柴河水库汛期可能遭遇的极端和突发水文事件的初始识别及对应的初步预案

柴河水库汛期可能遭遇的极端和突发水文事件的初始识别及对应的初步预案

张伟夫

(辽宁省柴河水库管理局，辽宁 铁岭112000)

摘要：本文对柴河水库在汛期可能遭遇的极端突发水文事件的类型作了初级预测，并设计了初步的预报调度方面的对应预案。

关键词：极端突发水文事件；初步识别；初步预案

中图分类号：TV697

Initial Identification of Chaihe Reservoir Flood Season Possible Extreme

Outbreak Hydrological Events and Corresponding Preliminary Plans

ZHANG Wei-fu

(LiaoningChaiheReservoirAuthority,Tieling112000,China)

Abstract：In the paper, possible outbreak hydrological event types of Chaihe Reservoir during flood season are primarily predicted, and primary corresponding plans in the aspect of forecast scheduling are designed.

Keywords：extreme outbreak hydrological events; initial identification; preliminary plans

1概述

柴河水库是修建于辽河左侧较大支流柴河上的大(2)型水库，距铁岭市12km，承担防御铁岭市20年一遇洪水和为辽河干流30年一遇洪水错峰的防洪任务。水库防洪标准为100年一遇设计、10000年一遇校核。

近年来，因气候变化、人类活动和其他因素导致柴河流域降雨洪水特征、丰枯交替规律发生了明显改变。更应当引起注意的是，上述改变促进和加速了水文事件特别是暴雨洪水事件的特征量值向两级化方向发展，极端和突发水文事件发生频率和量级呈明显的上升趋势。2013年8月16日，与柴河上游流域紧邻的清原县发生了局地特大洪涝灾害，多项降雨指标达历史极值。柴河流域上游位于清原县境内，柴河流域“13·8·16”暴雨是清原“13·8·16”暴雨的外围，其两个雨量站降雨量分别为139mm和139.5mm。清原“13·8·16”暴雨中心距柴河流域19.2km，距水库入库站47.9km，距大坝入库站59.8km，降雨中心稍微向西偏移，这场特大暴雨就会发生在柴河流域，因此未来柴河流域发生相似暴雨的可能性很大。而且随着全球气候变暖，极端天气气候事件呈现出增多增强的趋势，预计今后此类极端事件的出现将更加频繁。

针对这一情况，本文对柴河流域可能发生的极端水文事件进行了初步估计，并在预报调度方面编制了初级预案。为保证预案有针对性，首先对极端和突发水文事件进行分类。

2柴河水库汛期可能遭遇的极端和突发水文事件的定义和分类

2.1定义

在本文中，柴河水库汛期极端和突发水文事件指由极端天气事件直接引发的严重偏离柴河流域洪水平均状态的洪水事件和水库汛期运行时与可能出现的水库结构问题相伴随的调度事件。

2.2分类

本文中柴河流域汛期可能遭遇的极端和突发水文事件按事件的性质和破坏力进行分类，初步分为特大暴雨洪水、水库加固危险期发生暴雨洪水、稀遇暴雨洪水偏离原有的汛期洪水分期、暴雨洪水与地震并发、水库溃坝等5个极端事件。

下面在上述两个分类的基础上分别寻找上述事件发生初步判别条件和对应的初步预案。

3柴河水库汛期可能遭遇的极端和突发水文事件的初始识别与初步预案

3.1特大暴雨洪水

在柴河流域，特大暴雨洪水发生概率最大，来势最迅猛，预报难度大。

下面是基于将清原“13·8·16”暴雨移植到柴河流域后，形成的初步预报调度预案。

a.按下垫面特征进行分区产汇流计算。柴河流域上游为清原丘陵地区，与清原“13·8·16”暴雨洪灾区的地形地貌有许多相似之处。针对“13·8·16”洪水特点，将流域内沟壑密布、山高坡陡、水系发达和河谷狭窄区域从流域中划分出来，单独进行产汇流计算。

b.土壤含水量计算。土壤含水量除受蒸发影响外，还依地势不同，在不同程度上受地下水埋深的影响。柴河上游清原境内山丘区域，也就是(1)中单独进行产汇流计算区域的土壤含水量变化规律，受地下水埋深的影响更大。因此，汛前需对该区域地下水埋深规律做估算，包括极限埋深、降雨前埋深、降雨后埋深等。

c.预报模型参数调整。对2010年洪水呈现的新的产汇流特征率定为洪水预报模型参数。一是连续降雨后回归流的范围、量值及其趋势的估计问题；二是不同流速径流成分比例的估计问题。前者直接影响到特大暴雨洪水洪量预报精度，后者直接影响洪峰流量和峰现时间预报的预报精度。

d.组合计算。当遭遇强降雨时，按最危险组合进行估算，即按坡地流速最大、汇入河道后流速最大、涨率最大、冲击力最强计算。南北两个支流在入库站附近汇合时按上游洪水、坡面洪水和山谷洪水的峰值组合计算，并计入洪水顶托，以获取可能的最危险的、对水库工程最不利的数据。

e.入库洪水计算。除原来的系数法、指示流域法外增加新的实验方法。具体做法是：将入库站洪水过程，采用马斯京根法演算到坝前，用同时段的由库水位反推的坝前流量过程减去相应的演算的流量过程，即可得区间流量过程。

