珊溪水庫施工期洪水預(yù)報(bào)模型及運(yùn)行

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1、概況

    珊溪水庫是目前浙江省在建的最大水庫工程，建成后總庫容18.24億m³，正常蓄水位142m（黃海基面），相應(yīng)庫容12.24億m³，防洪庫容2.12億m³，系多年調(diào)節(jié)水庫，裝機(jī)容量200MW，年發(fā)電量3.55億kw·h。     水庫壩址位于飛云江上游文成縣珊溪鎮(zhèn)附近（圖1），壩址以上河長(zhǎng)92.4km，控制流域面積1529k m²，占飛云江流域面積的47%。     壩址以上流域地形以高山為主，河道蜿蜒曲折，水流湍急。流域內(nèi)植被良好。     壩址以上地處亞熱帶季風(fēng)區(qū)，氣候溫和，雨量充沛，屬暖溫帶多雨氣候。壩址以上流域多年平均降量量1876.9mm，年降水量在1280~2458mm之間。降水量年內(nèi)分配不均勻，主要集中在5~7月的梅雨期和8~9月的臺(tái)風(fēng)期，臺(tái)風(fēng)暴雨是造成本流域洪水災(zāi)害的主要天氣因素。     2、珊溪水庫施工期洪水預(yù)報(bào)模型

   
    珊溪水庫施工期洪水預(yù)報(bào)模型采用浙江省水文勘測(cè)局研制的姜灣徑流模型，該模型的徑流系四水源組成（地表徑流；壤中回歸水徑流；壤中徑流；基巖風(fēng)化層徑流），而各種水源認(rèn)為是產(chǎn)生在介質(zhì)特性發(fā)生急劇變化的交界面上，其模型結(jié)構(gòu)和流程如圖2所示。
    圖2   姜灣徑流模型流程圖
    R－產(chǎn)流量（mm）；α－產(chǎn)流面積系數(shù)，即α=R/（P-E）；F₁－淋溶層穩(wěn)定下滲率（mm/△t），一般取2.5~10.0mm/h；F₃－沉積層穩(wěn)定下滲率（mm/△t），一般取1.0~1.5mm/h；R_s－地表徑流；R_g－地下徑流，包括R_i和R_ig(mm)；X₁－淋深層垂向調(diào)蓄系數(shù)；X₂－沉積層垂向調(diào)蓄系數(shù)；R₁－壤中總徑流；R_ig－基巖風(fēng)化層徑流；R_gg－母質(zhì)層總?cè)肓?；R_il－壤中回歸徑流；R_i2－壤中徑流；K_i2－淋溶層容積(mm)；K_s、K_il、K₁₂－坡面淋溶層側(cè)向匯流系數(shù)；KK_g－基巖風(fēng)化徑流消退系數(shù)；Q_s、Q_il、Q_i2、Q_g、Q分別為四種水流在出口斷面的流量和總出流量。
    2.1  預(yù)報(bào)流域的劃分
    根據(jù)飛云流域的特性和施工期的特殊性，把珊溪壩址以上流域劃分為二個(gè)單元，即百丈口水文站以上流域，其控制面積為866 km²，流域內(nèi)有三插溪、司前、仙居雨量站和百丈口水文站，其中三插溪水庫在1998年7月建成，其上267.5 km²的來水已受控制調(diào)節(jié)；百丈口至珊溪區(qū)間流域面積為663 k m²，內(nèi)設(shè)有外墻、黃坦、西坑雨量站和珊溪水位站。
    2.2  珊溪水庫預(yù)報(bào)模型參數(shù)的率定
    2.2.1 珊溪壩址以上流域面平均雨量計(jì)算
    報(bào)汛站網(wǎng)的布設(shè)原則是充分利用原有的報(bào)汛站點(diǎn)，以最經(jīng)濟(jì)的站點(diǎn)數(shù)達(dá)到能夠掌握所需水情的變化，滿足水庫水文預(yù)報(bào)的精度和將來運(yùn)行調(diào)度的需要為目標(biāo)。經(jīng)過對(duì)流域內(nèi)原有的雨量站優(yōu)化計(jì)算分析，最后擬定分布比較均勻的8個(gè)報(bào)汛站，其中二處報(bào)汛站為新增。按單元用算術(shù)平均法計(jì)算面雨量，單元流域的根據(jù)站（表1）。

