水库洪水预报分析论文

导语：水库洪水预报分析论文一文来源于网友上传，不代表本站观点，若需要原创文章可咨询客服老师，欢迎参考。

1水库流域概况

松涛水库位于海南省第一大河流——南渡江上游，是海南省最大的水库。水库工程于1958年动工，1969年建成。总库容33.45亿立方米，兴利库容20.83亿立方米，属多年调节水库。松涛灌区地处海南岛北部、西北部，总面积5866平方公里，包括海口市、琼山市、儋州市、澄迈县、临高县、白沙县等三市三县的部分或全部灌溉面积，设计灌溉面积205万亩，现灌123万亩。

松涛水库集雨面积1496平方公里，南渡江发源于白沙县南峰山，有南叉河、南坑水、南美水、南溪河、南春水、南湾河等六大干支流直接入库或汇入南渡江后入库，河源海拔1500米，坝区附近为海拔500米左右的底山丘陵。整个流域山峦重叠，海拔多在700米左右。流域内地形梯度变化大，河流源短，坡陡流急，洪水陡涨陡落。松涛水库流域示意图见图1。

流域地处热带、亚热带，多年平均降雨量达1711毫米，丰水年份达2000毫米以上，其中5~10月份降雨量占全年的80%以上，8~9月占30%~40%。台风雨为主要降雨型式，其范围广，强度大，丰水年份一般有5~6次台风登陆，随之带来暴雨洪水，是造成水库弃水的主要原因。水库运行至今，平均每5年中约有1次溢洪，均由上述原因造成，故台风雨是造成水库安全运行的非工程性主要威胁。

因流域内地形梯度变化大，对气流的抬升作用明显，再加上台风本身在面上降雨不均匀，故一场降雨的时空变化很大。流域的主要河流大致走向为W→E及WS→E。根据多年的观测，台风及台风雨在流域内的移动方向一般为E→W，这在很大程度上减轻了遭遇洪水的发生，对削弱洪峰起到很大的作用。

流域内植被良好，植被度达80%以上，森林面积在50%左右。白沙、南丰、松涛等丘陵台地以小灌木丛为主要植被构成。整个流域植被持水能力较强。

流域内土壤类型多为壤土和粘土。

2入库洪水预报

图1松涛水库流域示意图

2.1库周洪水特性及对水库防洪安全的影响

水库建成后，注入水库的洪水包括入库断面洪水和入库区间洪水（或库周区洪水）。

入库断面洪水是指水库回水末端附近干支流水文测站以上来的洪水,如松涛水库的福才站以上。这部分洪水不受建库的影响，且都可通过测站观测到入库洪水过程。

入库区间洪水是指入库断面以下至坝址间流域面积来的洪水。它包括陆面洪水和库面洪水两部分。其中陆面洪水为入库测站以下至水库周边的区间面积所产生的洪水；库面洪水为库面上降雨直接转化为径流所产生的洪水。通常库面所占面积较小，与陆面洪水合并计算，松涛水库正常水位190米时库面面积约为入库区间面积的10%。

由于库周区承雨面积紧靠水库，库周区洪水从降雨到产流，经坡面汇流即可直接注入水库。特别是松涛水库汛期主要遭受台风雨的影响，其雨量集中、雨强大、历时短，所以库周区洪水汇流时间很短，也没有较大的槽蓄作用，观测不到其入库过程。一旦暴雨降到库周区附近，库周区的洪水会从四面八方涌入水库，使库水位陡然猛涨，常常会出现雨情未到预报中心，洪水已经入库，直接威胁水库的防洪安全，是水库洪水预报和防洪调度中的一大问题。

库周区洪水大小及其对防洪安全的影响，与库周区承雨面积大小及其暴雨特性有关。一般说，库周区面积比重大，相应的洪水所占比重也大。如果该区又是暴雨中心的活动地带，那么形成的洪水对水库防洪调度的影响就大，反之则小。国内已建水库（如柘溪、丹江口水库等）库周区面积一般占流域总面积的10%～30%,而松涛水库的库周区要大许多,约占60%。在入库洪水量方面，所占比重也大致如此。每一场洪水其暴雨的时空分布和洪水特性不同，对水库防洪安全影响亦不同，而库周区入库洪水情况更加复杂，其影响更大，一旦与上游干支流洪水遭遇，或在水库蓄水位较高时，遇库周区的特大暴雨，特别对以灌溉为主的松涛水库，运行中并不特设防洪库容，在9～10月台风雨集中的季节，若发生以上情况，将对松涛水库的防洪安全造成极大的威胁。对此，引起有关部门各级领导的高度重视。

