考虑玉石水库影响的碧流河水库洪水预报方式

何 斌，刘宝库，卓闻涛，李一冰

(大连理工大学水利工程学院，辽宁 大连 116024)

0 引 言

洪水预报是水库进行防洪预报调度时不可或缺的重要手段。随着社会经济的发展，水库上游兴建了水利工程，在一定程度上影响着流域的产汇流机制，给洪水预报增加了不少困难。一方面，当降雨开始时，上游水库的水位往往没有达到汛限水位，此时水库会关闸蓄水，这就会导致对下游水库的入库洪水造成一定量的截留作用。另一方面，当上游水库的入库洪水较大时，由于水库有下泄流量的约束，入库洪水经过水库的调节作用会起到削峰与滞洪的效果，这就会改变下游水库的入库洪水过程。以上变化导致流域原有的洪水预报方式将很难准确模拟出实际的流域洪水，从而降低了洪水预报信息的可利用性。

目前，针对水利工程等人类活动对产汇流作用的影响，学者们尝试从调整模型参数、增加模型模块、划分单元等多个方式进行研究分析[1- 4]，取得了较为丰富的成果。例如，葛于晋等[5]用虚拟水库来概化水库上游小水库群的拦蓄作用，对模型进行改进；崔欢欢[6]将门楼水库以上流域根据流域的特点分成若干单元，将同一单元内的所有水库概化成一个水库，并对流域的产汇流参数进行动态调整，以此来反映小型水利工程对汇流的影响；温雪营[7]基于水库供水提出结合供水模型与新安江模型的计算方法，使得模拟效果有较大的改进。然而，在实际的水库运行管理工作中，与上游水利工程相关的水雨工情实时信息往往不易获得，因而难以定量分析出上游水利工程对下游流域产汇流的影响。本文以碧流河水库为例，分析上游水利工程的修建对其洪水过程产生的影响，并从产流和汇流两个方面对水库的洪水预报模型改进，以期提高水库洪水预报信息的可利用性。

1 流域概况

碧流河水库位于碧流河干流上(见图1)，水库控制面积为2 085 km2，占全流域面积的74.1%，多年平均径流量为6.62亿m3。水库主坝长708.5 m，坝顶高程为74.3 m。碧流河水库的设计标准为500年一遇洪水设计，10 000年一遇洪水校核，设计死水位为47.0 m，相应库容0.7亿m3，正常高水位为69.0 m，相应库容为7.14亿m3，设计洪水位71.0 m，相应库容为8.32亿m3，校核洪水位72.6 m，相应库容为9.34亿m3。水库的多年平均供水量约为4.03亿m3，其中城市及工业供水3.65亿m3，农业供水0.39亿m3，灌溉水田4 206.67 hm2。

图1 碧流河流域示意

碧流河水库上游的玉石水库于2001年建成。水库控制面积为313 km2，占碧流河水库控制面积的15.0 %，多年平均径流量为8 950万m3，占碧流河水库多年平均径流量的14.4 %。水库的主要供水任务为向营口市鲅鱼圈区提供城市生活及工业用水，设计日供水量12.6万t；其设计标准为50年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核，设计洪水位201.4 m，相应库容为8 002万m3，校核洪水位202.7 m，相应库容为8 852万m3。水库的净调节水量为4 638万m3。玉石水库的建成对碧流河水库的防洪兴利效益带来一定影响。

2 不考虑玉石水库影响的碧流河洪水预报结果

2.1 预报模型

新安江模型(XAJ)作为概念性水文模型已被广泛应用于中国半干旱半湿润地区的径流模拟[8-9]。碧流河流域属于半湿润地区，流域植被覆盖良好，产流模式一般为蓄满产流模式，因此采用基于蓄满产流模式的新安江模型对碧流河水库的洪水预报方法进行研究。模型的参数率定方法选用在水库的优化调度、水电站经济运行、水文参数优选等领域得到了广泛应用的粒子群算法[10-11]。

