珊溪水库施工期洪水预报模型及运行

1、概况

    珊溪水库是目前浙江省在建的最大水库工程，建成后总库容18.24亿m³，正常蓄水位142m（黄海基面），相应库容12.24亿m³，防洪库容2.12亿m³，系多年调节水库，装机容量200MW，年发电量3.55亿kw·h。    水库坝址位于飞云江上游文成县珊溪镇附近（图1），坝址以上河长92.4km，控制流域面积1529k m²，占飞云江流域面积的47%。    坝址以上流域地形以高山为主，河道蜿蜒曲折，水流湍急。流域内植被良好。    坝址以上地处亚热带季风区，气候温和，雨量充沛，属暖温带多雨气候。坝址以上流域多年平均降量量1876.9mm，年降水量在1280~2458mm之间。降水量年内分配不均匀，主要集中在5~7月的梅雨期和8~9月的台风期，台风暴雨是造成本流域洪水灾害的主要天气因素。    2、珊溪水库施工期洪水预报模型

    珊溪水库施工期洪水预报模型采用浙江省水文勘测局研制的姜湾径流模型，该模型的径流系四水源组成（地表径流；壤中回归水径流；壤中径流；基岩风化层径流），而各种水源认为是产生在介质特性发生急剧变化的交界面上，其模型结构和流程如图2所示。
    图2   姜湾径流模型流程图
    R－产流量（mm）；α－产流面积系数，即α=R/（P-E）；F₁－淋溶层稳定下渗率（mm/△t），一般取2.5~10.0mm/h；F₃－沉积层稳定下渗率（mm/△t），一般取1.0~1.5mm/h；R_s－地表径流；R_g－地下径流，包括R_i和R_ig(mm)；X₁－淋深层垂向调蓄系数；X₂－沉积层垂向调蓄系数；R₁－壤中总径流；R_ig－基岩风化层径流；R_gg－母质层总入流；R_il－壤中回归径流；R_i2－壤中径流；K_i2－淋溶层容积(mm)；K_s、K_il、K₁₂－坡面淋溶层侧向汇流系数；KK_g－基岩风化径流消退系数；Q_s、Q_il、Q_i2、Q_g、Q分别为四种水流在出口断面的流量和总出流量。
    2.1  预报流域的划分
    根据飞云流域的特性和施工期的特殊性，把珊溪坝址以上流域划分为二个单元，即百丈口水文站以上流域，其控制面积为866 km²，流域内有三插溪、司前、仙居雨量站和百丈口水文站，其中三插溪水库在1998年7月建成，其上267.5 km²的来水已受控制调节；百丈口至珊溪区间流域面积为663 k m²，内设有外墙、黄坦、西坑雨量站和珊溪水位站。
    2.2  珊溪水库预报模型参数的率定
    2.2.1 珊溪坝址以上流域面平均雨量计算
    报汛站网的布设原则是充分利用原有的报汛站点，以最经济的站点数达到能够掌握所需水情的变化，满足水库水文预报的精度和将来运行调度的需要为目标。经过对流域内原有的雨量站优化计算分析，最后拟定分布比较均匀的8个报汛站，其中二处报汛站为新增。按单元用算术平均法计算面雨量，单元流域的根据站（表1）。

表1        单元流域面雨量计算根据站表

单 元 流 域 名	面积(km2)	雨 量 站 名	备  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	外墙、黄坦、西坑、 百丈口、珊溪	133 km2/站

     2.2.2  产流量计算模型参数的率定    采用日模型进行率定，应用浙江省水文勘测局的“多层筛选网格计算法”软件，对年径流、次径流进行同步模拟计算——根据地区、流域的特性、设置各参数的合理取值范围，然后进行第一层面的网格计算，淘汰不合理的参数组；第二层面则对次径流以《水文情报预报规范》的规定为标准进行网格计算，从中选出年径流深误差在许可误差范围内，次径流深合格率最高的参数组群。再从中选出次径流深合格率最高，同时年径流深误差最小的参数作为最佳参数组。    2.2.3  汇流计算模型参数的率定    首先根据洪水退水过程线自下部至上部的拟合程度判断其参数的合理性。由于退水末段陡与缓主要决定于X、F₃和KK_g这三个参数，而KK_g可用退水过程线直接计算，如果各次洪水退水末段拟合好了，就可认为X和F₃求得的数值也是合理的。其次是向上综合壤中流参数K_f2和K_i2，可从两方面判断壤中流参数的合理性：一方面判断流量过程线腰段的拟合程度；另一方面判断壤中流的峰现时间（壤中流的峰现时间应在地表径流峰值出现之后，在基岩风化层径流峰值之前）。最后，对于大暴雨造成的特大洪水，关键是拟合其上部的峰断和峰现时间，即壤中回归水径流和地表径流的汇流参数F1、K_s和K_il的率定。各径流拟合、叠加过程线参见图3；珊溪水库施工期洪水预报模型参数见表2。    表2      珊溪水库施工期洪水预报模型参数表

单元流域名	Ws (mm)	Wum (mm)	Wtm (mm)	Wdm (mm)	B	C	K	KKg	X	F1 (mm/h)	Kf2 (mm)	F3 (mm/h)	Ns/Ks	Nil/Ki	Ni2/Ki2
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、珊溪水库施工期洪水预报的作业流程    百丈口站断面的流量预报由控制流域内的面平均雨量，经过产流计算得到径流深，然后划分水源，再由各层面水源汇流至出口断面叠加得到百丈口站出流过程。    珊溪入库流量预报由两部分组成，百丈口站断面预报流量经汇流演算至珊溪水库断面，与由百丈口——珊溪区间流域内面平均雨量计算得到的区间出流叠加，得到坝址断面的出流过程。    各断面的计算过程皆经过实时校正计算。百丈口站断面水位过程由流量过程经水位~流量关系转换得到。珊溪水库坝址水位过程需根据预报入库流量过程再通过求解水位库容、水位导流洞泄流和水位围堰堰顶过流方程组得到。    4、模型的运行    4.1  作业预报    水库施工期由于导流方式在变化，水位壅高，天然河道水流条件不断改变。因此，洪水预报模型各项参数要根据施工进度及时进行调整，建模以来正式发布作业洪水预报10余次，预报精度较好，特别是5次过堰顶洪水的预报及时准确，为施工区人员转移、设备抢救作出了重要贡献。    例如：1998年5月14日的洪水，根据作业预报17时堰前洪峰水位63.50m，将超过当时堰顶高度，建议做好漫堰准备，采取一切必要减灾措施，结果18时出现超过堰顶的洪水，由于工程指挥部根据洪水预报作了严密部署，采取了各种防洪有效措施，工程不仅没有人员伤亡，物质损失也极小。    4.2  成果评定    表3是5次过堰顶洪水的洪峰水位作业预报统计，从表中可知最大水位误差0.18mm，最小水位误差0；时间误差最大1.33h，最小0，皆达到部颁规范的甲级标准。 表3   过堰洪水作业预报一览表（水位单位为m，时间单位为年：月：日：时）

序号	降水开始时    间	终止时间	预报洪峰水位	预报出现时间	实测洪峰水位	实际出现时间	水位误差	时间差
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、结  语    水库施工期洪水预报的正确性对保证工程建设的顺利进行和人员、物资的安全非常重要，而施工期天然河道水力条件受工程进度影响不断发生变化，因此预报难度较大。经过两年作业预报运行，证明珊溪水库施工期洪水预报所采用的姜湾径流模型物理概念明确，成熟可靠，而且对施工期的诸多变化因子皆能得到考虑，精度能满足水库施工期洪水预报的要求。