门楼水库洪水预报及修正方法

李莹芹，何　斌，梁国华（大连理工大学水利土木学院，辽宁大连116024）



门楼水库洪水预报及修正方法

李莹芹，何斌，梁国华
（大连理工大学水利土木学院，辽宁大连116024）

［摘要］由于流域下垫面条件、人类活动和水利工程影响，使得概念性流域水文模型更加难于全面地描述流域的产汇流特性，导致预报结果误差较大。研究以门楼水库为背景，分析流域入库洪水组成、水利工程分布、气候及下垫面等水文特点，采用大伙房模型（DHF）进行门楼水库以上流域的洪水预报方案研究,进而修正水库的入库洪水过程。研究结果表明，修正后的洪水预报结果精度比修正前有较大提高，可以为水库防洪调度决策提供依据。

［关键词］门楼水库；洪水预报；大伙房模型；推理模式；山东烟台

1　概况

我国降雨时空分布极不均匀，旱涝交替频繁，洪水预报已经成为防洪减灾和提高洪水资源利用率的重要手段。洪水预报是根据面临时刻所获得的信息对未来一定时期内的某些水文要素作出定性和定量预测的技术。在实际应用中一般采用概念性水文模型进行洪水预报方案研究。针对烟台市门楼水库调度的实际需要，尝试利用适合于北方流域产汇流特点的大伙房水文模型开展洪水预报及修正方法研究，为水库的调度决策提供依据。

2　工程背景及研究思路

门楼水库是一座集防洪、供水和灌溉功能为一体的大（Ⅱ）型综合水利枢纽工程，流域面积1079km2，总库容2.02亿m3。流域受季风和大陆性气候的影响，降雨时空分布极不均匀，主要集中在6—8月份，易造成洪涝灾害。水库流域属于丘陵山区，控制面积较小，流域平均比降较大，洪水过程陡涨陡落，加之受上游水利工程影响较大，给洪水预报带来较大困难。门楼水库坝址以上流域水利工程位置分布不均匀,其中臧格庄以上流域内有中小型水库近40座，控制面积约246 km2，总库容约1万m3，门楼水库至臧格庄区间内有小型水库近50座，控制面积约121 km2，总库容约0.25万m3。通过分析上游水库的兴利库容和水库控制面积之间的关系发现，当前期土壤较干旱时，流域至少产生80 mm的净雨，才会有小水库发生溢流。臧格庄以上流域中小型水库的运行对门楼水库的洪水入流过程影响较大，当降雨小于60 mm时，臧格庄以上流域基本不产生流量，对洪峰发生之前时段的流量过程影响较为明显。为此，首先根据流域下垫面及气候特点，尝试选择大伙房水文模型作为产汇流计算的基本模型，进行整个水库坝址以上流域的洪水预报研究；然后根据模拟结果进行臧格庄至门楼水库区间的洪水预报研究；最后根据区间预报结果修正门楼水库入库洪水过程。

3　门楼水库洪水预报研究

3.1模型选取及参数率定方法

3.1.1模型选择

大伙房模型（DHF）由辽宁省大伙房水库管理局根据大伙房水库流域多年的预报经验而总结提出的集总式概念性水文模型。它以超渗产流思想为基础，采用表层、下层和地下水库3层来描述土壤蓄水量的变化，引入（α-1）次抛物线描述表层蓄水容量分布不均匀的状况；蒸发计算采用双层蒸发模式；汇流部分采用8参数变强度、变汇流速度的经验单位线进行计算，不同降雨分布的地表径流具有不同的汇流曲线。大伙房模型比较适用于干旱或半湿润地区，已被广泛地应用于东北地区，应用效果较好。门楼水库位于胶东半岛地区，流域气候和下垫面状况等自然特征与东北地区基本类似。因此，采用大伙房模型为基本模型研究门楼水库的预报方案。

3.1.2模型参数率定方法

根据《水文情报预报规范GB/T22482—2008》，本文采用产流量、洪峰流量、峰现时间预报的合格率作为目标函数，其目标函数表达式为：

式中：n表示全部洪水场次数；m表示汇流合格预报场次数。

由于粒子群算法具有原理简单、易于描述、设置参数少、收敛速度快、全局搜索能力强、容易实现等特点，在水文模型参数优选方面得到广泛应用[2]。采用粒子群算法与人工试错法相结合的方法进行参数优选。

