积石峡水电站水文预报方案与站网规划设计

赵延智，邢瑞丰，武志刚

（1.青海禹天监理咨询有限公司，青海 西宁 810008；2.青海省化隆县水务局，青海 化隆 810900；3.西安理工大学，陕西 西安 710048）

积石峡水电站是黄河上游龙羊峡—青铜峡河段规划的25座水电站中第11座，是继龙羊峡、拉西瓦、李家峡、公伯峡等大型水电站之后的第5座大型水电站。公伯峡—积石峡区间（以下简称 “公—积区间”）洪水陡涨陡落，局部暴雨中心变化无常，对水库安全度汛威胁较大；且黄河上游常出现短历时高强度局地暴雨，易产生峰高量小的洪水。因此，为了加强防洪指挥力度、争取预见期，在公—积区间设置水情自动测报系统是有必要的；同时，也是西北全网水调自动化和日后水库运行调度所必需的。

1 水文预报方案

1.1 流域水文站网现状

积石峡水电站坝址位于积石峡峡谷距河源1 938 km的出口处，坝址以上流域面积为146 749 km2，占全流域面积的19.5%，而水量占全流域水量的38.8%。其中，公—积区间的流域面积为3 130 km2，有甘都沟、盐沟、街子沟等支流汇入。目前，一个水文站（循化）无法控制其流域内的降雨。（由于积石峡水电站建成后，循化水文站将处于水库的淹没区，根据2008年6月的调研情况将迁移至黄丰水电站下游—循化区段。）

1.2 水文预报方案配置

积石峡水电站坝址流量主要由来自公伯峡下泄流量和来自公—积区间降雨引起的洪水流量两个部分组成。其中，黄河主河道下泄流量为主要洪水流量，区间内局部暴雨的来水强度高、历时短。由于公—积之间有梯级开发的苏只水电站及正准备施工的黄丰水电站，使得公—积区间河道基本处于积石峡水库的回水淹没区。因此，公—积坝址之间的流量预报方案，主要取决于其洪水预报。

1.2.1 区间洪水预报

目前，流域洪水预报模型，主要有3大类：系统理论模型、概念性模型和分布式模型。流域洪水预报模型的选择，一般需要根据流域的产流特点以及流域资料情况进行。积石峡水电站位于黄河上游流域段，属干旱半干旱地区，且该流域现有的水文资料稀少，公—积区间流域洪水预报模型的构建及选择困难较大。根据目前的资料情况，公—积区间的洪水预报拟采用自然子流域结合栅格单元的水文模型方法。在构建单元水文模型时，采用传统的概念性水文模型——超渗产流模型；而每个子流域的汇流过程采用等流时线法。等流时线主要采用该区间流域的数字高程数据，通过ARCGIS软件进行提取获得。

1.2.2 河道洪水流量组成

公—积坝址区间河道上有苏只水电站及准备施工的黄丰水电站，这两个水电站将公—积区间河段划分为三段，各水电站的库区来水组成见图1。

图1 公—积坝址区间河道洪水流量组成

根据河道梯级开发情况，一般来说上游水库电站的出库流量会直接进入下游水库电站的库区，因此这里不进行河道的洪水演进计算。

1.3 公—积区间流域的水文预报模型

根据公—积坝址区间流域的数字高程数据，在建立该区间流域的洪水预报模型时，将研究区域划分为12个子流域（见图2），每个子流域被作为一个独立的研究单元。对于每个研究单元，在降雨中分别进行产、汇流计算，从而得到各子流域出口处降雨形成的洪水流量过程。下面介绍洪水预报模型的各个组成部分。

1.3.1 冠层截留

在降雨产、汇流计算过程中，植被冠层是同大气接触的第一个层面，植被冠层截留量对蒸散发量有着重要的影响。但公—积坝址区间流域内的植被覆盖情况很差，因此在建模过程中可不考虑植被的冠层截留。