2.2提高库周区洪水预报精度的途径

针对松涛水库的特点和防洪调度的要求，必须提高洪水预报的精度和速度，为此应从以下两方面进行研究:一是调整改善该区域测报系统的传讯方式;二是制定合理而可靠的预报方法，使雨情迅速而精确地转为水情信息。

目前，在拟定库周区洪水预报方案中，常用两种方式：一是借用临近支流的降雨径流预报方案；二是采用本区域内小支流的降雨径流预报方案，经放大后作为库周区的预报方案。这样确定的预报方案，一般都未经库周区本身降雨径流资料的验证计算，精度如何，尚难以评价。

松涛水库在洪水预报计算方面资料较少，仅在80年代初做过降雨径流经验相关图法，但由于应用较少，其精度得不到验证和评估。随着水文科学的不断进步，水文计算科学的发展及计算机在这一领域的普及应用，各种不同的水文模型相继出现。近年，笔者尝试结合松涛水库水情自动测报系统，应用水箱模型拟定库周区及流域洪水预报方案，经实践应用证明是适用的，较好地解决了松涛水库联机洪水预报问题。

3水箱模型的基本原理

水箱模型的基本思想是假定流域中的出流及下渗量，是流域相应蓄水深的函数。从这点出发，将流域的雨洪转化过程的各个环节（产流、坡面汇流、河道汇流等）用若干个彼此相联的水箱进行模拟。以水箱中的蓄水深度为控制，计算流域的产流、汇流及下渗过程。较小的流域，可用若干个串联的直列式水箱模型模拟出流和下渗过程。考虑降雨和产、汇流的不均匀，需要分区计算的较大流域，可用若干个并联组合的水箱模型结构，模拟整个流域的雨洪转化过程。图2示为二层直列式水箱模型，每层水箱的侧边有出流孔，底部有下渗孔。上层水箱的入流为流域面上的降雨，下层水箱的入流为上层水箱的下渗量。各层水箱的出流量可理解为流域各蓄水层形成的不同水源的径流量。对二层水箱模型来说，上层水箱的出流量相当于地表径流，下层水箱的出流量相当于地下径流。

流域上的降水，输入第一层水箱，形成蓄水深Z1，当Z1大于出流孔高H11时，开始出流，同时它的下渗水量注入第二层水箱，使第二层水箱的蓄水深Z2开始上升，当Z2大于出流孔高H21时，第二层水箱开始出流。若降雨继续，则各出流孔继续出流，相应时刻各出流量叠加，即得流域的总出流过程。

图2中的第一层水箱设有二个出流孔，孔高为H11、H12，下渗系数为R10。假如在T时该层的蓄水深为Z(T)，则T时的出流量Q(T)和下渗量F(T)的计算如下:

Q(T)=0当Z(T)<H11

Q(T)=[Z(T)-H11]×R11当H11<Z(T)<H12

Q(T)=[Z(T)-H11]×R11+[E(T)-H12]×R12当Z(T)>H12

F(T)=Z(T)×R10，或当底孔高出底面H10时,F(T)=[Z(T)-H10]×R10

T时段末的剩余蓄水深Z`(T)为:

Z`(T)=Z(T)-Q(T)-F(T)

T+1时段的蓄水深为:

Z(T+1)=Z(T)+P(T)-E(T)

P(T)为T时段降雨,E(T)为T时段蒸发等损失。一次降雨过程的出流和下渗过程可连续计算。

第二层以下等水箱的出流和下渗量计算,除了以上一层水箱的下渗量为入流外,其余计算同上。

该结构上层水箱有二个出流孔,一个下渗孔，下层水箱一个出流孔,一个下渗孔。考虑该地区处于南北气候过渡地带，气候变化大，对上层水箱的下渗孔高出底面一个H10高度（即死藏水），这样该结构包含着9个待定系数。这9个系数确定后，便可由降雨预报出流过程。

模型参数虽有一定的物理意义，如上层水箱的H11有初损值的意义，但与初损值又不完全相同，出流系数R12、R11与退水曲线的指数方程的指数有一定的联系，但又不能直接确定。因此，这些参数的确定，都需经过分析和反复试算，以计算与实测洪水过程拟合最好为确定模型参数的准则。

