張 顧，王加虎，李 麗，劉蓓蓓，郝 然

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098)

0 引 言

水庫(kù)建成后產(chǎn)匯流條件發(fā)生變化，與傳統(tǒng)壩址洪水相比，入庫(kù)洪水具有洪峰提前、峰高量大等特點(diǎn)[1]，不利于水庫(kù)運(yùn)行與防洪調(diào)度[2]。國(guó)內(nèi)外針對(duì)入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)已開(kāi)展諸多研究，高冰[3]等采用GBHM模型開(kāi)展三峽入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)研究，結(jié)果表明模型具有一定精度并能延長(zhǎng)洪水預(yù)報(bào)的預(yù)見(jiàn)期。張靜[4]等利用HEC-HMS模型開(kāi)展青獅潭水庫(kù)入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)研究，結(jié)果表明模型可用于水庫(kù)入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)。黃國(guó)如[5]等基于VIC模型對(duì)北江飛來(lái)峽水庫(kù)入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)模型具有一定精度。湯成友[6]等利用Tank模型開(kāi)展三峽入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)研究，結(jié)果表明模型預(yù)報(bào)精度高且能夠滿足實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)的要求。研究大多基于分布式水文模型，并且研究區(qū)域資料種類豐富，洪水資料序列較長(zhǎng)。實(shí)際上入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)方案的編制，不僅需考慮產(chǎn)匯流特性，同時(shí)也受資料制約，目前針對(duì)洪水資料序列較短的水庫(kù)入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)研究較少。

桂五水庫(kù)位于江蘇省盱眙縣西南山丘區(qū)，集水面積36.25 km2，總庫(kù)容2 620 萬(wàn)m3。地處我國(guó)南北氣候過(guò)渡地帶，氣候變化復(fù)雜，降雨時(shí)空分布不均，最大年雨量為最小年雨量的3～4倍，汛期(6-9月)降水量占年降水量的50%～80%。所在流域河流屬山區(qū)性河流，暴漲暴落。水庫(kù)洪水資料，加密觀測(cè)的庫(kù)水位、閘門啟閉記錄自2016年才有，資料序列較短，入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)難度很大。

基于上述情況，本文以桂五水庫(kù)為例，針對(duì)資料序列較短的水庫(kù)入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)工作提出設(shè)計(jì)安全值結(jié)合水文模型聯(lián)合預(yù)報(bào)法，進(jìn)行入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)模擬、預(yù)報(bào)精度評(píng)價(jià)，分析設(shè)計(jì)安全值法和水文模型法各自預(yù)報(bào)效果與作用，并結(jié)合兩種方法進(jìn)行聯(lián)合預(yù)報(bào)，探討資料序列較短的水庫(kù)入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)方法。

1 方法構(gòu)建

構(gòu)建的設(shè)計(jì)安全值結(jié)合水文模型的聯(lián)合預(yù)報(bào)法，包含以下過(guò)程。

1.1 數(shù)據(jù)收集分析

《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》[7]指出：對(duì)于洪水預(yù)報(bào)方案，要求使用不少于10年的水文氣象資料，其中應(yīng)包括大、中、小洪水各種代表性年份，并有足夠代表性的場(chǎng)次洪水資料，濕潤(rùn)地區(qū)不應(yīng)少于50次，干旱地區(qū)不應(yīng)少于25次，當(dāng)資料不足時(shí)，應(yīng)使用所有洪水資料。本文選用自2016年迄今全部20場(chǎng)次洪資料進(jìn)行研究。資料包括：下墊面有關(guān)的特性資料；水庫(kù)內(nèi)雨量站的逐日降雨和時(shí)段降雨資料；逐日實(shí)測(cè)水面蒸發(fā)資料；出庫(kù)流量過(guò)程；加密觀測(cè)的庫(kù)水位、閘門啟閉記錄；水庫(kù)有關(guān)的特征曲線資料。進(jìn)行以下分析。

1.1.1 流域特性數(shù)據(jù)分析

本文基于由美國(guó)航空航天局與日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省共同開(kāi)發(fā)的Aster GDEM2數(shù)字高程模型，水平分辨率達(dá)30 m[9]，使用Arcgis水文工具提取桂五水庫(kù)集水范圍(圖1)，獲取流域面積、坡度、河道長(zhǎng)度及比降等信息，見(jiàn)表1，供產(chǎn)匯流模型使用。

圖1 桂五水庫(kù)地形圖Fig.1 Terrain of Guiwu Reservoir

1.1.2 雨量站權(quán)重計(jì)算

按照泰森多邊形法計(jì)算雨量站權(quán)重，特殊地，若某站2016年迄今沒(méi)有實(shí)測(cè)記錄，則該站被判定為啞站不參與權(quán)重分析。

表1 流域特性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Properties statistic of basin