表1        單元流域面雨量計(jì)算根據(jù)站表 單 元 流 域 名 面積(km²) 雨 量 站 名 備  注 百丈口F₁ 599 三插溪、司前、仙居、百丈口 150km²/站 百丈口－珊溪F₂ 663 外墻、黃坦、西坑、 百丈口、珊溪 133 km²/站       2.2.2  產(chǎn)流量計(jì)算模型參數(shù)的率定     采用日模型進(jìn)行率定，應(yīng)用浙江省水文勘測(cè)局的“多層篩選網(wǎng)格計(jì)算法”軟件，對(duì)年徑流、次徑流進(jìn)行同步模擬計(jì)算——根據(jù)地區(qū)、流域的特性、設(shè)置各參數(shù)的合理取值范圍，然后進(jìn)行第一層面的網(wǎng)格計(jì)算，淘汰不合理的參數(shù)組；第二層面則對(duì)次徑流以《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》的規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行網(wǎng)格計(jì)算，從中選出年徑流深誤差在許可誤差范圍內(nèi)，次徑流深合格率最高的參數(shù)組群。再?gòu)闹羞x出次徑流深合格率最高，同時(shí)年徑流深誤差最小的參數(shù)作為最佳參數(shù)組。     2.2.3  匯流計(jì)算模型參數(shù)的率定     首先根據(jù)洪水退水過程線自下部至上部的擬合程度判斷其參數(shù)的合理性。由于退水末段陡與緩主要決定于X、F₃和KK_g這三個(gè)參數(shù)，而KK_g可用退水過程線直接計(jì)算，如果各次洪水退水末段擬合好了，就可認(rèn)為X和F₃求得的數(shù)值也是合理的。其次是向上綜合壤中流參數(shù)K_f2和K_i2，可從兩方面判斷壤中流參數(shù)的合理性：一方面判斷流量過程線腰段的擬合程度；另一方面判斷壤中流的峰現(xiàn)時(shí)間（壤中流的峰現(xiàn)時(shí)間應(yīng)在地表徑流峰值出現(xiàn)之后，在基巖風(fēng)化層徑流峰值之前）。最后，對(duì)于大暴雨造成的特大洪水，關(guān)鍵是擬合其上部的峰斷和峰現(xiàn)時(shí)間，即壤中回歸水徑流和地表徑流的匯流參數(shù)F1、K_s和K_il的率定。各徑流擬合、疊加過程線參見圖3；珊溪水庫施工期洪水預(yù)報(bào)模型參數(shù)見表2。     表2      珊溪水庫施工期洪水預(yù)報(bào)模型參數(shù)表 單元流域名 W_s (mm) W_um (mm) W_tm (mm) W_dm (mm) B C K KK_g X F₁ (mm/h) K_f2 (mm) F₃ (mm/h) N_s/K_s N_il/K_i N_i2/K_i2 百丈口 90 20 50 20 0.30 0.167 0.94 0.72 0.49 14 5.5 1.5 1/4.1 3/2.0 4/7.9 百丈口－珊溪 90 20 50 20 0.30 0.167 0.98 0.88 0.49 12 5.0 1.7 1/9.0 1/3.2 3/2.7

   
 

