何 斌，劉寶庫，卓聞濤，李一冰

(大連理工大學(xué)水利工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

0 引 言

洪水預(yù)報是水庫進行防洪預(yù)報調(diào)度時不可或缺的重要手段。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，水庫上游興建了水利工程，在一定程度上影響著流域的產(chǎn)匯流機制，給洪水預(yù)報增加了不少困難。一方面，當降雨開始時，上游水庫的水位往往沒有達到汛限水位，此時水庫會關(guān)閘蓄水，這就會導(dǎo)致對下游水庫的入庫洪水造成一定量的截留作用。另一方面，當上游水庫的入庫洪水較大時，由于水庫有下泄流量的約束，入庫洪水經(jīng)過水庫的調(diào)節(jié)作用會起到削峰與滯洪的效果，這就會改變下游水庫的入庫洪水過程。以上變化導(dǎo)致流域原有的洪水預(yù)報方式將很難準確模擬出實際的流域洪水，從而降低了洪水預(yù)報信息的可利用性。

目前，針對水利工程等人類活動對產(chǎn)匯流作用的影響，學(xué)者們嘗試從調(diào)整模型參數(shù)、增加模型模塊、劃分單元等多個方式進行研究分析[1- 4]，取得了較為豐富的成果。例如，葛于晉等[5]用虛擬水庫來概化水庫上游小水庫群的攔蓄作用，對模型進行改進；崔歡歡[6]將門樓水庫以上流域根據(jù)流域的特點分成若干單元，將同一單元內(nèi)的所有水庫概化成一個水庫，并對流域的產(chǎn)匯流參數(shù)進行動態(tài)調(diào)整，以此來反映小型水利工程對匯流的影響；溫雪營[7]基于水庫供水提出結(jié)合供水模型與新安江模型的計算方法，使得模擬效果有較大的改進。然而，在實際的水庫運行管理工作中，與上游水利工程相關(guān)的水雨工情實時信息往往不易獲得，因而難以定量分析出上游水利工程對下游流域產(chǎn)匯流的影響。本文以碧流河水庫為例，分析上游水利工程的修建對其洪水過程產(chǎn)生的影響，并從產(chǎn)流和匯流兩個方面對水庫的洪水預(yù)報模型改進，以期提高水庫洪水預(yù)報信息的可利用性。

1 流域概況

碧流河水庫位于碧流河干流上(見圖1)，水庫控制面積為2 085 km2，占全流域面積的74.1%，多年平均徑流量為6.62億m3。水庫主壩長708.5 m，壩頂高程為74.3 m。碧流河水庫的設(shè)計標準為500年一遇洪水設(shè)計，10 000年一遇洪水校核，設(shè)計死水位為47.0 m，相應(yīng)庫容0.7億m3，正常高水位為69.0 m，相應(yīng)庫容為7.14億m3，設(shè)計洪水位71.0 m，相應(yīng)庫容為8.32億m3，校核洪水位72.6 m，相應(yīng)庫容為9.34億m3。水庫的多年平均供水量約為4.03億m3，其中城市及工業(yè)供水3.65億m3，農(nóng)業(yè)供水0.39億m3，灌溉水田4 206.67 hm2。

圖1 碧流河流域示意

碧流河水庫上游的玉石水庫于2001年建成。水庫控制面積為313 km2，占碧流河水庫控制面積的15.0 %，多年平均徑流量為8 950萬m3，占碧流河水庫多年平均徑流量的14.4 %。水庫的主要供水任務(wù)為向營口市鲅魚圈區(qū)提供城市生活及工業(yè)用水，設(shè)計日供水量12.6萬t；其設(shè)計標準為50年一遇洪水設(shè)計，500年一遇洪水校核，設(shè)計洪水位201.4 m，相應(yīng)庫容為8 002萬m3，校核洪水位202.7 m，相應(yīng)庫容為8 852萬m3。水庫的凈調(diào)節(jié)水量為4 638萬m3。玉石水庫的建成對碧流河水庫的防洪興利效益帶來一定影響。

2 不考慮玉石水庫影響的碧流河洪水預(yù)報結(jié)果

2.1 預(yù)報模型

新安江模型(XAJ)作為概念性水文模型已被廣泛應(yīng)用于中國半干旱半濕潤地區(qū)的徑流模擬[8-9]。碧流河流域?qū)儆诎霛駶櫟貐^(qū)，流域植被覆蓋良好，產(chǎn)流模式一般為蓄滿產(chǎn)流模式，因此采用基于蓄滿產(chǎn)流模式的新安江模型對碧流河水庫的洪水預(yù)報方法進行研究。模型的參數(shù)率定方法選用在水庫的優(yōu)化調(diào)度、水電站經(jīng)濟運行、水文參數(shù)優(yōu)選等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用的粒子群算法[10-11]。

