大清河石门水库抗暴雨能力分析及河库联合预报调度研究

冯站青

(盖州市石门水库管理处，辽宁 盖州 115220)

随着气象科学技术发展，气象部门1～3d降水预报精度已有较大提高，可为防汛工作提供早期参考。辽宁省防汛工作重点在水库，难点在河道，所以必须将水库防洪与河道防洪紧密结合起来，实现流域联合防汛调度。但目前已建成的洪水预报调度系统大多面向单个水库或水文控制站[1- 6]，所得结果仅为各水库与下游水文控制站的分步结果，造成了水库群之间、水库群与堤防之间以及各水库与下游控制站洪水预报调度成果相分离，必须由人工进行合成才能分析流域的防洪形势和决策，工作繁琐且容易出错，无法构成以流域为单元的防洪体系，难以满足库群与河道堤防联合调度模拟的自动、实时、快速、移动、多方案与集成性的更高要求。不同降水和流域蓄水量情况，对于水库抗暴雨能力影响不同，当前，对于不同暴雨等级下的水库抗暴雨能力影响研究较为成熟[7- 9]，但是同时考虑降水和流域蓄水量组合情况下的水库抗暴雨能力分析还较少，为此本文以大清河石门水库为研究实例，基于不同组合情景对水库的抗暴雨能力及河库联合调度预报进行研究。

1 研究方法

本文设置的不同组合情景中，流域蓄水量分饱和、半饱和两种情况，而降雨量设置为：24h面雨量P分别为50mm、100mm、150mm、200mm、250mm和300mm六个等级，降雨时程分布为：24h分8个时段，每段雨量所占比例为：14%、20%、20%、14%、8%、8%、8%、8%。通过不同组合情景，结合水库抗暴雨能力计算方法[10]对水库的抗暴雨能力进行分析，在进行河库联合预报调度分析时主要采用辽宁饱和产流计算模型进行推算，饱和产流是包气带未达到饱和时不产流、达到饱和后降水全部产流的产流方式。辽宁饱和产流模型的基础是指数型流域蓄水容量曲线，主要用于我省东部地区。流域面上各点的蓄水容量不同，若按照大小排列，并与相应面积(%)点绘在一张图上绘成曲线，即为流域蓄水容量曲线，辽宁饱和产流模型中，蓄水容量曲线采用指数形式。

(1)

式中，F—流域面积；F0—产流面积；a—流域参数，反映流域蓄水容量分布特征；P—降水量。辽宁饱和模型产流计算公式为：

(2)

式中，R—径流深；P—降雨量；Pa—前期影响雨量；a—流域参数。在辽宁饱和产流计算时，我省采用双层扣损法，将下垫面分为上下两层，分别计算Pa，公式如下:

当P+Pa上≥Em时，有：

E上=Em

(3)

E下=0

(4)

P′=P+Pa上-S上

(5)

Pa上，t=Pa上+P-E上-P′

(6)

R=P′-(S下-Pa下)(1-e-ap′)

(7)

Pa下，t=Pa下+P′-R

(8)

当P+Pa上

E上=P+Pa上

(9)

(10)

Pa上,t=0

(11)

Pa下,t=Pa下-E下

(12)

R=0

(13)

式中，R—径流深；P—降雨量；P′—下层进量；S上—上层蓄水容量；S下—下层蓄水容量；a=1/S下—流域参数，反映流域蓄水容量曲线分布特征；Pa上—上层前期影响雨量；Pa下—下层前期影响雨量；E上—上层蒸发量；E下—下层蒸发量；Em—蒸发能力。

2 实例分析

2.1 研究区域概况

本文选取大清河石门水库为研究实例，大清河上游分东西两个支流，东支流发源于大石桥市建一镇八盘岭山的东大岭下。西支流发源于海城市英洛镇，西支称西大清河。一级支流有21条，其中大石桥市10条，盖州市11条，大清河水系图如图1所示。石门水库总库容1.022×108m3。最大坝高47m，最大坝长350m，设计正常高水位140.2m，溢洪道堰顶高程132.3m，第一溢洪道三孔闸门最大泄洪量2245m3/s，第一、二溢洪道六孔闸门最大泄量5286m3/s。水库上游集水面积410km2，河道长39.2km，河道平均比降9‰，有两大支流来水注入水库，平均年降水量750mm，下游河道安全泄量1500m3/s，石门水库特征曲线见表1及图2。

水位m库容/(106m3)水面面积/km2泄水建筑物泄量/(m3/s)合计正常溢洪道非常溢洪道泄洪洞输水洞1050.910.36001104.10.920.420.41159.51.1428.228.212016.44234.234.212528.52.6639.239.213043.313.243.643.6132.351.083.5344.90044.9136.566.974.299050044148.813873.314.4157978075049.414082.484.7625311260122051.414187.324.943082154014905214292.375.1436431800179052.814397.635.3442032000215053.4143.85102.25.5453462180310660

