考虑上游水利工程影响的桓仁水库洪水预报研究

梁国华, 路广平, 代金辉, 王笑媚

(1.大连理工大学 建设工程学部水利工程学院,辽宁 大连 116024; 2.辽宁省防汛抗旱指挥部办公室,辽宁 沈阳 110000)

洪水预报是防洪减灾最重要的非工程措施之一,准确的洪水预报成果更是防洪调度决策的依据。洪水预报方案的制定一直是专家学者研究的重点[1-11]。然而,受人类活动尤其是已建水利工程的影响,北方地区的洪水预报成果精度较低[12-16]。目前,考虑水利工程影响的洪水预报方法主要有两种:一是基于数理统计的多元回归分析法,即通过选取水文气象要素和洪水的特征要素进行统计分析,建立回归模型进行洪水预报;二是基于水文模型的洪水预报方法,即在水文模型中增加考虑水利工程影响的模块,通过设置相关参数来量化水利工程的影响。方法一将水利工程运行对洪水过程的影响进行简单描述[17-18],虽使用方便,但缺乏机理机制基础,外延性较差,难于广泛推广应用;方法二在应用时需要大量的水利工程运行数据[19-21],这也是应用的难点所在。

事实上,流域上游的大部分水利工程以无闸门控制居多,水利工程的蓄泄水量与流域前期的降雨量和场次降雨量有一定的关系,能否准确地描述蓄泄关系,是洪水预报精度高低的关键。鉴于此,以桓仁水库以上流域为研究区,基于聚合水库的方法,研究了桓仁水库的调蓄规律,建立了聚合水库的蓄泄关系曲线,并将其与新安江模型相结合,构建了考虑水利工程影响的桓仁水库洪水预报方法,以期为水库防洪和发电调度、水资源配置、洪水资源化利用、防灾减灾等提供决策支持和科学指导。

1 考虑水利工程影响的洪水预报方法

1.1 聚合水库划分方式

中小型水利工程的运行资料难以获得,本文采用聚合水库的思想,将分布在不同子流域内的中小型水库分别聚合成不同的聚合水库,研究其蓄放水对洪水过程的影响规律,提高洪水预报的精度。聚合水库的划分方式见文献[13]。

1.2 聚合水库蓄泄曲线

水利工程运行对洪水过程的影响主要表现为拦洪和泄洪作用。若降雨发生前,流域较为干旱,水库处于空库状态,此时水库主要发挥拦蓄作用;随着降雨的继续,水库逐渐蓄满,此时水库拦蓄作用降低,主要发挥滞洪削峰作用。若洪水发生前,降雨较多,流域下垫面较为湿润,水库处于满库状态,为保证水库安全运行,需增加下泄量,此时水库主要发挥泄流作用。基于此,聚合水库的蓄泄关系曲线形式如图1所示,图1中纵轴表示聚合水库当前时刻的蓄满率R(聚合水库当前时段的蓄水库容与聚合水库总库容的比值),横轴表示时段的蓄泄率S。假设聚合水库的蓄满率临界值为Rc,当R≤Rc时,聚合水库主要发挥拦蓄作用;当R>Rc时,聚合水库主要发挥泄流作用。在场次洪水过程中,聚合水库的蓄泄状态随蓄满率R的变化而变化。

图1 水库蓄泄关系示意图

1.2.1 初始蓄满率计算

降雨开始前,聚合水库的初始蓄满率R0很难获得,本文采用公式(1)和公式(2)进行计算,两公式分别为:

(1)

(2)

式中:α为线性系数;λ0为形成场次洪水的降雨开始时刻的土壤饱和度;τ为方次系数;P7为形成场次洪水的降雨开始时刻的前7 d总降雨量,取值参考文献[16];Pmin为形成场次洪水的降雨开始时刻的前7 d的最小降雨量;Pmax为形成场次洪水的降雨开始时刻的前7 d的最大降雨量;参数α、τ均通过遗传优化算法率定得到。

1.2.2 聚合水库蓄泄曲线

对于场次洪水过程,一般降雨开始时水库的蓄满率R0≤Rc,聚合水库主要发挥拦蓄作用;随着降雨的持续,聚合水库蓄满率R逐渐增至Rc;若聚合水库的蓄满率R0>Rc,此时聚合水库发挥泄流作用。因此,聚合水库的蓄泄状态可以采用公式(3)来表示。

(3)