进行入库站洪水过程与坝址洪水过程传播时间关系分析，点绘洪峰流量与传播时间的关系曲线。

f.洪水调节计算。根据对清原“13·8·16”洪水特性的分析，水库在遭遇类似超标准洪水时，在采用静库容法进行调洪演算的基础上，增加动库容方法，以克服洪水峰高量大、涨势迅猛形成的楔形库容带来的调洪演算误差。

g.预报结果的风险评估。分解预报过程，计算关键点的风险，评估预报的误差是否可以被接受。

h.调度模式。为确保安全和灵活，采用预报和常规相结合的调度模式。

对于标准内洪水，设定绝对安全的调度运行方式，以反推方式，推求一个上限定量估计值，偏安全地确定各种调度方案的使用范围。

对于超标准洪水，要作统计上的估计，并且对频率过程线外延导致的和统计参数不稳定导致的误差加以分析。

洪水节点处的调度采用预报调度与预补偿调度相结合的方式。柴河水库防洪库容和兴利库容部分结合，前期所需防洪库容较大， 因此需根据预报进行合理的预泄，提前腾出库容以纳蓄即将发生的洪水。

i.当水库遭遇50年一遇以上洪水时，必须考虑泥沙淤积对洪水预报成果，特别是调洪演算成果的影响。柴河水库历经40年运行，泥沙淤积减少了水库约0.32亿m3的有效库容。而且这些泥沙大部分分布在110m高程以上，对大洪水的调洪演算成果有很大影响；而大洪水，特别是接近保坝标准的大洪水，调洪成果的准确度对水库安全至关重要。

3.2水库加固危险期发生暴雨洪水

柴河水库除险加固于2009年结束，水库大坝自此到设计使用年限内的风险分布服从可靠性工程中的浴盆曲线危险函数。据此推算，2015—2017年水库仍处于中高危险期与正常期的交界处。当流域发生暴雨洪水或水库需大流量放水时，可能造成坝体的不稳定。对于这一问题，相应的预案如下：

a.加强水文和工程观测，并及时分析观测数据。

b.根据中长期预报和短期天气预报，在大的降雨洪水到来前，尽量结合农业灌溉、电厂发电和生态供水采取预泄调度方式。

c.尽量平稳放流，避免超过水库规定的日降率0.5m的大流量泄流。

3.3稀遇暴雨洪水偏离原有的汛期洪水分期

这是一个看似危害不大并可能被忽略，但却是一个困扰水库调度，并可能引发影响水库防洪安全问题的因素。柴河水库汛期采用分期洪水调度，汛期分期采用水库初步设计成果，而初步设计所依据的资料系列为建库前雨洪系列(1972年以前)。柴河水库投入运行至今已40年，期间，流域降雨、径流和下垫面条件发生了很大改变，稀遇暴雨的量级和频率逐渐偏离长期变化规律。如2010年，年内最大场次降雨和最大洪水发生在主汛期之后。而水库调度方案、泄流方式和汛期限制水位的确定与汛期分期密切相关。因此，需对目前降雨洪水在时间上的分布进行分析。但暴雨洪水规律的改变只在近几年，依据短系列进行的分析无法断定暴雨洪水规律是否长期偏离设计成果。对此，采用如下解决方法：

a.对汛限水位采用动态控制方法。

b.按目前暴雨洪水在时间上的分布进行分期，与原分期配合使用。

c.将暴雨洪水在时间上的分配规律改变前后作为一个系列，据此采用蒙特卡洛法模拟出50年以上资料数据，再对其进行分期。

3.4暴雨洪水与地震并发

暴雨洪水与地震并发是小概率事件，一旦发生且达到一定量级，对水库大坝的危害是所有事件中最大的，特别是当暴雨洪水与地震同时发生的时候。

对于地震无法识别与预警，只能预先针对可能发生的不同烈度的地震对水库运行可能发生的影响进行估计。假定水库高水位运行期遭遇破坏性大地震，必须泄放水体，则需进行以下工作：

a.水体突然泄放的初始流态的模拟。

b.可能泄放的最大流量的估算及泄流过程的推求。

c.水体向下游的演进过程的推算。

3.5水库溃坝

水库溃坝是极小概率事件，一旦发生，会造成灾难性后果。水库溃坝一般基本发生在极值状态，而且绝大多数是暴雨洪水的极值状态。对此，初步的预案如下：

当发生超过5000年一遇洪水时，以面临的洪水量值，结合工程观测数据，采用重现期法和安全系数法，对水库进行溃坝风险分析。

当采用上述2种方法进行的风险分析数值有1种接近临界值时，立即采取保坝和水库下游人口撤离的措施。同时加密暴雨洪水观测。

4结语

本文对柴河水库汛期可能遭遇的极端和突发水文事件进行了最初级的识别和在这种识别基础上制作了最初级的预案。在此基础上，需针对每一个具体的问题，作更清晰的识别和更准确细致的预报调度方案。

参考文献

[1]徐玉英，等.柴河水库洪水调度预案及险情对策[J].东北水利水电，2003(8).

[2]Duckstein L,Plate,E J.水资源工程可靠性与风险[M].北京：水利电力出版社，1993.