图2 大清河石门水库特性曲线

2.2 不同组合情景条件下水库上游来水预测分析

对不同组合情景条件下的水库来水进行预测，预测分析结果见表2～4，并绘制不同组合情景下石门水库的预报调度图，如图3、4所示。

表2 望宝山至石门区间流域半饱和时段雨量、径流深计算表

表3 大清河流域望宝山至石门区间洪水模拟预报成果表(半饱和Pa=0.5Im)

表4 大清河流域望宝山至石门区间洪水模拟预报成果表(饱和Pa=1 Im)

图3 不同组合情景下大清河石门水库预报成果

图4 不同组合情景下大清河石门水库调度成果

水位/m相应库容/(108m3)校核水位/m相应库容/(108m3)空余库容/(108m3)折算径流深/mm允许最大降雨量土壤半饱和土壤饱和110.30(死水位)0.043143.851.0220.979238.8303.8238.8112.000.06021143.851.0220.96179234.6299.6234.6114.000.08105143.851.0220.94095229.5294.5229.5118.000.13115143.851.0220.89085217.3282.3217.3120.000.16643143.851.0220.85557208.7273.7208.7122.000.21037143.851.0220.81163198263198126.000.31214143.851.0220.70986173.1238.1173.1128.000.3703143.851.0220.6517159224159132.000.5004143.851.0220.5216127.2192.2127.2134.000.57258143.851.0220.44942109.6174.6109.6136.50(汛限)0.67143.851.0220.35285.9150.985.9137.000.695143.851.0220.32779.8144.879.8138.000.73309143.851.0220.2889170.5135.570.5139.000.78143.851.0220.2425912459140.000.82479143.851.0220.1972148.1113.148.1141.10(设计)0.8781143.851.0220.143935.19935.1142.000.92368143.851.0220.098322485.524143.000.975143.851.0220.04711.55911.5143.85(校核)1.022143.851.0220000

表2和表3给出了不同组合条下的石门水库入库洪峰过程，半饱和下，随着暴雨等级的加大，入库洪峰在43.7～1290m3/s之间变化，变幅为1246m3/s，而在饱和状态下，库洪峰在270～1620m3/s之间变化，变幅为1350m3/s，相比于半饱和状态，饱和状态下石门水库入库洪峰变幅加大，这点也可从图3中看出，相同降水条件下，饱和状态下的入库洪峰和洪量均大于半饱和状态。从图4中可看出，饱和状态下相同降水条件下的起调水位也偏高。

2.3 不同组合情景条件下水库抗暴雨能力分析

对不同组合条件下的石门水库抗暴雨能力进行分析，分析结果见表5。

在水库抗暴雨能力分析中，按照汛限水位、死水位与汛限水位平均值2种水位进行调洪，从表5可看出，大清河水库的空余库容在0～0.979×108m3之间，空余库容越大，水库纳雨能力也最大，石门水库在半饱和情景下，抗暴雨能力最大值为303.8mm，而在饱和情景下，抗暴雨能力最大值为238.8mm，饱和情景下的石门水库抗暴雨能力有所减弱。水库抗暴雨能力可将空余库容转化为所能容纳最大降水量，更直观的反映水库各暴雨量级下的蓄水动态变化情况。

2.4 不同组合情景条件下河库联合预报分析

结合辽宁饱和模型对不同组合情景下的河库联合预报调度分析，成果见表6、7及图5。

表6 半饱和组合情景下河库联合调度预报成果表(半饱和Pa=0.5Im)

表7 饱和组合情景下河库联合调度预报成果表((饱和Pa=1 Im)

图5 不同组合情景下河库联合预报调度成果

不同组合情景下河库联合预报调度成果可直观的反映不同暴雨等级下水库蓄水量的动态变化结果，水库的出口水量对于下游河道水文站的洪量影响较大，这点也可直观的从图5中反映出来，从图5中可明显看出，在不同流域蓄水量情景下，随着降雨等级的加大，洪量关系之间的间距和变幅也逐步加大。不同组合情景下的河库联合预报调度成果，对于气象未来1～3天暴雨等级下的水库预报调度具有较强的实用价值，使水库预报调度更加科学。

3 结论

(1)石门水库在流域蓄水量半饱和状态下的最大抗暴雨能力约为304mm，饱和状态下约为239mm，但还需结合实时水位进行调整。

(2)河库联合预报可实现流域为单元、以干流为主线、以水库和河道水文站为控制节点区域洪水预报，不同组合情况下的河库联合预报可显著增加水库洪水预见期。