由于碧流河流域面積較大，降雨分布對洪水匯流過程的影響十分顯著。故，本文根據(jù)流域的地形等特征，將碧流河水庫以上流域分為面積相近的3個單元。其中，玉石水庫以上流域作為單獨的一個單元。在進行洪水演進時，針對第一個單元不做演進，第二個單元不分段演進，第三個單元分兩段進行演進。由于流量資料只有碧流河水庫的逐時段流量過程，各個單元的出口斷面沒有實測流量過程，若是進行分單元參數(shù)率定，則不能驗證各個單元采用參數(shù)的合理性；因此，本文對各單元模型參數(shù)進行統(tǒng)一率定。

2.2 預(yù)報結(jié)果

選擇碧流河流域1984年～2001年玉石水庫修建前的15場洪水進行模型參數(shù)的率定，其結(jié)果如表1所示。根據(jù)該參數(shù)對玉石水庫建庫后的9場洪水進行預(yù)報模擬，結(jié)果見表2、3。對于玉石水庫建庫之后的9場洪水，其預(yù)報的結(jié)果不夠理想，產(chǎn)流預(yù)報有2場不合格，匯流預(yù)報有4場不合格，合格率分別只有77.8%和55.6%；而且模擬合格的場次精度也不高，難以滿足碧流河水庫進行預(yù)報調(diào)度的需求。

表1 新安江模型參數(shù)優(yōu)選結(jié)果

表2 玉石水庫建庫后產(chǎn)流預(yù)報結(jié)果

表3 玉石水庫建庫后匯流預(yù)報結(jié)果

由模擬結(jié)果分析可見，產(chǎn)流預(yù)報的結(jié)果普遍偏大，說明玉石水庫對碧流河水庫以上流域產(chǎn)生的徑流存在截留的作用，因此需要對預(yù)報模型進行改進從而考慮玉石水庫的影響。

3 考慮玉石水庫影響的碧流河洪水預(yù)報方式研究

3.1 產(chǎn)流模型改進

上游水庫對徑流截留量的大小主要由水庫初始的水位決定。當降雨開始時，若上游水庫的水位沒有達到汛限水位，此時水庫會關(guān)閘蓄水，從而會截留一部分下游水庫的入庫洪水。水位越低，則水庫的截留量就越大，所以在進行洪水預(yù)報時，需要獲悉降雨開始時上游水庫的初始水位。玉石水庫與碧流河水庫分屬營口市與大連市管轄。由于管理體制等原因，碧流河水庫管理局往往無法第一時間得到玉石水庫水情工情的實時信息；因此，玉石水庫的初始水位只能通過其他方法來近似計算得到。

水庫在降雨開始時的初始水位和流域前期的降雨情況息息相關(guān)，也就是流域的前期干旱程度。若降雨開始前久旱無雨，水庫的初始水位就會維持在一個較低的狀態(tài)，本次降雨的截留量也就會比較大；若降雨開始前不久剛剛經(jīng)歷過一場大雨，則水庫的初始水位就會維持在汛限水位附近，本次降雨的截留量也就會比較小，甚至不截留。而流域的前期降雨情況可以近似地由新安江模型中的土壤前期含水量來量化；因此，可以對土壤前期含水量進行計算處理近似地得到降雨開始時水庫的初始水位，進而計算水庫對徑流的截留量。

本文在產(chǎn)流模型中針對玉石水庫控制的單元引入截留函數(shù)，結(jié)合玉石水庫以上單元的前期土壤含水量概化玉石水庫截留的徑流量。在產(chǎn)流計算之后，對計算得到的凈雨量進行截留計算，扣除水庫截留量之后再進行三水源劃分計算。截留函數(shù)具體計算方法如下：

V0=a(W′0/Wm)b(Vc-Vd)+Vd

(1)

Rv=(Vc-V0)/A=[1-a(W′0/Wm)b](Vc-Vd)/A

(2)

式中，V0為每場洪水水庫在降雨開始前的初始蓄水量，m3；W′0為每場洪水在扣除水庫供水的水量后計算得到的土壤前期含水量，mm；Wm為流域土壤蓄水容量，mm；Vc為水庫汛限水位對應(yīng)的庫容，m3；Vd為水庫的死庫容，m3；Rv為水庫在該場洪水截留的凈雨量，mm；A為玉石水庫控制的流域面積，km2；a、b分別為徑流截留函數(shù)參數(shù)。

式(1)、式(2)把前期土壤含水量和水庫截留的徑流量的相關(guān)性概化成一條曲線，通過土壤前期含水量的數(shù)值來近似地計算水庫截留的徑流量。曲線的參數(shù)a和b通過控制其他參數(shù)不變，用玉石水庫建庫后的9場實測洪水進行率定。