3.2门楼水库以上流域大伙房模型参数率定

选取1964—2007年间较大的2 0场历史洪水进行模拟研究，其中15场历史洪水用于模型参数率定，5场历史洪水用于参数检验，产汇流参数优选结果如表1所示。根据GB/T22482—2008《水文情报预报规范》评定标准，对预报结果进行评定，其中率定期合格率为66.7%，检验期合格率为60%。预报结果表明模型参数在率定期和检验期的预报结果合格率均不高，并具有如下特点：

1）发生在1970年之前或前期下垫面条件较湿润以及洪峰流量超过1 000 m3/s的场次洪水模拟结果较好；

2）发生在1970年之后或前期下垫面较干旱以及峰值较小的场次洪水预报效果较不理想，且产汇流模拟结果偏大或偏小没有规律可循。通过分析流域下垫面和水利工程的分布特点可知，洪水模拟效果较差的原因可能是上游水库对洪水的蓄放作用引起的，尤其是前期下垫面较干旱的洪水或较小的洪水，水利工程运行对产汇流过程的影响更加明显。而在参数率定的过程中为了迎合预报合格率，率定所得到的模型参数可能没有代表性，例如，流域的蓄水容量参数达到155 mm，8月份的蒸发参数E5达到6 mm，参数值过大明显不合理。由此可见，上游水库的运行对流域的产汇流预报影响严重。

表1　大伙房模型参数

3.3门楼水库洪水预报修正研究

由3.2的分析结果可知，门楼水库以上流域水利工程对流域的产汇流过程产生很大影响，造成洪水预报成果精度偏低，预报结果可靠性较差；另外，从小型水库的库容与控制面积分布比例上看臧格庄以上流域的中小型水库对门楼水库入库洪水影响非常大。因此，下面将采用大伙房模型及模糊推理方法开展臧格庄至门楼水库区间的洪水预报研究，然后通过与臧格庄实测流量错时段叠加实现门楼水库入库洪水过程的修正预报。

3.3.1臧格庄～门楼水库区间洪水模拟分析

通过分析门楼水库场次洪水的入库洪水过程及洪峰组成、上游中小水库分布特点可知，臧格庄以上的中小水库对门楼水库的入库洪水过程影响最大，加之入库洪峰的预见期较短，约为4～8 h，而臧格庄测站的洪水演进到坝前则需要4 h左右。一般情况下门楼水库入库洪峰流量组成中臧格庄-门楼水库区间的流量所占比重较大。因此，只要做好区间洪水过程的预报，基本上就可较准确地预报出门楼水库的入库洪峰流量，即可满足门楼水库防洪调度的实际需求。

1）区间产流模拟所率定的。采用大伙房模型对臧格庄-门楼区间1964—2007年间的20场历史洪水进行产流预报，模型参数如表2所示，用于参数率定的15场洪水，模拟合格率为93.3%，用于检验的5场洪水模拟合格率为100%，除“19790731”洪水外，其他场次洪水模拟效果较好。“19790731”场次洪水前期土壤非常干旱，降雨主要发生在门楼水库坝址附近，部分降雨未发生截留、下渗直接形成了入库流量，导致预报值偏小。从产流参数率定结果上看，由于受小型水库截留的影响，土壤蓄水容量取值135 mm也是相对合理的；月蒸发参数的取值都在流域多年平均实测蒸发范围内，雨间日蒸发E7和E8更符合实际。由此可见，区间产流参数基本能够反映流域的产流特性。

表2　臧格庄至门楼区间大伙房模型产流参数

2）区间汇流模拟。臧格庄至门楼水库区间洪水过程陡涨陡落，不同的降雨分布和前期土壤含水量，其汇流过程完全不同。因此，研究首先利用历史场次洪水综合推求出3条单位线，用以表征各种因素综合影响下的汇流过程；然后综合分析前期土壤含水量W0、区间累计降雨量与前期土壤含水量比值关系P/W0以及暴雨中心分布P上/P下等影响因素确定推理因子；最后以此为基础利用模糊推理模式法推理得到合适的单位线进行洪水过程预报。

模糊推理模式法以成因分析法和统计分析法以及经验相关法等作为理论依据，利用历史信息归纳生成推理模式语句，再根据面临时刻信息的实际情况选择合适的语句，最后将与之相对应的结果作为结论，其推理形式如公式（2）所示。