4水箱模型在松涛水库洪水预报中的应用

根据现有资料，采用二层直列式水箱模型。在参数率定时，由于流域中仅有福才站以上流域的降雨径流观测记录，而相应时段松涛水库的库水位记录缺少，无法还原库周区（即福才站至大坝区间流域）洪水过程，因此无法模拟库周区洪水的入库过程，相应的模型参数不能正确率定。由于库周区与入库站（福才站）控制流域的地形、地貌等极相似，并且流域面积较小，故在预报时库周区洪水预报模型中的参数直接引用福才站的参数。这对预报精度会有一定的影响，但以后随资料的积累这一问题将会逐渐得到解决。

4.1模型参数率定框图

4.2松涛水库各场次洪水参数率定表

洪号

模型参数

H10

H11

H12

R10

R11

R12

H21

R20

R21

7013

10

25

60

0.1

0.06

0.2

20

0.03

0.06

7106

8.3

24

60

0.1

0.06

0.2

20

0.03

0.06

7210

11

25

61

0.09

0.06

0.3

21

0.03

0.06

7311

11.8

24.8

63

0.09

0.06

0.3

22

0.03

0.06

7406

11.6

24.8

64

0.1

0.06

0.3

23

0.03

0.06

7616

11.8

25

63

0.08

0.07

0.4

25

0.03

0.06

7703

10.4

25

60.3

0.09

0.06

0.4

21.8

0.03

0.06

7817

11.3

26.1

61.2

0.11

0.05

0.3

21.6

0.03

0.06

8005

11.4

24.9

60.2

0.12

0.06

0.28

20.6

0.03

0.06

8103

11.3

28

60.3

0.12

0.06

0.28

20.8

0.03

0.06

8303

11.4

27

59.1

0.12

0.06

0.28

20.9

0.03

0.06

8410

11.3

28

58

0.13

0.06

0.28

18.3

0.03

0.06

8518

9.85

27

58

0.12

0.06

0.28

18.3

0.03

0.06

8616

9.08

22

59

0.13

0.05

0.28

18.3

0.03

0.06

8823

9.9

23

55

0.12

0.06

0.28

20.1

0.03

0.06

选定值

10.7

26

60.1

0.11

0.06

0.29

20.8

0.03

0.06

4.3洪水预报成果表（以9419号台风为例）水位单位:米

时段

实测库水位

预报库水位

时段

实测库水位

预报库水位

1

170．97

170.97

22

172.20

172.22

2

171.00

170.99

23

172.40

172.31

3

171.05

171.04

24

172.51

172.49

4

171.08

171.09

25

172.60

172.59

5

171.07

171.13

26

172.71

172.67

6

171.13

171.11

27

172.79

172.78

7

171.16

171.17

28

172.85

172.85

8

171.22

171.20

29

172.91

172.91

9

171.27

171.25

30

172.96

172.96

10

171.33

171.30

31

173.00

173.00

11

171.35

171.36

32

173.07

173.04

12

171.39

171.39

33

173.11

173.10

13

171.44

171.42

34

173.12

173.14

14

171.44

171.45

35

173.16

173.15

15

171.53

171.48

36

173.19

173.17

16

171.62

171.58

37

173.23

173.21

17

171.70

171.68

38

173.24

173.26

18

171.79

171.77

39

173.27

173.26

19

171.92

171.86

40

173.29

173.29

20

171.92

171.98

41

173.29

173.30

21

172.11

172.05

42

173.31

173.31

说明:时段1对应于1994年8月27日11至12时。

5几个问题的讨论和处理

参数选定以后,即可进行实时洪水预报,其预报程序框图与参数率定程序框图相似,只是参数值已固定,不用再加判断，此略。

为了减少试算工作量，参考丹江口、柳塘等水库所做的模型参数，结合本流域有关资料，初步确定每一个参数可能变化的范围，然后通过计算优选每一场洪水的参数，最后综合多场洪水参数，确定流域洪水模型计算参数。

通过对多组洪水的分析，发现福才站以上的洪水与库周区洪水洪峰出现的时间大多相差1小时，这是由于模型的入流和出流之间没有滞时引起的。因此，在预报中考虑了适当的滞时，即库周区洪水较控制站（福才站）先1小时入库。

5.1蒸发问题

流域蒸发是流域水量损失的主要项目，但是目前缺乏实际观测资料。因此，在降雨径流关系的模型中，对流域蒸发计算不得不做一些近似处理。对于二层直列式水箱模型的蒸发问题，主要考虑在上层水箱内进行，以上层水箱的初始蓄水深为控制条件，计算蒸发损失。当上层水箱的初始蓄水深Z大于最上面的出流孔高（H12）时（即相当于流域蓄水量达到田间持水量），按蒸发能力E=Em从上层水箱的蓄水量中扣除；当Z在H12和H10之间时，蒸发值E=Em×Z÷H12；当Z小于H10时，蒸发值E=0.1×Em;当Z=0时,蒸发不再单独扣除,可以认为在下层水箱的下渗量中一起被扣除。