    3、珊溪水庫施工期洪水預(yù)報(bào)的作業(yè)流程     百丈口站斷面的流量預(yù)報(bào)由控制流域內(nèi)的面平均雨量，經(jīng)過產(chǎn)流計(jì)算得到徑流深，然后劃分水源，再由各層面水源匯流至出口斷面疊加得到百丈口站出流過程。     珊溪入庫流量預(yù)報(bào)由兩部分組成，百丈口站斷面預(yù)報(bào)流量經(jīng)匯流演算至珊溪水庫斷面，與由百丈口——珊溪區(qū)間流域內(nèi)面平均雨量計(jì)算得到的區(qū)間出流疊加，得到壩址斷面的出流過程。     各斷面的計(jì)算過程皆經(jīng)過實(shí)時(shí)校正計(jì)算。百丈口站斷面水位過程由流量過程經(jīng)水位~流量關(guān)系轉(zhuǎn)換得到。珊溪水庫壩址水位過程需根據(jù)預(yù)報(bào)入庫流量過程再通過求解水位庫容、水位導(dǎo)流洞泄流和水位圍堰堰頂過流方程組得到。     4、模型的運(yùn)行     4.1  作業(yè)預(yù)報(bào)     水庫施工期由于導(dǎo)流方式在變化，水位壅高，天然河道水流條件不斷改變。因此，洪水預(yù)報(bào)模型各項(xiàng)參數(shù)要根據(jù)施工進(jìn)度及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，建模以來正式發(fā)布作業(yè)洪水預(yù)報(bào)10余次，預(yù)報(bào)精度較好，特別是5次過堰頂洪水的預(yù)報(bào)及時(shí)準(zhǔn)確，為施工區(qū)人員轉(zhuǎn)移、設(shè)備搶救作出了重要貢獻(xiàn)。     例如：1998年5月14日的洪水，根據(jù)作業(yè)預(yù)報(bào)17時(shí)堰前洪峰水位63.50m，將超過當(dāng)時(shí)堰頂高度，建議做好漫堰準(zhǔn)備，采取一切必要減災(zāi)措施，結(jié)果18時(shí)出現(xiàn)超過堰頂?shù)暮樗捎诠こ讨笓]部根據(jù)洪水預(yù)報(bào)作了嚴(yán)密部署，采取了各種防洪有效措施，工程不僅沒有人員傷亡，物質(zhì)損失也極小。     4.2  成果評(píng)定     表3是5次過堰頂洪水的洪峰水位作業(yè)預(yù)報(bào)統(tǒng)計(jì)，從表中可知最大水位誤差0.18mm，最小水位誤差0；時(shí)間誤差最大1.33h，最小0，皆達(dá)到部頒規(guī)范的甲級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。   表3   過堰洪水作業(yè)預(yù)報(bào)一覽表（水位單位為m，時(shí)間單位為年：月：日：時(shí)） 序號(hào) 降水開始時(shí)    間 終止時(shí)間 預(yù)報(bào)洪峰水位 預(yù)報(bào)出現(xiàn)時(shí)間 實(shí)測(cè)洪峰水位 實(shí)際出現(xiàn)時(shí)間 水位誤差 時(shí)間差 1 98.05.14.02 05:14:13 63.50 05:14:17 63.32 05:14:18 +0.18 1 2 98.06.19.12 06:19:23 63.31 06:20:5 63.46 06:20:5 -0.15 0 3 98.06.21.7 06:21:18 64.75 06:21:21 64.75 06:21:21 0 0 4 98.08.28.13 08:29:0 59.25 08:29:5 59.13 08:29:3:40 +0.12 1:20 5 99.10.10.7 10:10:14 56.71 10:10:17 56.54 10:10:18 +0.17 1       5、結(jié)  語     水庫施工期洪水預(yù)報(bào)的正確性對(duì)保證工程建設(shè)的順利進(jìn)行和人員、物資的安全非常重要，而施工期天然河道水力條件受工程進(jìn)度影響不斷發(fā)生變化，因此預(yù)報(bào)難度較大。經(jīng)過兩年作業(yè)預(yù)報(bào)運(yùn)行，證明珊溪水庫施工期洪水預(yù)報(bào)所采用的姜灣徑流模型物理概念明確，成熟可靠，而且對(duì)施工期的諸多變化因子皆能得到考慮，精度能滿足水庫施工期洪水預(yù)報(bào)的要求。