式中：A代表推理因子；B代表推理结果；m代表推理因子个数；n代表规则个数。采用W0，P/W0，P上/P下3个指标作为推理因子进行推理，通过对历史洪水的分析推理，形成的推理规则如表3所示。例如，规则1表示，当前期土壤含水量位于[0，35]区间时，且P上/P下>2则选择单位线2进行汇流预报。

表3　场次洪水识别准则

根据上述方法对臧格庄至门楼区间的20场洪水进行汇流预报，其中率定期模拟合格率为93.3%，检验期模拟合格率为80%。除“19730831”和“19950822”两场洪水外，其他场次模拟效果较好。“19950822”场次洪水区间各时段平均雨强较小，导致产流预报值偏大，而区间累计降雨量较大，选择的线型属于峰靠前的单位线，因此预报洪峰预流量较实际偏大。总体而言，区间的产汇流预报精度较高，基本满足调度的需求。

3.3.2门楼水库修正汇流预报

将臧格庄至门楼区间的汇流过程与臧格庄水文站实测流量值错时段叠加得到门楼水库整个流域的洪水过程，修正预报结果如表4所示。

表4　门楼水库汇流预报结果

率定期内汇流有2场不合格，合格率为86.7%，检验期内汇流有1场汇流预报不合格，合格率为80%。“199640818场次洪水”、“19700719场次洪水”、“20010801场次洪水”分别代表前期较湿润、干旱和特别湿润的3种类型洪水。从模拟结果上看，臧格庄以上流域流量较小，修正预报精度更高。这是因为当臧格庄以上流域流量较小时，区间流量预报结果较好，入库流量过程预报也较好。当降雨分布较均匀时，庵里水库放水导致臧格庄以上流域流量变大，此时预报结果较差，在实际应用时，根据这一问题需要进一步修正入库洪水过程。

4　结论

根据门楼水库实际调度的需要，针对水库入库洪水组成、水利工程分布情况、气候及下垫面等特点，采用大伙房模型（DHF）、综合单位线和模糊推理模式方法分别开展门楼水库以上流域和臧格庄至门楼水库区间流域的洪水预报方法研究，并对门楼水库的入库洪水过程进行修正预报。取得了结论：

1）门楼水库洪水预报受上游中小型水库对洪水蓄放作用的影响较大，使不考虑水利工程影响的洪水预报精度偏低。

2）由于庵里水库库容较大，使臧格庄以上流域的中小型水库的总库容较大。因此，其对入库洪水影响巨大，洪水预报方案应分为臧格庄以上和臧格庄至门楼区间两个预报单元，区间模拟结果表明，模型参数基本能够反映流域实际的产汇流情况，修正后的门楼水库入库洪水过程与实际拟合效果较好。

3）当庵里水库的溢流量较大时，应考虑进一步对水库入库洪水过程进行修正；

4）由于目前流域各项水文资料较少，只能进行初步的修正预报研究，随着资料的积累，应对预报成果进行进一步完善。

［参考文献］

［1］李成林，薛志春，彭勇，等.水利工程对洪水的影响研究［J］.南水北调与水利科技，2014，12（1）.

［2］徐宗学，程磊.分布式水文模型研究与应用进展［J］.水利学报，2010，41（9）：1009-1017.

［3］李致家，姚玉梅，戴健男，等.利用水文模型研究下垫面变化对洪水的影响［J］.水力发电学报，2012，31（3）：5-10.

［4］大连理工大学，国家防汛抗旱指挥办公室.水库防洪预报调度方法及应用［M］.中国水利水电出版社，1996.

［5］刘苏宁，甘泓，魏国孝.粒子群算法在新安江模型参数率定中的应用［J］.水利学报，2010，41（5）：537-544.

［6］胡彩虹，王纪军，詹发竹，等.中小流域汛期降水时空分布集中程度与洪水关系研究［J］.水文，2009，29（4）：14-21.

［7］Kamran H.S,David C.G,Donald E.M.Spatial characteristics of thunderstorm rainfall fields and their relation to runoff ［J］.Journal of Hydrology，2003，（1-4）：1-21.

［8］王猛.石佛寺水库洪水预报及其实时修正方法研究［D］.大连：大连理工大学，2012.

［中图分类号］TV122

［文献标识码］A

［文章编号］1002－0624（2016）03－0019－03

[收稿日期]2015-06-12