由于碧流河流域面积较大，降雨分布对洪水汇流过程的影响十分显著。故，本文根据流域的地形等特征，将碧流河水库以上流域分为面积相近的3个单元。其中，玉石水库以上流域作为单独的一个单元。在进行洪水演进时，针对第一个单元不做演进，第二个单元不分段演进，第三个单元分两段进行演进。由于流量资料只有碧流河水库的逐时段流量过程，各个单元的出口断面没有实测流量过程，若是进行分单元参数率定，则不能验证各个单元采用参数的合理性；因此，本文对各单元模型参数进行统一率定。

2.2 预报结果

选择碧流河流域1984年～2001年玉石水库修建前的15场洪水进行模型参数的率定，其结果如表1所示。根据该参数对玉石水库建库后的9场洪水进行预报模拟，结果见表2、3。对于玉石水库建库之后的9场洪水，其预报的结果不够理想，产流预报有2场不合格，汇流预报有4场不合格，合格率分别只有77.8%和55.6%；而且模拟合格的场次精度也不高，难以满足碧流河水库进行预报调度的需求。

表1 新安江模型参数优选结果

表2 玉石水库建库后产流预报结果

表3 玉石水库建库后汇流预报结果

由模拟结果分析可见，产流预报的结果普遍偏大，说明玉石水库对碧流河水库以上流域产生的径流存在截留的作用，因此需要对预报模型进行改进从而考虑玉石水库的影响。

3 考虑玉石水库影响的碧流河洪水预报方式研究

3.1 产流模型改进

上游水库对径流截留量的大小主要由水库初始的水位决定。当降雨开始时，若上游水库的水位没有达到汛限水位，此时水库会关闸蓄水，从而会截留一部分下游水库的入库洪水。水位越低，则水库的截留量就越大，所以在进行洪水预报时，需要获悉降雨开始时上游水库的初始水位。玉石水库与碧流河水库分属营口市与大连市管辖。由于管理体制等原因，碧流河水库管理局往往无法第一时间得到玉石水库水情工情的实时信息；因此，玉石水库的初始水位只能通过其他方法来近似计算得到。

水库在降雨开始时的初始水位和流域前期的降雨情况息息相关，也就是流域的前期干旱程度。若降雨开始前久旱无雨，水库的初始水位就会维持在一个较低的状态，本次降雨的截留量也就会比较大；若降雨开始前不久刚刚经历过一场大雨，则水库的初始水位就会维持在汛限水位附近，本次降雨的截留量也就会比较小，甚至不截留。而流域的前期降雨情况可以近似地由新安江模型中的土壤前期含水量来量化；因此，可以对土壤前期含水量进行计算处理近似地得到降雨开始时水库的初始水位，进而计算水库对径流的截留量。

本文在产流模型中针对玉石水库控制的单元引入截留函数，结合玉石水库以上单元的前期土壤含水量概化玉石水库截留的径流量。在产流计算之后，对计算得到的净雨量进行截留计算，扣除水库截留量之后再进行三水源划分计算。截留函数具体计算方法如下：

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为每场洪水水库在降雨开始前的初始蓄水量，m3；W′0为每场洪水在扣除水库供水的水量后计算得到的土壤前期含水量，mm；Wm为流域土壤蓄水容量，mm；Vc为水库汛限水位对应的库容，m3；Vd为水库的死库容，m3；Rv为水库在该场洪水截留的净雨量，mm；A为玉石水库控制的流域面积，km2；a、b分别为径流截留函数参数。

式(1)、式(2)把前期土壤含水量和水库截留的径流量的相关性概化成一条曲线，通过土壤前期含水量的数值来近似地计算水库截留的径流量。曲线的参数a和b通过控制其他参数不变，用玉石水库建库后的9场实测洪水进行率定。

3.2 汇流模型改进

当上游水库的水位达到汛限水位后，水库会根据设计的调度规则进行泄流。此时，水库的调节作用会对入库洪水产生削峰与滞洪的效果，从而改变下游水库的入库洪水过程。所以在进行洪水预报时，需要通过上游水库实时的泄流信息来修正预报。由于碧流河水库管理局无法第一时间得知玉石水库的泄流情况，所以对于玉石水库对碧流河水库入库洪水的调蓄作用，需要依据调度规则对玉石水库的泄流过程进行模拟。