3.2 匯流模型改進

當上游水庫的水位達到汛限水位后，水庫會根據(jù)設(shè)計的調(diào)度規(guī)則進行泄流。此時，水庫的調(diào)節(jié)作用會對入庫洪水產(chǎn)生削峰與滯洪的效果，從而改變下游水庫的入庫洪水過程。所以在進行洪水預(yù)報時，需要通過上游水庫實時的泄流信息來修正預(yù)報。由于碧流河水庫管理局無法第一時間得知玉石水庫的泄流情況，所以對于玉石水庫對碧流河水庫入庫洪水的調(diào)蓄作用，需要依據(jù)調(diào)度規(guī)則對玉石水庫的泄流過程進行模擬。

本文通過在匯流模型中針對玉石水庫控制的單元引入玉石水庫的調(diào)度規(guī)則，建立水庫的調(diào)蓄模型來模擬匯流過程。玉石水庫的調(diào)度方式為：以壩前水位作為判別條件，從汛限水位201.0 m起，采用溢洪道5孔閘門全開自由溢流。在具體運行中，水庫閘門在泄流時要逐步開啟(如閘門半開或開啟1/3、2/3高度和孔數(shù))，最終達到閘門全開；洪峰過后在關(guān)閉閘門時，也要逐步進行，以調(diào)節(jié)下泄流量。假設(shè)當玉石水庫水位達到汛限水位時，對應(yīng)的水庫溢洪道閘門全開的泄流能力為qc，具體的調(diào)度方式可以簡化為：①當庫水位不超過201.0 m，且實際入流

在進行坡地匯流的計算之后，以坡地匯流計算的結(jié)果作為玉石水庫的入庫洪水過程。由于在產(chǎn)流模型中已經(jīng)考慮了水庫的截留作用，所以當某時段開始產(chǎn)生徑流時，說明玉石水庫已經(jīng)蓄至汛限水位。所以可以直接設(shè)置初始水位為汛限水位，依據(jù)玉石水庫的調(diào)度方式進行調(diào)洪計算，計算得到的下泄流量過程作為該單元的出口斷面流量過程。

3.3 模型應(yīng)用結(jié)果分析

本文首先利用玉石水庫建庫后的9場洪水對截留函數(shù)參數(shù)a和b進行參數(shù)率定，然后利用改進后的產(chǎn)流預(yù)報模型重新對這9場洪水進行模擬。a和b率定得到的結(jié)果分別為a=1.09，b=1.30。場次洪水產(chǎn)匯流預(yù)報結(jié)果分別見表4、5。

表4 改進模型的碧流河水庫產(chǎn)流預(yù)報結(jié)果

表5 改進模型的碧流河水庫匯流預(yù)報結(jié)果

由表4、5可以看出，采用改進的新安江模型的模擬結(jié)果，精度和合格率都有了較大的提升，產(chǎn)流預(yù)報合格率由77.8%提升到88.9%，匯流預(yù)報合格率由55.6%提升到77.8%。

表4中顯示，20100819場次洪水產(chǎn)流由不合格變?yōu)楹细?。該場洪水前期土壤含水量?7.3 mm，前期較為干旱，并且分析降雨資料可知，該場洪水的降雨主要集中在上游玉石水庫控制的流域。由此說明，玉石水庫的截留作用較為明顯。改進后的預(yù)報模型模擬的結(jié)果比起原模型更接近實際，而該場洪水的匯流模擬峰值相對誤差僅有2.98%，但峰現(xiàn)時間模擬不合格。經(jīng)過分析可知，該場洪水降雨主要集中在3個時段，實際洪水過程為三峰型洪水，且前兩個洪峰的流量差距不到1 m3/s，而用改進模型預(yù)報得到的結(jié)果第一個洪峰的流量要略大于第二個洪峰，因此導(dǎo)致了峰現(xiàn)時間的模擬結(jié)果發(fā)生較大誤差。

由表4可以看出，20080731場次洪水前期土壤含水量僅有65.6 mm，前期土壤非常干旱，20040803場次洪水的前期土壤含水量達到了105.9 mm，這兩場洪水的降雨總量相近，而20040803場次洪水前期更為濕潤，實際產(chǎn)流量卻比20080731場次洪水的產(chǎn)流量小了近10 mm。經(jīng)過對資料的分析發(fā)現(xiàn)，該場洪水的時段降雨資料與日降雨資料都僅有一個雨量站的資料，其他雨量站均缺測。因此，進行模擬時采用的各單元平均日降雨量與各單元平均時段降雨量都是該雨量站的資料，可能與當時實際的降雨分布情況有較大的出入，進而出現(xiàn)了上述這種不合理的現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

本文針對玉石水庫的修建改變了碧流河流域的產(chǎn)匯流情況這一問題，在無法得知玉石水庫實時的水情工情的情況下，通過對玉石水庫修建產(chǎn)生的影響進行分析，從產(chǎn)流模型和匯流模型兩個方面對新安江模型進行了改進。洪水模擬結(jié)果表明，改進的模型能夠有效地概化玉石水庫的截留與調(diào)蓄作用，較原先的模擬效果更好，水庫洪水預(yù)報信息的可利用性得到了有效的提升，也可以為其他流域考慮上游水利工程影響的洪水預(yù)報方式研究提供參考。