計(jì)算每個(gè)雨量站的各時(shí)段降雨量，根據(jù)每個(gè)雨量站所占流域面積權(quán)重，采用加權(quán)法對(duì)流域各雨量站的時(shí)段降雨量進(jìn)行疊加最終求得面雨量。桂五水庫(kù)的雨量站和權(quán)重計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 桂五水庫(kù)雨量站和權(quán)重Tab.2 Rainfall station and weight of Guiwu Reservoir

1.1.3 入庫(kù)流量反演

反演入庫(kù)流量[8]是根據(jù)時(shí)段內(nèi)庫(kù)容差推算得出，桂五水庫(kù)入庫(kù)流量可根據(jù)加密觀測(cè)的庫(kù)水位、出庫(kù)流量數(shù)據(jù)和庫(kù)容曲線，利用水量平衡原理反演計(jì)算，見(jiàn)公式(1)：

Qin=Qout+(Vt+1-Vt)/dt

(1)

式中：Qin為時(shí)段平均入庫(kù)流量，m3/s；Qout為時(shí)段平均出庫(kù)流量，m3/s；Vt、Vt+1為時(shí)段始末水庫(kù)蓄水量，m3；dt為計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)，h。

計(jì)算步驟為：①由水文特征確定入庫(kù)流量時(shí)段，桂五水庫(kù)流域集水面積小，產(chǎn)匯流速度快，時(shí)段宜選小一些，本文采用1 h為時(shí)段；②調(diào)節(jié)流量[9]推求，由時(shí)段首末時(shí)間庫(kù)水位查桂五水庫(kù)庫(kù)容曲線得出相應(yīng)庫(kù)容，時(shí)段內(nèi)庫(kù)容差除以時(shí)段長(zhǎng)度，得到時(shí)段調(diào)節(jié)流量；③入庫(kù)流量反演，調(diào)節(jié)流量與時(shí)段內(nèi)出庫(kù)流量的和即為反演的入庫(kù)流量。

1.2 設(shè)計(jì)安全值法

設(shè)計(jì)安全值法從防洪安全角度出發(fā)，即考慮對(duì)工程偏不利(計(jì)算結(jié)果偏大)的情況，方法使用桂五水庫(kù)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，通過(guò)初損后損法計(jì)算降雨產(chǎn)流，單位線法計(jì)算匯流，提供桂五水庫(kù)入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)的設(shè)計(jì)安全值。設(shè)計(jì)安全包括兩個(gè)方面：一是計(jì)算降雨產(chǎn)流時(shí)，考慮汛期可能發(fā)生較大洪水，對(duì)工程偏不利，從而確定初損值、后損值；二是計(jì)算匯流時(shí)，采用作為設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的分區(qū)單位線和暴雨圖集。

1.2.1 降雨產(chǎn)流計(jì)算

降雨損失計(jì)算方法[10]包括初損后損法、SCS曲線法、格林-安普特法、土壤濕度法等。桂五水庫(kù)屬季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，降雨年內(nèi)分配不均，本文選取前期降雨較少的次洪進(jìn)行模擬，故采用初損后損法計(jì)算降雨損失。初損后損法[11]是下滲曲線法的一種簡(jiǎn)化，把實(shí)際的下滲過(guò)程簡(jiǎn)化為初損和后損兩個(gè)階段，產(chǎn)流以前的總損失水量稱為初損，以流域的平均水深表示；后損主要是流域產(chǎn)流以后的下滲損失，用平均下滲率表示。產(chǎn)流計(jì)算公式為：

(2)

式中：Ri為時(shí)段i的產(chǎn)流量，mm；Pi為時(shí)段i的降雨量，mm；Ia為初損，mm；fc為平均后損率，mm/h。

1.2.2 匯流計(jì)算

單位線[12]是單位時(shí)段內(nèi)給定流域上時(shí)空分布均勻的一次單位凈雨量在流域出口斷面所形成的地面徑流(直接徑流)過(guò)程線。單位線法包括Clark單位線、Snyder單位線、SCS無(wú)因次單位線、經(jīng)驗(yàn)單位線等[10]。桂五水庫(kù)缺乏長(zhǎng)系列洪水資料，尤其是流量資料，匯流單位線依據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，本文采用經(jīng)驗(yàn)單位線法推求。經(jīng)驗(yàn)單位線法對(duì)于暴雨地區(qū)分布不同則采用分區(qū)的單位線，進(jìn)行單位線的時(shí)段轉(zhuǎn)換后，得到所需要的時(shí)段單位線。

