降雨径流预报方法在两江水电站的应用

刘建军，黄建辉，王成雄，张永胜

（1.吉林省吉能电力有限公司两江分公司，吉林安图133600；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021）

1 基本概况

降雨径流预报是根据流域内一次降雨过程，通过降雨径流关系计算产流量，然后采用经验单位线计算汇流，从而得到流域出口断面流量过程的预报方法。降雨径流预报考虑了流域产、汇流的物理成因，更侧重于响应系统的黑箱子综合因素，方法简便实用，精度较高，在实际预报中得到广泛的应用。

两江水电站地处吉林省安图县两江镇境内，坝址位于二道松花江与富尔河汇合口以上18 km处，坝址以上控制流域面积2970 km2。坝址多年平均径流量12.08亿m3，水库总库容2.105亿m3，属不完全年调节水库。

两江水电站水情自动测报系统于2000年建成并投入运行，系统现配置有新安江洪水预报模型。2010年、2013年本流域特大洪水发生后，在运行中发现新安江模型洪水预报精度不高，缺少与其它预报方案的相互检验印证，难以为水库防洪调度提供可靠依据。因此，分析制定两江水电站降雨径流预报方案进行水库洪水预报是十分迫切的。降雨径流预报是采用降雨、前期影响雨量和产流量三变数的经验相关图法进行产流量预报，并在产流量预报基础上由经验单位线法预报流量过程。预报计算流程见图1。

图1 预报计算流程图

2 产流方案

2.1 产流方式分析

二道松花江流域地处我国北方湿润和半湿润地区，雨量充沛，流域多年平均降雨量682.4 mm，且主要集中在汛期；流域内植被良好，覆盖率高，表土的下渗能力强，壤中流和地下径流丰富，且一次洪水过程多呈现涨洪陡、落洪缓的形式；一次降雨过程的总产流量主要决定于前期土湿和降雨量的多少。经综合分析，两江水电站以上流域以蓄满产流为主。

根据两江水电站所在流域内的河流分布及水文站网分布情况，选定两江水电站入库断面作为洪水预报控制断面，有效预见期为6 h。

2.2 产流参数计算

1）流域平均降雨量。流域平均降雨量采用泰森多边形法计算，其计算公式为：

P=ΣKiPi

式中：P——流域平均降雨量，mm；Ki——面积权重系数，Ki=fi/F；Pi——单站降雨量，mm。

泰森多边形法面积权重系数成果见表1。

表1 泰森多边形法面积权重系数成果表

2）流域最大蓄水量。流域最大蓄水量（Im）是指在降雨前，土壤含水量很小或接近于零，发生较大降雨后的损失量。在进行流域最大蓄水量计算时，选择历年实测雨洪资料中久旱无雨之后降雨较大且又产生径流的资料，经综合分析，两江水电站以上流域的最大蓄水量（Im）为120 mm。

3）土壤含水量折减系数。土壤含水量折减系数是计算前期影响雨量（Pa）的主要参数，它直接影响降雨径流关系，一般先根据实测雨洪资料和地区综合经验初定一组数据，然后通过反复调试计算以与实测资料拟合最佳为目标进行优选。土壤含水量折减系数的计算公式为：

K=1－Em/Im

式中：Em——流域日蒸发能力，mm；Im——流域最大损失量，mm。

两江水电站以上流域松江站，自建站以来积累了多年蒸发资料，是这次计算流域各月日蒸发能力的基础数据。土壤含水量折减系数见表2。

表2 两江水电站以上流域土壤含水量折减系数表

4）前期影响雨量Pa。前期影响雨量（Pa）反映了洪水前期流域内土壤的蓄水情况，可作为土壤含水量的指标。计算公式如下：

Pa（t+1）=K（Pat+Pt）

式中：Pt——t日降雨量，mm；Pat——t日前期影响雨量，mm；Pa（t+1）——t+1日前期影响雨量，mm；K——土壤含水量消退系数。

考虑到Pa计算中未扣除产流量影响，故以流域最大损失量Im做限制（即Pa≤Im）。

2.3 径流深计算

根据历年实测资料中选取50场洪水过程计算径流深。对所选定的每场洪水，参照对应的降雨过程，首先用退水曲线割去前次洪水的退水和后次降雨所形成的径流，再割去基流，即得到这次降雨所形成的流量过程，然后利用列表法分别摘取各时段的流量Qi计算径流深。计算公式如下：

R=3.6×△t×ΣQi/A

式中：R——一次降雨的总径流深，mm；ΣQi——各时段流量的总和，m3/s；△t——时段长（取3 h）；A——集水面积，km2。

2.4 降雨径流相关图建立

通过选取雨洪对应关系明显、次洪流量易于分割的大、中、小水不同量级雨洪过程，分别计算出各场次洪水的P，Pa和R值，绘制（P+Pa）～R相关图，即得两江水电站降雨径流相关图（见图2）。

图2 两江水电站降雨径流相关关系图

3 汇流方案

流域汇流计算（即洪水过程预报）采用单位线法。在产流计算的基础上，对实测资料进行优选，分析推求可选用的一组经验单位线。分析单位线的雨洪资料按以下原则选用：

1）尽量选用降雨集中，历时较短的单峰洪水过程。

2）降雨过程与洪水过程相对应。

3）洪水涨落过程明显，如系复峰洪水，则前后场次洪水易于分割。

4）尽量选择大、中洪水，且暴雨高值区各异、具有代表性的洪水。

两江水电站自水库建成后对上游的汇流及峰现时间等均有一定的影响，所以汇流方案以入库流量过程及对应的各站降雨资料为基础进行单位线分析计算。经过筛选，分析确定了具有一定代表性的5条单位线作为汇流计算的依据。各单位线净雨深为10 mm、时段长为1 h。

4 洪水预报方法和步骤

两江水电站入库洪水预报通过以下方法和步骤来实现：

1）结合水情自动测报系统遥测雨量站网发布的单站降雨量计算出流域面平均降雨量（P）。

2）以6月1日作为计算Pa的起始日期，并连续计算每日的Pa值，且保持Pa最大值不超过Im。由一次洪水的Pa值，与各时段累积降雨量相加，即可确定各时刻的P+Pa值。

3）通过P+Pa值在降雨径流相关线上查得净雨量累积值，并据此计算出从降雨开始时刻到降雨结束时每一时刻的累积净雨量，相邻时段的累积净雨量之差即为时段净雨量。

4）根据雨型、雨量大小、降雨中心位置、前期影响雨量等因素，选定相应的单位线。

5）根据时段净雨量和选定的单位线进行汇流计算，得到本次降雨对应的洪水过程。

6）由计算出的本次降雨洪水过程加上起涨点的前次退水过程（退到基流时，采用基流值），即得预报的入库洪水过程。

5 结论及建议

1）该流域地处湿润和半湿润地区，雨量较充沛，降雨总产流量主要决定于前期土湿和降雨量的多少，属蓄满产流区，应用降雨径流预报方法是合适的。

2）通过对流域降雨及洪水过程的统计分析，确定该降雨径流预报方案的预见期为6 h。

3）经预报检验计算，产流预报合格率为82%；洪峰流量预报合格率为80%；峰现时间预报合格率为80%。预报等级为乙级，达到预报发布要求。

4）由于受资料条件的限制，该预报方案的精度为乙级，精度相对较低，建议随着水库雨情、水情资料的逐步积累，对计算参数进行补充率定和修正。

5）在单位线的选择上，应详细分析降雨的分布、雨型、强度等因素合理选取。

6）作业预报时，应在掌握本流域暴雨洪水特点的基础上，积累预报经验，以提高对实际洪水预报的操控能力。