机理的部分，加上拓展的可能损失概念和Richards方程入渗新解等科研成果而构成。超渗指雨强大于入渗强度时即产生地表径流，超持指土壤水分超过土壤的持水能力即有壤中流和地下径流产生。双超流域产流模型的物理基础是非饱和土壤水分的运动规律。由于本区域属温凉半湿润气候区，特别是中西河流域很接近蓄满产流，需利用现有资料进行模拟分析，如果精度高，预报方案可将分单元分别采用双超产流模型和新安江模型两种水文模型。

2.3 河道流量演算模型的选择

河道汇流模型大致可以归纳为水力学模型和水文学模型两大类。直接求解圣维南方程组或简化圣维南方程组得出的模型称为水力学模型。它从微观角度出发建立河道洪水波运动的偏微分方程，然后用积分求解一定初、边条件下洪水波在全河段内的宏观运动规律。解决的是由微观到宏观的推断问题。方法的实施需要知道河道众多的水力要素（如水面比降）、边界条件（如断面形状）和参数（如糙率）沿程时变过程资料。在计算机技术没有介入洪水预报领域之前，用之进行具有时效要求的洪水预报作业是不现实的。计算机技术介入之后，这类方法已广泛应用于设计条件下的河道洪水演进计算。应用于天然河道中的洪水预报作业，至少在国内目前尚处在研究尝试阶段，有待地理信息系统的成功介入。上世纪90年代初，圣维南方程组扩散波线性解析解——扩散模拟法被介绍到国内，90年代末，在黄河下游花园口以下变床河段应用成功，我省汾河运城段防洪决策支持系统中也取得满意效果。它有河长、扩散系数和洪水波速三个物理参数，概念明确，理论严谨，应用简便，故柏叶口水库实时洪水预报系统把它列为首选模型。

2.4 流域汇流模型的选择

流域汇流是指流域产生的净雨、壤中流和地下径流如何汇集为出口断面的流量过程。按汇流路径先后分为坡地汇流和河网汇流两个阶段。某一时段内降雨产生的坡面净雨、壤中流和地下径流，通过不同介质界面，或通过坡面调蓄，分时段汇入河网形成河网总入流，视为坡地汇流阶段。某一时刻的河网总入流，再经过河网调蓄，又分成若干时段汇集到出口断面形成出流过程，则为河网汇流阶段。

柏叶口水库实时洪水预报系统使用瞬时单位线方法有一个得天独厚的条件，就是流域内有一个按国家站网规划要求布设的岔口水文站和雨量站网，长达四十多年的雨、洪配套观测资料，可以为分析单元瞬时单位线提供了充分条件。

3 预报方案和参数率定

3.1 预报方案

预报方案是预报模型和方法同预报断面有关的河段和流域特征以及洪水构成的具体结合。按采用的预报模型种类不同可分为四类：经验相关图预报方案、水文模型预报方案、水力学模型预报方案和径流预测方案。柏叶口水库实时洪水预报的任务是由流域实时降雨产流，预报可能进入柏叶口水库的洪水过程。根据流域下垫面属性存在的差异，降雨产流的三个随机性，流域形状和雨量站点分布状况，以及现有预报模型的使用效果与经验，采用水文模型单元产流、汇流法预报方案比较现实合理。即先将流域分成若干个产、汇流计算单元分别计算产流和汇流，得出单元面积的出流过程；然后将单元面积的出流过程按河系串联，从上游依次向下游演算，最后求得进入柏叶口水库的洪水过程。这样，降雨、产流空间的不均匀性，通过分单元予以弱化；河网内各处调节能力的差异则可通过分河段汇流演算的方法予以分段均化。这种分单元、分河段演算的方法，物理概念清楚，有利于提高成果精度。

综合考虑流域特性相近、水系完整、暴雨特性差异不大、便于充分运用流域水文雨量站网资料、每个单元都有代表性雨量站等因素，将柏叶口水库以上流域划分为2个单元，葫芦河单元面积379.8 km2，中西河单元面积495.2 km2。

3.2 模型参数的率定

率定模型参数是根据水文站降雨洪水对应观测记录和上游雨量站相应的暴雨资料，分单元进行率定。模型参数的初值是实测水文资料，分别以次暴雨资料和次洪水资料对全流域进行模拟，比较实测值与计算值，分别率定出流域产流模型、流域汇流模型和河道演算模型的参数。由于流域面积较小产汇流时间短，流域内洪水陡涨陡落，且洪水历时短，因此，率定参数时须把暴雨资料摘录为1 h的时段雨量，对应的洪水也要计算处理成等时段的洪水过程，这样得出的参数大大地提高了模型洪水预报的精度。