基于江蘇省水文總站編制的“84”暴雨圖集，計(jì)算得出桂五水庫(kù)1 h單位線，并進(jìn)行單位線匯流計(jì)算。具體過(guò)程：①根據(jù)暴雨圖集，查得丘陵山區(qū)的綜合成果為m2，調(diào)節(jié)次數(shù)n；②根據(jù)公式(3)，公式(4)計(jì)算m1，K；③由上述參數(shù)，查暴雨圖集得u(t)曲線；④按公式(5)，公式(6)換算成1 h 10 mm單位線，結(jié)果見(jiàn)表3；⑤基于此單位線進(jìn)行匯流模擬計(jì)算。

m1=2.4(F/J)0.28

(3)

K=m1/n

(4)

(5)

q(t)=∑qU(t)

(6)

式中：m2為丘陵山區(qū)綜合成果；n為調(diào)節(jié)次數(shù)；J為比降；K為調(diào)節(jié)系數(shù)；m1為丘陵山區(qū)參數(shù)，均為無(wú)量綱；F為流域面積，km2。

表3 桂五水庫(kù)1 h 單位線Tab.3 1 h unit hydrograph of Guiwu Reservoir

1.3 水文模型法

國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用水文模型進(jìn)行水庫(kù)入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)已做了諸多研究，高冰等人[3-6]研究結(jié)果表明分布式水文模型可應(yīng)用于水庫(kù)入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)，但是分布式水文模型所需資料多，精度要求高[13]，桂五水庫(kù)資料序列短、種類貧乏，確定模型參數(shù)極為困難，因此應(yīng)用分布式水文模型進(jìn)行桂五水庫(kù)入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)尚不可行。

新安江模型作為集總式水文模型的典型，模型參數(shù)少，大多具有明確物理意義，且與流域自然條件關(guān)系清楚，可以尋找得到參數(shù)區(qū)域規(guī)律[14]，因此與分布式水文模型相比模型參數(shù)容易確定。唐俊龍等[15-17]利用新安江模型進(jìn)行浙江白水坑等水庫(kù)入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)研究，結(jié)果均表明新安江模型模擬精度較高，適用性很好。因此本文選擇新安江三水源模型作為水文模型，分別進(jìn)行蒸散發(fā)計(jì)算、產(chǎn)流計(jì)算、水源劃分和匯流計(jì)算，得到桂五水庫(kù)入庫(kù)洪水過(guò)程。因資料條件所限，利用2016年全部12場(chǎng)次洪進(jìn)行模型參數(shù)率定，對(duì)2017年全部8場(chǎng)次洪進(jìn)行入庫(kù)洪水模擬，最終提供入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)的模型建議值。采用三水源新安江模型具體(計(jì)算)方法及計(jì)算過(guò)程篇幅所限不贅述，參見(jiàn)文獻(xiàn)[16-18]，計(jì)算過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2 新安江流域水文模型Fig.2 Xin'anjiang model

1.4 聯(lián)合預(yù)報(bào)法

本文構(gòu)建的設(shè)計(jì)安全值結(jié)合水文模型的聯(lián)合預(yù)報(bào)法可表述為：基于兩種方法各自入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)的特點(diǎn)，為使水庫(kù)達(dá)到防洪或興利的目的，尋求最佳的組合預(yù)報(bào)方式。

具體過(guò)程包括：①構(gòu)建基于設(shè)計(jì)安全值和水文模型的入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)方法，借助入庫(kù)洪水模擬檢驗(yàn)兩種方法的預(yù)報(bào)效果，評(píng)價(jià)兩種方法的精度、等級(jí)和優(yōu)缺點(diǎn)。②針對(duì)兩種方法各自優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合水庫(kù)實(shí)際需求，尋求兩種方法最佳組合方式，進(jìn)行聯(lián)合預(yù)報(bào)，使水庫(kù)達(dá)到防洪或興利目的。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 入庫(kù)洪水模擬

首先分別檢驗(yàn)設(shè)計(jì)安全值法和水文模型法的入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)效果，對(duì)桂五水庫(kù)2017年全部8場(chǎng)次洪進(jìn)行入庫(kù)洪水模擬計(jì)算，結(jié)果包括面雨量、反演入庫(kù)流量及兩種方法計(jì)算入庫(kù)流量，見(jiàn)圖3。(簡(jiǎn)便起見(jiàn)，圖3中，設(shè)計(jì)安全值法記為方案A，水文模型法記為方案B)

圖3 兩種方法模擬的入庫(kù)洪水過(guò)程Fig.3 Hydrological processes simulated by two schemes

2.2 評(píng)定結(jié)果分析

設(shè)計(jì)安全值法和水文模型法進(jìn)行入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)，洪峰時(shí)刻的模擬誤差都在1 h以內(nèi)。通過(guò)計(jì)算各場(chǎng)洪水模擬結(jié)果，得到2種方法模擬的入庫(kù)洪水過(guò)程統(tǒng)計(jì)指標(biāo)對(duì)比結(jié)果，包含洪峰誤差、確定性系數(shù)，見(jiàn)表4，圖4。依據(jù)《水文情報(bào)規(guī)范》[8]來(lái)評(píng)定兩種方法等級(jí)，場(chǎng)次洪水模擬預(yù)報(bào)峰值誤差在實(shí)測(cè)值的20%以內(nèi)為合格，2種方法評(píng)級(jí)結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 2種方法模擬的入庫(kù)洪水過(guò)程統(tǒng)計(jì)指標(biāo)對(duì)比Tab.4 Comparison of statistic index of the flood processes simulated by two schemes

