基于新安江模型的方便水库入库洪水预报方案

2021-02-21曹舒燕

绿色科技 2021年24期

曹舒燕

(上海泾欣工程设计咨询有限公司，上海虹口 200000)

1 研究背景

水库洪水预报能够让人们及时掌握水库控制流域内的水情和雨情信息，并根据水、雨情信息对将来水库的出库洪水及库水位等过程进行分析，及时做出安全防护措施。对中小型水库而言，做好其洪水预报的工作能很大程度上减轻水库的负担。由气象部门提供的预报降雨，提前预报入库洪水过程，可以提前开闸放水，减少溃坝等问题[1]。由于中小型水库在以前缺少系统管理，实测水情资料缺乏，且大多位于山丘区，雨量站、水文站等比较少，无法准确对其进行入库洪水预报[2]。通过水库洪水预报，可以获取水库未来一段时间内的来水总量、洪峰流量和洪峰出现时间等信息[3]。以往水库在汛期都面临库水位超汛限、溃堤等问题，通过水库洪水预报的来水进行提前防护可以帮助水库在汛期安全度汛，因此预报结果的可靠性、预见期的有效长度及预报精度的高低直接关系到洪水调度方案的制定与执行。

近几年，随着天气预报系统及洪水预报系统等的不断改进、完善，可以更加及时准确地预报降雨量、入库流量、峰现时间等。提前做好精准的洪水预报，及时运用防洪设施做好防洪准备，在较大洪水来之前开闸提前下泄，为未来洪水留出一定的防洪库容；在洪水不大时，拦蓄一定水量，能够做好灌溉调度。这样就充分利用洪水资源，解决了原来水库防洪与兴利之间的矛盾[4～6]。目前，气象部门发布的降雨预报越来越准确，洪水预报系统根据预报降雨输出得到较准确的入库洪水。降雨预报和洪水预报是水库抗暴雨能力的基础，做好降雨预报和入库洪水预报就能更好地计算中小水库抗暴雨能力，进而做好防洪泄洪准备，尽可能防止水库超设计洪水位可能引起的溃决，能有效减少洪涝灾害带来的人身安全和经济损失的威胁[7]。

2 研究区概况

方便水库位于南京市溧水区东部的低山丘陵区，是秦淮河支流二干河的上游。库区周边地形起伏不大，以平原和丘陵山区为主，东芦山、湫湖山、双尖山等是库区周边主要山体，海拔高度200～270 m，山脊线起伏不大。水库汇水区域为山丘区，其集水面积为77.1 km2，干流长度为16.86 km，干流比降为0.0023。方便水库坝顶高程31.70 m，坝顶宽6.60 m，坝长1077 m，水库溢洪闸为3孔×2.5 m，闸底高程23.00 m，总库容4900万m3，设计洪水标准是50年一遇，校核洪水标是千年一遇。

方便水库位于溧水东北部，所属秦淮河流域。二干河为秦淮河南源溧水河的主要支流，流域面积254 km2，约占溧水河流域面积680 km2的37.4%、秦淮河流域面积2631 km2的9.7%。二干河从方便水库起至溧水河，全长26.0 km。二干河流域涉及江宁区、溧水区及句容市，具体见图2.1，其中：方便水库～溧水区东屏镇大仁山附近，河道长度15.46 km，两岸均属溧水区东屏镇；大仁山～茅公渡附近，河道长度2.37 km，两岸为句容市郭庄镇；公渡～共和渔场，河道长度8.17 km，河道左岸为溧水区柘塘镇，右岸为江宁区湖熟镇。

二干河流域大致呈长边为西北～东南向矩形状，长约33 km，宽5～10 km。流域地形总体上位东南部高，向西北方向地势逐渐降低，最高峰为溧水区东庐山海拔274 m，山丘区约为207.12 km2，占总面积的81.5%，主要分布在流域东南部以及东北、西南两侧的分水岭附近区域。沿二干河两侧的平原圩区面积共约46.88 km2，占总面积的18.5%，地面高程7.0～10.5 m，主要分布在南山闸以下；南山闸以上河道两岸地面高程一般在11.1～13.0 m，圩区面积较小，呈零星分布状，堤防与地面高差不大；和尚桥以上无明显堤防，属自然漫溢区域。

3 新安江模型

20世纪60、70年代赵人俊教授带领其团队研究并提出了新安江模型[8]，首次将地区产流分为湿润地区产流和干旱地区产流，认为在湿润地区主要以蓄满产流为主，而干旱地区主要以超渗产流为主，推翻了以往传统的概念性水文模型。新安江模型最先应用于新安江流域[9]，验证了在湿润和半湿润地区的适用性，该模型也从此在国内被广泛应用。

本文采用三水源的新安江模型，这里的三水源是指径流分为地表径流、壤中流和地下径流[10]。该模型将所研究流域划分为不透水面积和透水面积，其中不透水面积上产生的径流为地表径流，而在透水面积上产生的径流有地表径流、壤中流和地下径流。一般将城市路面、水面等[11]可以直接产流的区域称为不透水面积，由于不透水面积的产流在中小流域中一般影响不大，故可忽略不计。

由于降雨时空分布不均和下垫面条件不同，故新安江模型将其结构分为蒸散发计算、产流计算、分水源计算和汇流计算4个层次。

表1 新安江模型各层次结构功能、计算采用的方法和相应参数

4 数据收集及分析

降雨、蒸发、水位和出库流量数据均取于江苏省水文局实时雨水情数据库，采用2013～2018年系列数据。降雨是逐小时数据，方便水库流域面雨量的计算按泰森多边形的方法来计算。蒸发采用逐日数据，可以将逐日蒸发数据平均至逐小时；出库流量是溢洪闸的泄流量，由于灌溉流量太小故忽略不计。入库流量是根据水位库容曲线推求的，但是反推入库流量由于水位的上下波动会出现负值、跳动值等，本文采用滑动平均的方法对其进行处理，处理过程保持总水量不变，洪峰值保持不变，使锯齿处尽可能平滑。

5 次洪分析

根据降雨、水位及反推入库流量挑选典型场次进行分析。此次洪水场次共选取8场洪水，以降雨量大且水位变化大为原则选择洪水场次，8场洪水场次累计降雨量介于86.5～251 mm，降雨历时介于20～68 h。

6 洪水预报率定及验证

选择2013～2018年的水文数据资料，入库流量由出库流量及库容曲线反推得到，将其与模拟过程进行对比分析。以2013～2016年作为率定期，2017～2018年作为验证期。率定结果见表2和图1。

表2 方便水库新安江模型参数率定结果

选择时间段在2013年7月4日～2013年7月10日、2014年7月4日～2014年7月9日、2014年8月31日～2014年9月5日、2015年6月26日～2015年7月4日、2016年6月30日～2017年7月5日和2016年7月5日～2017年7月15日的六场典型洪水进行模拟，模拟结果见图1。