1.3.2 蒸散发

蒸散发计算，实际上包含潜在蒸发能力计算与实际蒸散发量计算两个部分。本次不考虑潜在蒸发能力的计算，而以当地实测蒸发资料作为蒸发能力

图2 公—积坝址区间流域的子流域划分

式中，E1为冠层实际蒸发量；t为计算时段；IA为冠层实际截留量；EP为蒸发能力。

1.3.3 子流域单元上的产流计算

通过对流域的离散化，将公—积区间划分为较小的子流域，对每个子流域的产汇流采用概念性降雨径流模型的超渗产流模型进行产流计算。由于各子流域的土壤的渗水能力不同，因此在进行超渗产流计算时，各子流域的土壤入渗曲线需要分别通过单点试验或历史数据来确定。

1.3.4 子流域单元的汇流计算

在概念性洪水预报模型中，对流域的汇流计算一般有两种途径：单位线法（属于黑箱子性质）和等流时线法（属于概化推理性质）。此次根据流域的数字高程数据，采用等流时线法对各子流域单元的汇流进行计算。

2 公—积区间流域水情测报系统站网规划方案

2.1 站网规划原则

积石峡水电站水情自动测报系统站网规划的范围是公—积区间流域及其主河道。对于水情自动测报站网的布设原则为：①能反映控制测报区雨情和水情的变化；②考虑预报模型和方案，使水文预报方案精度最终达到甲级；③有利于水情自动测报系统的建设、运行和维护管理；④所有站点避开可能发生塌方、滑坡或泥石流地区，避开强电磁场、强震动等干扰源，尽可能地靠近居民点，便于看护和管理；⑤遥测站的布设遵循科学合理、经济可行的基本原则，充分利用已建水文站网，数量合理精简。

2.2 站网布设

在具体拟定遥测站网时，主要根据流域的实际情况并结合流域水文预报方案配置的需要，分析其运行中的不足和其对预报方案的适应性。在保证洪水预报精度的前提下，以最经济的系统规模和投资来布设遥测站点。积石峡水电站水情自动测报系统遥测站网见图2。

（1）遥测水位站布设。其布设目的主要作为水文预报的控制站，及时掌握水情变化，并检验预报模型预报计算成果，对预报误差时序变化规律、流量过程等进行逐时校正。对于本系统来说，主要考虑控制产洪区域的原则，控制公—积区间入库站、出库站和库区站。

（2）遥测雨量站布设。通常情况下，遥测雨量站网设置主要以面雨量精度作为目标函数进行论证，其方法为抽站法和等值线法。由于本区间历史资料较少，利用以上方法论证比较困难，所以设计主要通过规范要求的站网密度和与其条件类似的站网情况作为参考进行遥测雨量站网布设。

（3）遥测站网布设。依据SL 61—2003《水情自动测报系统技术规范》和SL 34—92《水文站网规划技术导则》的规定，结合公—积区间流域气象、水文特性以及管理、维护要求，在流域内形成一个能控制流域降雨时空分布特性和各种来水情况的信息采集网络，在满足水电站水情预报、预见期的前提下，分析公—积区间的流域特性，即主要有三条支沟，分别为街子沟、盐沟和甘都沟，其为区间洪水的主要来源。

3 结语

根据自动测报站网规划原则，积石峡水电站水情自动测报系统布设了1个中心站，3个水位雨量站，2个水位站，6个雨量站，并采用自然子流域结合栅格单元的超渗产流水文模型进行区间的洪水预报。该系统由水情遥测站、中心站、通信网络、中心数据处理与应用管理系统软件几个主要部分构成。系统建设，采用现代信息采集技术、通信技术、计算机网络技术、信息处理技术建成覆盖公—积流域区间的水情测报系统，实现动态监测和实时报警，为防洪指挥、安全度汛赢得宝贵的时间，最大限度地减少暴雨洪水灾害损失，确保人民生命财产安全。