基于防洪特征水位与雨量阈值的水库水文站防洪预警监控方法

杨 飞，沈桂环 马 政

(安康水文水资源勘测中心，陕西 安康 725000)

1 水文站防洪特征水位与雨量阈值预警监控方法设计

1.1 水文站防洪特征水位-雨量的关系

水库范围内的大部分地区，年降雨量十分不均匀，夏季暴雨洪水频发，对人民的生命财产安全造成了较大的威胁。根据降水与流量的关系，反演出水位-雨量的关系，从而得到雨量阈值[1]。水库水位与雨量之间存在一定的对应关系，在较长的时间内，只要水库降雨量不大，就可以用一条单一的曲线来表示。水位-雨量的关系如图1所示。

图1 防洪特征水位-雨量的关系曲线

由图1可见，黑色方块表示的是水文站的起涨水位，平滑曲线的位置就是水位-雨量稳定上升的区域[2]。由图1可知，雨量越大，水位越高。

将降水数据输入到相关水文模型中，可以对水库的雨量展开分析，可知在洪峰时段内，平均分布在水库防洪特征水位上的雨量深度，就是水库雨量阈值，雨量阈值如式(1)、式(2)所示：

(1)

(2)

式中：P为雨量深度阈值，mm；W为径流总量，m3；s为水库集水面积，km2；Q为雨量径流阈值，m3/s；Δt为洪峰时段，h。

雨量阈值与水库前期防洪特征水位有关，前期防洪特征水位较高时，雨量阈值相对较低；前期防洪特征水位较低时，雨量阈值相对较高。

1.2 防洪特征水位与雨量阈值确定预警监控指标

在确定了防洪特征水位与雨量的关系之后，本文从不同的河流断面计算洪水流量，推算出防洪预警水位，有效地度量水文站水文变化特征。在水文站中对水文数据进行时间序列离散处理，计算出不同河流断面变化过程的信息量系数，从而对水文站防洪预警水位进行定量分析[3]。河流断面变化的细节信号如式(3)所示：

(3)

(4)

式中：ICF为水文信息的信息量系数；Pj为水库水文数据能量分布。

根据ICF得出，各类水文数据的Pj值越均匀，水文防洪监控信息越无规则，ICF也随之增加；各类水文数据的Pj值越不均匀，Pj集中于某一频带时，ICF存在较强的周期成分，更有利于判断水文站水文防洪预警监控信息的真实有效性[4]。本文在水文站中找出雨量的信息数据，并对其进行信息量系数分析，在R、Q已知的条件下，对水库防洪特征水位进行监控，如图2所示。

图2 水库防洪特征水位示意图

由图2可知，根据水文站的雨量数据，分析出水库对应的防洪特征水位，并对死水位、校核洪水位、防洪高水位、防洪限制水位、设计洪水位进行监控，确保水库防洪库容的正常调度。将雨量阈值与防洪特征水位相结合，设定出水库汛期允许的上限水位与下限水位，并将上限水位作为预警水位，超出该水位开始预警[5]。水库预警水位如式(5)所示：

(5)

式中：Zm(t)为水库预警水位，m；R为蒸发量，m；Zd为设计洪水位，m。

本文将Zd作为防洪风险的明确标志，当水位超过Zd，并接近Zm(t)，即判定为洪水风险水位。由此确定水文站防洪预警监控指标，如表1所示。

表1 水文站防洪预警指标

本文将预警等级分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共四种，洪水危险程度为Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ，并将其按照红、橙、黄、蓝进行颜色预警。设定水库某一时段的水位为v，当v>Zd，v≈Zm(t)时，判定为Ⅳ级预警等级，在监控界面显示为蓝色；当v>Zd>Zm(t)时，判定为Ⅰ级预警等级，并在监控界面显示为红色。通过此种预警监控方式，能够在洪水水位高于阈值的瞬间予以预警，最大程度上确保水库的防洪效果。

2 实例分析

2.1 工程概况

为了验证本文设计的预警监控方法是否满足水文站防洪预警需求，以石泉水文站为例，对上述方法进行了实例分析。石泉水文站位于汉江上游的陕西省石泉县喜河镇下游10 km处，位于石泉水库是一座以发电为主，兼有防洪、航运、养殖、旅游等综合效益的水利枢纽。石泉水库大坝为混凝土空腹重力坝及实体重力坝，最大坝高65 m，坝顶高程416.00 m，坝顶全长353 m，坝顶宽16 m。设计洪水位410.29 m，历史最高洪水位416.00 m。城区供水设施日供水能力13 550 m3，主要为居民生活用水，无工业和农业灌溉用水。石泉水库流域位置见图3所示。

图3 石泉水库流域

石泉水库坝址位于陕西省安康市石泉县城关镇，水库集水面积23 400 km2。水库相应的洪峰流量为28 400 m3/s，洪水总量约为19.30亿m3，调峰最高洪水位410.00 m。石泉水文站是石泉水库出库站，入库水文站为洋县、两河口水文站。水库建坝时在最低水位以下，高程为392.2 m处预埋有中Φ500 mm内径管道伸出坝外，专供县城饮水用。在汛期，石泉水文站的洪水调度泄流情况见图4所示。

图4 汛期调度规则泄流示意图

石泉水库总库容4.15亿m3，有效库容2.38亿m3，正常蓄水位410.00 m，水库校核洪水标准为1000年一遇。在汛期的0～15 d，入库流量在2000～2500 m3/s的范围内变化；在汛期的15～25 d，入库流量在3000～5500 m3/s的范围内变化；在汛期的25～50 d，入库流量在1500～2500 m3/s的范围内变化。也就是说，汛期时，洪峰流量在15～25 d之内出现，根据洪峰流量变化情况，实时监控防洪预警汛限水位。

2.2 应用结果

在上述条件下，本文随机选取出多种历史洪峰流量，对历史雨量进行分析。不同的洪峰流量对应着不同的预警水位，监控到的水位与实际水位越相近，防洪监控效果越佳。预警水位与实际水位的预警等级与实际预警等级保持一致，即可确保防洪预警效果。在已知条件下，使用本文设计的基于防洪特征水位与雨量阈值的水文站防洪预警监控方法进行分析，应用结果见表2。

表2 应用结果

由表2可知，根据预警水位与实际水位变化情况，将预警等级划分为Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ共4类，洪水危险程度从低到高。洪峰流量为28 400 m3/s、30 420 m3/s、13 550 m3/s、27 680 m3/s时，实际水位接近预警水位但不超过预警水位，预警等级为Ⅳ。洪峰流量为27 600 m3/s、21 500 m3/s时，实际水位超过预警水位，并超过历史最高水位，预警等级为Ⅰ。洪峰流量为43 620 m3/s、28 320 m3/s时，实际水位超过预警水位，但低于历史最高水位，预警等级为Ⅱ。洪峰流量为25 150 m3/s时，实际水位低于预警水位，低于警戒流量，不予预警。根据实际水位与预警水位情况，判断的防洪预警等级与实际预警状态保持了高度的一致。同时，监控水位与实际水位为一致状态。由此得出，应用本文方法之后，水文站防洪预警监控效果更佳，能够使水文站对水库防洪泄洪问题作出提前预判，为水文站的综合效益提供保障。

3 结 语

本文在防洪特征水位与雨量阈值的前提下，设计了水文站防洪预警监控方法。从水位-雨量关系判定、预警指标、水位监控等方面，对水文站作出了有效地预警监控，为水文站的防洪提供了有利的条件。