圖4 2種方法模擬的入庫(kù)洪水過(guò)程統(tǒng)計(jì)指標(biāo)對(duì)比Fig.4 Comparison of statistic index of the flood processes simulated by two schemes

表5 桂五水庫(kù)2種入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)方法評(píng)級(jí)Tab.5 Rating of two forecasting schemes of Guiwu Reservoir Flood

入庫(kù)洪水過(guò)程模擬和預(yù)報(bào)方案評(píng)級(jí)結(jié)果表明，兩種方法對(duì)桂五水庫(kù)入庫(kù)洪水過(guò)程均有較好的模擬效果。其中，設(shè)計(jì)安全值法預(yù)報(bào)結(jié)果，計(jì)算峰值平均比反推入庫(kù)洪峰流量大11.66%，且僅有2場(chǎng)次洪預(yù)報(bào)計(jì)算峰值比反推入庫(kù)洪峰流量小，分別為20170610場(chǎng)洪水的3.7%與20170408場(chǎng)洪水的0.41%，因此設(shè)計(jì)安全值法可有效保證入庫(kù)洪水的安全性；除20170508、20170808和201707273場(chǎng)洪峰誤差略大于20%，其余場(chǎng)次洪水峰值誤差均滿足預(yù)報(bào)要求，次洪合格率為62.5%，考慮到設(shè)計(jì)安全值法模擬結(jié)果偏安全，結(jié)果可以接受，同時(shí)確定性系數(shù)為0.77，精度等級(jí)總評(píng)為乙級(jí)。水文模型法預(yù)報(bào)結(jié)果，計(jì)算峰值平均比反推數(shù)據(jù)小3.23%，且全部8場(chǎng)次洪預(yù)報(bào)計(jì)算峰值與反推入庫(kù)洪峰流量誤差均小于5%；確定性系數(shù)為0.88，次洪合格率為100%，精度等級(jí)總評(píng)為甲級(jí)，因此水文模型法預(yù)報(bào)結(jié)果優(yōu)良。

計(jì)算結(jié)果偏不利(偏大)的設(shè)計(jì)安全值法與預(yù)報(bào)精度穩(wěn)定準(zhǔn)確的水文模型法聯(lián)合預(yù)報(bào)，可應(yīng)用于桂五水庫(kù)入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)，具體地：當(dāng)汛期或者庫(kù)水位較高時(shí)，需從防洪安全角度出發(fā)，選擇計(jì)算結(jié)果偏不利(偏大)的設(shè)計(jì)安全值法進(jìn)行入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)；更安全的，可選擇兩種方法同時(shí)進(jìn)行入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)，并取兩種方法模擬結(jié)果的外包線作為預(yù)報(bào)結(jié)果，用以水庫(kù)調(diào)度使用，見(jiàn)圖5。當(dāng)非汛期或者庫(kù)水位較低時(shí)，需從興利角度出發(fā)，選擇計(jì)算結(jié)果較為精確的水文模型法進(jìn)行入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)。

圖5 兩種方法預(yù)報(bào)結(jié)果外包線作安全值Fig.5 Envelope curve of two schemes as safety value

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)洪水資料序列較短的水庫(kù)入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)方法的缺失，以桂五水庫(kù)為例，構(gòu)建設(shè)計(jì)安全值結(jié)合水文模型的聯(lián)合預(yù)報(bào)法。在對(duì)入庫(kù)洪水模擬的基礎(chǔ)上，對(duì)比統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，探究?jī)煞N方法在入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)的作用。通過(guò)本文研究，可以得到下述結(jié)論。

(1)聯(lián)合計(jì)算結(jié)果偏不利(偏大)的設(shè)計(jì)安全值法與預(yù)報(bào)精度穩(wěn)定準(zhǔn)確的水文模型法，可應(yīng)用于桂五水庫(kù)入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)精度較高。

(2)設(shè)計(jì)安全值結(jié)合水文模型的聯(lián)合預(yù)報(bào)法，可應(yīng)用于洪水資料序列積累較短的水庫(kù)入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)。

(3)下一步研究的重心在于明確降雨空間分布不均對(duì)設(shè)計(jì)安全值法入庫(kù)洪水過(guò)程的影響；此外，隨實(shí)測(cè)資料累積需逐年進(jìn)行水文模型參數(shù)率定工作，修編水文模型法。

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