葫芦岛地区水库洪水模拟预报研究

金鑫

（辽宁省葫芦岛水文局，辽宁 葫芦岛125000）

洪水预报指的是对将发生的未来洪水在实际时间进行预报。洪水预报的基本任务是对未来将发生的洪水做出洪水总量、洪峰及发生时间、洪水发生过程情况的预测［1］。实时洪水预报提供的洪水信息能为防汛抢险提前做好准备，有计划的采用防汛措施，把洪水危害程度减到最低。由于葫芦岛地区部分水库（中小型）资料信息不全，防洪承载能力不明确，故对葫芦岛地区各水库设定固定降雨量值和流域蓄水量等级，开展各节点洪水模拟预报工作，以此填补葫芦岛地区中小型水库洪水预报的空白。

1 模拟预报方法

1.1 经验相关法

水文预报方法一般运用经验和半经验方法、水文模型方法和统计预报三类方法［2］。应用最早、研究最多的水文预报方法是经验相关法,该方法是把水文现象的原因看作自变量，同时把水文现象影响的结果看作因变量，可直接用图解法求出它们的相关关系；也可以采用统计相关或其他相关方法对实测数值拟合，求出它们之间的定量关系。综合考虑葫芦岛地区各类型水库特点及区域降雨特点，该研究采用经验相关方法、混合产流模型进行水库模拟预报，并对混合产流模式与蓄满产流模式下的预报精度进行了对比。

降雨径流相关图以流域降雨产流的物理机理为基础，以主要影响因素作参变量，建立降雨量与产流量之间定量的相关关系。常用的参变量有前期雨量指数Pa、季节和降雨历时T（或降雨强度）等，也有采用反映雨型、暴雨中心位置等因素为作参变量的。同时建立降雨径流相关图需要有足够数量和充分代表性的观测资料,其代表性包括洪水量级代表性、洪水发生季节代表性、雨型代表性、前期条件代表性等。

1.2 混合产流模型

混合产流是指一个流域蓄满产流和超渗产流两种模式并存的产流模型，该模型更适合半干旱半湿润地区产流实际［3］。垂向混合法是混合产流计算的一种方法，该方法把超渗产流和蓄满产流垂向组合，当净雨到达地面超过地表下渗能力时产生地面径流，下渗的水流在土壤缺水量大的部分面积上补充土壤含水量不产流；在土壤缺水量小的流域面积上降雨补充土壤缺水量后产生径流。

垂向混合产流计算地面径流取决于雨强和前期土湿，为超渗产流计算模式。地面以下的径流，取决于前期土壤缺水量和下渗水量，若下渗水量补足土壤缺水量，即产流否则不产流，是蓄满产流的计算模式［4］。在垂向混合计算中，流域蓄满、超渗的面积比例是随前期土湿和下渗量而随时改变的，其比例改变式为：

面积比例的部分为蓄满产流，剩余部分为超渗产流或不产流。垂向混合产流计算模式由以下方程组（2）、（3）、（4）构成：

2 模拟预报条件确定

模拟设定如下条件：

1）流域蓄水量分饱和、半饱和两种情况。

2）设置24h降雨量分别为P=50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm六个等级。降雨的时程分布为：24h分8个时段，每段雨量所占比例为：14%、20%、20%、14%、8%、8%、8%、8%。辽西沿海地区雨量时空分布设置如下表1所示。

3）在水库入库洪水模拟预报及调洪中，中型水库按照汛限水位、死水位与汛限水位平均值两种水位进行调洪，小型水库按照汛限水位、死水位两种水位进行调洪。

表1 雨量时空分布设置

3 模拟预报成果

水库洪水模拟预报调度按下面步骤进行：首先根据水库基本特征值确定起调水位；其次根据模拟预报设定的P=50，100，150，200，250，300mm，流域蓄水量饱和（Pa=Im）、半饱和（Pa=Im/2），共12种模式确定各模式下的P+Pa值；通过查水库降雨径流相关图的方法确定在这12种条件下的径流深R；然后根据水库集水面积由以下式（5）计算出不同P+Pa条件下入库洪量：