本文通过在汇流模型中针对玉石水库控制的单元引入玉石水库的调度规则，建立水库的调蓄模型来模拟汇流过程。玉石水库的调度方式为：以坝前水位作为判别条件，从汛限水位201.0 m起，采用溢洪道5孔闸门全开自由溢流。在具体运行中，水库闸门在泄流时要逐步开启(如闸门半开或开启1/3、2/3高度和孔数)，最终达到闸门全开；洪峰过后在关闭闸门时，也要逐步进行，以调节下泄流量。假设当玉石水库水位达到汛限水位时，对应的水库溢洪道闸门全开的泄流能力为qc，具体的调度方式可以简化为：①当库水位不超过201.0 m，且实际入流

在进行坡地汇流的计算之后，以坡地汇流计算的结果作为玉石水库的入库洪水过程。由于在产流模型中已经考虑了水库的截留作用，所以当某时段开始产生径流时，说明玉石水库已经蓄至汛限水位。所以可以直接设置初始水位为汛限水位，依据玉石水库的调度方式进行调洪计算，计算得到的下泄流量过程作为该单元的出口断面流量过程。

3.3 模型应用结果分析

本文首先利用玉石水库建库后的9场洪水对截留函数参数a和b进行参数率定，然后利用改进后的产流预报模型重新对这9场洪水进行模拟。a和b率定得到的结果分别为a=1.09，b=1.30。场次洪水产汇流预报结果分别见表4、5。

表4 改进模型的碧流河水库产流预报结果

表5 改进模型的碧流河水库汇流预报结果

由表4、5可以看出，采用改进的新安江模型的模拟结果，精度和合格率都有了较大的提升，产流预报合格率由77.8%提升到88.9%，汇流预报合格率由55.6%提升到77.8%。

表4中显示，20100819场次洪水产流由不合格变为合格。该场洪水前期土壤含水量为97.3 mm，前期较为干旱，并且分析降雨资料可知，该场洪水的降雨主要集中在上游玉石水库控制的流域。由此说明，玉石水库的截留作用较为明显。改进后的预报模型模拟的结果比起原模型更接近实际，而该场洪水的汇流模拟峰值相对误差仅有2.98%，但峰现时间模拟不合格。经过分析可知，该场洪水降雨主要集中在3个时段，实际洪水过程为三峰型洪水，且前两个洪峰的流量差距不到1 m3/s，而用改进模型预报得到的结果第一个洪峰的流量要略大于第二个洪峰，因此导致了峰现时间的模拟结果发生较大误差。

由表4可以看出，20080731场次洪水前期土壤含水量仅有65.6 mm，前期土壤非常干旱，20040803场次洪水的前期土壤含水量达到了105.9 mm，这两场洪水的降雨总量相近，而20040803场次洪水前期更为湿润，实际产流量却比20080731场次洪水的产流量小了近10 mm。经过对资料的分析发现，该场洪水的时段降雨资料与日降雨资料都仅有一个雨量站的资料，其他雨量站均缺测。因此，进行模拟时采用的各单元平均日降雨量与各单元平均时段降雨量都是该雨量站的资料，可能与当时实际的降雨分布情况有较大的出入，进而出现了上述这种不合理的现象。

4 结 论

本文针对玉石水库的修建改变了碧流河流域的产汇流情况这一问题，在无法得知玉石水库实时的水情工情的情况下，通过对玉石水库修建产生的影响进行分析，从产流模型和汇流模型两个方面对新安江模型进行了改进。洪水模拟结果表明，改进的模型能够有效地概化玉石水库的截留与调蓄作用，较原先的模拟效果更好，水库洪水预报信息的可利用性得到了有效的提升，也可以为其他流域考虑上游水利工程影响的洪水预报方式研究提供参考。