式中:Ss,t为t时段聚合水库的蓄水率;Rt为t时段聚合水库的蓄满率;m为描述聚合水库拦蓄过程的形状参数,反映聚合水库的蓄水能力,一般取值为0～1;Sd,t为t时段聚合水库的泄流率;n为描述聚合水库泄流过程的形状参数,反映聚合水库的泄流能力,一般取值为0～3;参数Rc、m、n均通过遗传优化算法率定得到。

1.2.3 聚合水库的时段泄流量

每个聚合水库在t时段的泄流量ΔQi,t采用公式(4)计算:

(4)

式中Qi,t为t时段第i个子流域产出的地表径流、壤中流及地下径流经河网汇流后的流量值,m3/s,负值表示水库在该时段发挥拦蓄作用。

1.3 聚合水库的蓄泄量计算过程

步骤1将流域划分为不同的子流域,根据各水库的空间位置聚合成不同的聚合水库,并计算相应的聚合水库库容。

步骤2根据公式(1)和公式(2)计算形成该场次洪水的降雨开始时刻各聚合水库的初始库容(即蓄水量,m3) ,vi,0=R0Vi(i=1,2,…,n),Vi为第i个聚合水库的库容。

步骤3根据公式(3)和公式(4)计算聚合水库各时段的泄流量。当时段t=1(预报时段序号)时,根据公式(3)计算聚合水库的蓄水率Ss,1或泄流率Sd,1,然后由公式(4)计算本时段每个聚合水库的泄流量ΔQi,1,进而计算时段末(t=1)聚合水库的库容vi,1(vi,1=vi,0+ΔQi,1ΔT)和时段末聚合水库的蓄满率R1(R1=v1/V),式中ΔT为洪水预报方案的时段长;当时段t>1时,先计算时段产流量,然后采用公式(3)和公式(4)计算时段的蓄水率Ss,t或泄流率Sd,t和各个聚合水库的泄流量ΔQi,t,进而得到时段末各个聚合水库的库容vi,t(vi,t=vi,t-1+ΔQi,tΔT),以及蓄满率Rt(Rt=vt/V)。上述Rt、vt和V分别为t时段蓄满率、t时段聚合水库的总库容和所有聚合水库的总库容。

步骤4计算各个子流域t时段经校正后的流量Q′i,t,Q′i,t=Qi,t+ΔQi,t。

步骤5令t=t+1,若t

步骤6将各子流域的所有时段流量Q′i,t演算至流域出口断面,通过线性叠加得到该场次洪水在整个流域出口断面的流量过程。

2 实例研究

2.1 桓仁水库概况

桓仁水库位于辽宁省桓仁县境内,是浑江干流上一座以发电为主,兼有防洪、灌溉等综合利用功能的大(Ⅰ)型水利枢纽工程。水库控制流域面积为10 400 km2,总库容为34.6 亿m3,防洪库容为12.6 亿m3。桓仁水库以上流域多年平均降水量为860 mm,多年平均径流系数为0.52。流域年内降水分配不均,汛期6—9月的降水量约占全年降水量的70%。场次洪水过程线以单峰型为主,场次洪水过程一般持续9 d左右,3 d洪量占一次洪水过程洪量的80%,场次洪水具有陡涨陡落的特点。自20世纪90年代以来,桓仁水库上游修建了大量的中小型水库,其分布位置如图2所示。其中,中型水库6座,小型水库41座,总兴利库容(死库容至堰顶高程之间的库容)2.44亿m3。水利工程的修建与运行改变了流域的产流和汇流特性,降低了桓仁水库原洪水预报方案的精度[16],影响了水库防洪与兴利综合效益的发挥。因此,有必要开展上游水利工程影响下的桓仁水库洪水预报方法研究。

图2 水库上游水利工程分布及子流域划分

2.2 桓仁水库以上流域聚合水库划分

根据中小型水库的分布状况,将桓仁水库以上流域划分为6个子流域(图2中以①—⑥表示),每个子流域对应的聚合水库的库容见表1。桓仁水库以上流域内的6座中型水库分布在4个子流域中,41座小型水库分布在5个子流域中。

表1 研究区各子流域对应的聚合水库库容

2.3 考虑上游水利工程影响的桓仁水库洪水预报模拟结果及分析

2.3.1 流域水文预报模型选择

桓仁水库流域上游植被较好,流域多年平均降水量860 mm,属于湿润半湿润地区,一般情况下一场洪水后土壤基本达到蓄满状态。因此,本文采用适用于湿润半湿润地区的新安江模型作为考虑水利工程影响的桓仁水库以上流域洪水预报方法。