其中：Q入库——入库洪量，m3；R——径流深，mm；A——水库集水面积，km2。

1）依据水量平衡原理，查水库水位～蓄水量关系曲线，确定各起调水位相应蓄水量，再与步骤（3）计算出的入库洪量相加，得到不考虑水库放水情况下的水库蓄水量，并根据水库水位～蓄水量关系曲线计算出相应洪水位。当计算出的水位超过校核水位时，记为超校核。这次模拟计算不考虑水库下泄流量，计算：

其中：Q入库——入库洪量，m3；Wt——前一时刻水库蓄水量，m3；Wt+1——下一时刻水库蓄水量，m3。

2）根据水库入库洪峰流量径流深相关图，确定在各径流深R条件下的洪峰流量Q（有单位线的水库，根据R值选择单位线计算洪峰流量Q）：

其中：Qd——流域出口断面时段末直接径流量，m3/s；rd——时段净雨量，mm；q——单位线时段末流量，m3/s；t——直接径流流量时序，t=1，2，3，…，m+n-1，（其中m为净雨时段数，为时段单位线时段数）；k1，k2——累积界限，其取值分别取决于t与n和m的相对大小，其分段取值为：

4 实例模拟及误差分析

4.1 模拟实例

选取王宝河上的龙屯水库作为模拟的实例。龙屯水库位于辽宁省绥中县王宝河中游，是一座以防洪为主及灌溉养鱼的综合性水库。龙屯水库的模拟起算基本信息如下：

1）龙屯水库汛限水位为71.70m，死水位为60.80 m，所以选取的起调水位为71.70m，（71.70m+60.80m）/2=66.25m。

2）龙屯水库前期影响雨量饱和值Im=190mm、半饱和值Im/2=95mm，在P=50、100、150、200、250、300mm各模式下的P+Pa值计算结果。

3）通过查询龙屯水库降雨径流相关图可得径流深R值，龙屯水库集水面积为214km2，利用洪量计算公式W=R×A计算可得入库洪量。

4）查龙屯水库入库洪峰流量径流深相关图，确定在各径流深R条件下的洪峰流量Q，龙屯水库洪峰流量查算成果。各特征值计算结果如下表2所示。

表2 不同设计P值及流域先期饱水状态下各特征值计算成果

5）根据水库水位～蓄水量关系曲线，确定各起调水位相应蓄水量，再与步骤（3）计算出的入库洪量相加，得到不考虑水库放水的水库蓄水量，并根据水库水位～蓄水量关系曲线计算出相应水位。龙屯水库模拟预报成果见表3。

4.2 模拟误差分析——以乌金塘水库为例

选取女儿河流域上的乌金塘水库进行模拟误差分析。分别对该流域半饱和、饱和状态（其中饱和状态下对降雨径流法和蓄满产流法两种方法进行对比分析）下的洪量模拟预报进行误差分析。分析可知，乌金塘水库降雨径流模拟合格率为87.5%，蓄满产流模拟合格率为50%，洪量模拟预报合格率达到80%，满足预报精度要求。对于流域饱和状态下，采用降雨径流方法预报比采用蓄满产流方法预报精度要高，这是由于葫芦岛地区气候条件所致，降雨径流方法更加适合于该地区预报。

5 结论与探讨

对各类型水库进行模拟洪水预报，能比较出各类型水库的洪水承载能力，从而为水库设置防洪风险等级提供依据。通过使用相关经验法及混合产流法两种方法对所选取的龙屯水库与乌金塘水库进行降雨径流模拟及洪水模拟，并以乌金塘水库为例进行了模拟精度分析，分别得到了各水库的在不同设计降雨条件下的洪量及起调水位，结果显示模拟满足预报精度要求，该方法适合葫芦岛地区各类型水库的洪水预报，适合推广用于确实葫芦岛地区各类型水库特征值。

表3 龙屯水库模拟预报成果

［1］吴东峰.夹河子水库洪水资源化调度研究［D］.石河子大学,2008.

［2］张艳平.基于洪水分类的水库汛限水位动态控制域研究及其风险分析［D］.大连理工大学，2012.

［3］刘招.水库的洪水资源化理论和方法研究［D］.西安理工大学，2008.

［4］李敬库.辽河石佛寺水库洪水预报系统研究［D］.河海大学，2007.