蒸发能力Em主要随气象因素而变，通常借用当地蒸发皿的观测值。现取松涛水库流域内南丰水文站80Cm蒸发皿历年各月平均日蒸发值作为流域蒸发能力Em，日内按时段平分，雨天减半。晴雨天的判别以日（或时段）降雨量小于该日（或时段）蒸发能力为晴天，反之为雨天。

5.2初始蓄水深(Z10、Z20)的确定

初始蓄水深是指降雨开始时各层水箱中的蓄水深（或叫底水）。它的大小对本次降雨所产生的径流量和过程有密切关系。初始蓄水深高，反映前期土壤湿润，则降雨的产流快、损失小、径流量比重大，反之则反。

根据两层水箱出流的相应水源划分和对退水曲线的分析，归纳为两种情况：

第一种情况：当起涨流量较小，可以认为Q0全部是地下径流（包括基流），由下层水箱的出流所形成，因此Z20可由Q0反求。此时上层水箱没有出流，Z10应介于H11和0之间，近似地可根据前期的降雨情况，取P0=0，1，2，3中的某一值，表示上层土壤的干湿程度。

Z10=H11×P0÷3

Z20=H21+3.6×TT×Q0÷(F×R21)

第二种情况:当起涨流量较大时,认为Q0不全为地下径流,其中(Q0-Qd)由上层水箱的出流形成，Qd由下层水箱的出流形成。

Z10=H11+3.6×TT×(Q0-Qd)÷(F×R11)

Z20=H21+3.6×TT×Qd÷(F×R12)

式中Qd近似地取第一标准曲线上段的拐点值。

P0为上层土壤干湿程度的指标。其中P0=0时，表示长期干旱，近10～20天内无形成地面径流的降雨；P0=1时，表示10～20天前有过较大降雨，10～20天内无较大降雨，或10～20天前较干旱，近10～20天内有间断中小雨；当P0=2时，表示前期较湿润，5～10天内有中小雨；当P0=3时，表示前期湿润，3～5天内有较大降雨。

5.3计算时段（TT）的确定

计算时段TT大小的确定，应考虑流域特征，如面积、坡度、植被、河流形状等。一般面积大、坡度缓、植被好的TT可取长一些，目的使计算时段TT内的流量过程近似直线。根据经验TT与流域面积大小可以参考以下关系表：

流域面积与计算时段关系表面积：平方公里TT：小时

面积

10

100

500

2000

5000

8000

20000

TT

1/6

1/2

1

2

3

4

6

考虑松涛水库观测资料较少，为保证预报精度，取TT=1小时。

5.4参数的优选和综合

对预报模型参数的确定，需通过对雨洪资料的反复计算，达到计算和实测过程拟合十分接近为止。借助计算机完成每一场洪水的参数优选并不困难，难的是各场洪水试算结果的参数差别较大。因此，仅用少量资料的参数优选结果来确定流域的模型参数是不可靠的。必须对不同雨洪资料求得的参数加以综合。

在综合参数的拟合计算中，洪水的峰、量、过程拟合较好的综合参数极难找到，原因可能是多方面的，说明松涛水库各场次洪水的产汇流特性差别大。为此在综合参数的拟合计算中，重点考虑洪水的量和过程，适当考虑峰值，因为对短期洪水预报来说，量是主要控制对象。由此选定的参数见“松涛水库各场次洪水参数率定表”。

5.5参数率定中程序调试的方法

在参数率定中，各参数有一定的物理意义，因此在调试中根据不同情况，适当改变参数以达到较好的拟合效果。若计算峰值较大时，适当加大R12或降低H12，也可同时调整两个参数；若计算结果最后时段出现零值，则适当降低H10。

6结语

松涛水库水情自动测报系统自1994年6月投入运用以来，全面采集了3场较大洪水的资料。本文介绍的洪水预报模型随该系统运行进行洪水预报，经分析其库周区洪水的各参数与入库控制站福才站洪水的各参数比较接近，洪水预报的精度较高。应用实践表明，该模型具有结构简单灵活、计算简便的特点，适用性强，能较好地解决松涛水库联机洪水预报问题，提高洪水预报的准确性和时效性。它的应用为即将开发的防汛指挥系统工程进行实时防洪调度奠定了良好的基础。