2.3.2 聚合水库蓄泄参数及新安江模型参数确定

根据遥感数据和流域调研调查情况可知,2005年后桓仁水库以上流域未新建中小型水库,为保持资料的一致性,选取桓仁水库以上流域2005年以后的20场历史洪水资料进行模拟,分析水利工程对流域洪水过程的影响。其中,前14场洪水用于模型参数率定,后6场洪水用于模型参数检验。通过率定得到聚合水库的蓄泄参数值见表2,新安江模型的产汇流参数见表3。

表2 聚合水库蓄泄参数率定结果

表3 新安江模型产汇流参数率定结果

2.3.3 结果与分析

基于新安江模型的考虑与未考虑水利工程影响的产流和汇流模拟结果分别见表4和表5。

表4 产流模拟结果

表5 汇流模拟结果

1)产流模拟结果分析。由表4可知,考虑上游水利工程影响的产流模拟精度较未考虑上游水利工程影响的产流模拟精度有所提高。20场洪水的产流模拟结果全部合格,其中率定期合格率从87.5%增至100%,检验期合格率从83.3%增至100.0%;20场洪水的平均相对误差由13.7%降至9.4%。

当聚合水库初始蓄满率R0小于0.8时,聚合水库主要发挥拦蓄作用,当聚合水库初始蓄满率R0大于等于0.8时,聚合水库此时主要发挥泄流作用。洪号为20100808、20100819和20100826的3场次洪水发生时各聚合水库的初始蓄满率R0均大于0.8,各聚合水库主要发挥泄流作用,产流量变大。其他场次的洪水发生时各子流域对应的聚合水库的初始蓄满率R0均小于0.8,聚合水库表现为拦蓄作用,产流量变小;但场次洪水模拟过程后期各聚合水库处于拦蓄还是泄流状态,需根据降雨量进行判断。总体而言,水利工程对洪水过程的影响大多都是拦蓄作用,且经修正后的产流预报值更接近实际值。

2)汇流模拟结果分析。由表5可知,考虑上游水利工程影响的汇流模拟精度较未考虑上游水利工程影响的汇流模拟精度有较大提高,率定期和检验期20场洪水的峰值流量和峰现时间不合格场次数量由4场降为1场,率定期合格率从81.3%提高至87.5%,检验期合格率从83.3%提高至100.0%;20场洪水中洪峰流量的模拟值与实测值的平均相对误差由21.3%降至10.1%。总体而言,由于水利工程的滞洪和调蓄作用,考虑上游水利工程影响的预报洪峰流量基本都变小了。当流域前期降雨量少、下垫面较为干旱、水利工程蓄水较少时,聚合水库对洪水过程的影响主要表现为拦蓄作用,并且随着降雨的持续,其对洪量和洪峰流量的影响变小,特别是对小洪水影响更大,如图3(a)和图3(b)所示的洪号分别为20060826和20080731的洪水;当前期降雨量较多、下垫面较为湿润、水利工程蓄水较多时,聚合水库对洪水过程的影响主要表现为泄流作用,并且随着降雨的持续,其对洪量和洪峰流量的影响变小,如图3(c)和图3(d)所示的洪号分别为20100808和20100826的洪水。图3中,横坐标为时段序号,相邻时段间隔为6 h。

图3 典型场次洪水模拟结果对比图

3 结语

针对受桓仁水库以上流域水利工程影响导致的洪水预报精度偏低问题,本文基于聚合水库思想,建立了考虑上游水利工程影响的桓仁水库洪水预报模型,给出了聚合水库的蓄泄量计算步骤,并利用2005年以后的洪水资料率定了聚合水库的蓄泄参数和新安江模型的产汇流参数,得到如下结论:

1)对于场次洪水,不论是产流阶段还是汇流阶段,考虑水利工程影响的洪水模拟精度均得到了较明显的提高,表明采用聚合水库的思想研究桓仁水库的洪水预报方案是可行的。

2)当前期降雨少、下垫面较为干旱时,由于水利工程蓄水较少,聚合水库对洪水过程的影响主要表现为拦蓄作用,且随着降雨的持续,其对洪量和洪峰流量的影响变小;当前期降雨量较多、下垫面较为湿润、水利工程蓄水较多时,聚合水库对洪水过程的影响主要表现为泄流作用,且随着降雨的持续,其对洪量和洪峰流量的影响也逐渐变小。

3)采用蓄泄关系曲线来描述聚合水库对洪水过程的影响,基本能反映水利工程对洪水过程的影响规律,但不同调节性能的水利工程其蓄放规律可能不同,而采用统一的蓄泄关系曲线来描述不同调节性能的水利工程的蓄放规律可能无法完全反映实际的洪水过程,后续有待收集更多的资料开展进一步的研究。