溫州珊溪水庫施工期洪水預報模型及運行
吳紅斌
摘要：論述了應用姜灣徑徑流模型編制大型水利建設工程——珊溪水利施工期洪水預報模型的結構原理、模型參數、計算分析和模型的運行，包括建模以來作業預報的過程、精度和應用效果。
關鍵詞：洪水預報模型 運行 珊溪水庫 浙江
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），相應庫容12.24億m3，防洪庫容2.12億m3，系多年調節水庫，裝機容量200MW，年發電量3.55億kw·h。
水庫壩址位于飛云江上游文成縣珊溪鎮附近（圖1），壩址以上河長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。流域內植被良好。
壩址以上地處亞熱帶季風區，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。降水量年內分配不均勻，主要集中在5~7月的梅雨期和8~9月的臺風期，臺風暴雨是造成本流域洪水災害的主要天氣因素。
2 珊溪水庫施工期洪水預報模型
珊溪水庫施工期洪水預報模型采用浙江省水文勘測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；基巖風化層徑流），而各種水源認為是產生在介質特性發生急劇變化的交界面上，其模型結構和流程如圖2所示。
圖2 姜灣徑流模型流程圖
R－產流量（mm）；α－產流面積系數，即α=R/（P-E）；F1－淋溶層穩定下滲率（mm/△t），一般取2.5~10.0mm/h；F3－沉積層穩定下滲率（mm/△t），一般取1.0~1.5mm/h；Rs－地表徑流；Rg－地下徑流，包括Ri和Rig(mm)；X1－淋深層垂向調蓄系數；X2－沉積層垂向調蓄系數；R1－壤中總徑流；Rig－基巖風化層徑流；Rgg－母質層總入流；Ril－壤中回歸徑流；Ri2－壤中徑流；Ki2－淋溶層容積(mm)；Ks、Kil、K12－坡面淋溶層側向匯流系數；KKg－基巖風化徑流消退系數；Qs、Qil、Qi2、Qg、Q分別為四種水流在出口斷面的流量和總出流量。
2.1 預報流域的劃分
根據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單元，即百丈口水文站以上流域，其控制面積為866 km2，流域內有三插溪、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的來水已受控制調節；百丈口至珊溪區間流域面積為663 k m2，內設有外墻、黃坦、西坑雨量站和珊溪水位站。
2.2 珊溪水庫預報模型參數的率定
2.2.1 珊溪壩址以上流域面平均雨量計算
報汛站網的布設原則是充分利用原有的報汛站點，以最經濟的站點數達到能夠掌握所需水情的變化，滿足水庫水文預報的精度和將來運行調度的需要為目標。經過對流域內原有的雨量站優化計算分析，最后擬定分布比較均勻的8個報汛站，其中二處報汛站為新增。按單元用算術平均法計算面雨量，單元流域的根據站（表1）。
表1 單元流域面雨量計算根據站表
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
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 產流量計算模型參數的率定
采用日模型進行率定，應用浙江省水文勘測局的“多層篩選網格計算法”軟件，對年徑流、次徑流進行同步模擬計算——根據地區、流域的特性、設置各參數的合理取值范圍，然后進行第一層面的網格計算，淘汰不合理的參數組；第二層面則對次徑流以《水文情報預報規范》的規定為標準進行網格計算，從中選出年徑流深誤差在許可誤差范圍內，次徑流深合格率最高的參數組群。再從中選出次徑流深合格率最高，同時年徑流深誤差最小的參數作為最佳參數組。
2.2.3 匯流計算模型參數的率定
首先根據洪水退水過程線自下部至上部的擬合程度判斷其參數的合理性。由于退水末段陡與緩主要決定于X、F3和KKg這三個參數，而KKg可用退水過程線直接計算，如果各次洪水退水末段擬合好了，就可認為X和F3求得的數值也是合理的。其次是向上綜合壤中流參數Kf2和Ki2，可從兩方面判斷壤中流參數的合理性：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時間（壤中流的峰現時間應在地表徑流峰值出現之后，在基巖風化層徑流峰值之前）。最后，對于大暴雨造成的特大洪水，關鍵是擬合其上部的峰斷和峰現時間，即壤中回歸水徑流和地表徑流的匯流參數F1、Ks和Kil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報模型參數見表2。
表2 珊溪水庫施工期洪水預報模型參數表
單元流域名 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
單元流域名
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 珊溪水庫施工期洪水預報的作業流程
百丈口站斷面的流量預報由控制流域內的面平均雨量，經過產流計算得到徑流深，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。
珊溪入庫流量預報由兩部分組成，百丈口站斷面預報流量經匯流演算至珊溪水庫斷面，與由百丈口——珊溪區間流域內面平均雨量計算得到的區間出流疊加，得到壩址斷面的出流過程。
各斷面的計算過程皆經過實時校正計算。百丈口站斷面水位過程由流量過程經水位~流量關系轉換得到。珊溪水庫壩址水位過程需根據預報入庫流量過程再通過求解水位庫容、水位導流洞泄流和水位圍堰堰頂過流方程組得到。
4 模型的運行
4.1 作業預報
水庫施工期由于導流方式在變化，水位壅高，天然河道水流條件不斷改變。因此，洪水預報模型各項參數要根據施工進度及時進行調整，建模以來正式發布作業洪水預報10余次，預報精度較好，特別是5次過堰頂洪水的預報及時準確，為施工區人員轉移、設備搶救作出了重要貢獻。
例如：1998年5月14日的洪水，根據作業預報17時堰前洪峰水位63.50m，將超過當時堰頂高度，建議做好漫堰準備，采取一切必要減災措施，結果18時出現超過堰頂的洪水，由于工程指揮部根據洪水預報作了嚴密部署，采取了各種防洪有效措施，工程不僅沒有人員傷亡，物質損失也極小。
4.2 成果評定
表3是5次過堰頂洪水的洪峰水位作業預報統計，從表中可知最大水位誤差0.18mm，最小水位誤差0；時間誤差最大1.33h，最小0，皆達到部頒規范的甲級標準。
表3 過堰洪水作業預報一覽表（水位單位為m，時間單位為年：月：日：時）
序號
降水開始時間
終止時間
預報洪峰水位
預報出現時間
實測洪峰水位
實際出現時間
水位誤差
時間差
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 語
水庫施工期洪水預報的正確性對保證工程建設的順利進行和人員、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度影響不斷發生變化，因此預報難度較大。經過兩年作業預報運行，證明珊溪水庫施工期洪水預報所采用的姜灣徑流模型物理概念明確，成熟可靠，而且對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報的要求。
