大清河石門水庫抗暴雨能力分析及河庫聯合預報調度研究

馮站青

(蓋州市石門水庫管理處，遼寧 蓋州 115220)

隨著氣象科學技術發展，氣象部門1～3d降水預報精度已有較大提高，可為防汛工作提供早期參考。遼寧省防汛工作重點在水庫，難點在河道，所以必須將水庫防洪與河道防洪緊密結合起來，實現流域聯合防汛調度。但目前已建成的洪水預報調度系統大多面向單個水庫或水文控制站[1- 6]，所得結果僅為各水庫與下游水文控制站的分步結果，造成了水庫群之間、水庫群與堤防之間以及各水庫與下游控制站洪水預報調度成果相分離，必須由人工進行合成才能分析流域的防洪形勢和決策，工作繁瑣且容易出錯，無法構成以流域為單元的防洪體系，難以滿足庫群與河道堤防聯合調度模擬的自動、實時、快速、移動、多方案與集成性的更高要求。不同降水和流域蓄水量情況，對于水庫抗暴雨能力影響不同，當前，對于不同暴雨等級下的水庫抗暴雨能力影響研究較為成熟[7- 9]，但是同時考慮降水和流域蓄水量組合情況下的水庫抗暴雨能力分析還較少，為此本文以大清河石門水庫為研究實例，基于不同組合情景對水庫的抗暴雨能力及河庫聯合調度預報進行研究。

1 研究方法

本文設置的不同組合情景中，流域蓄水量分飽和、半飽和兩種情況，而降雨量設置為：24h面雨量P分別為50mm、100mm、150mm、200mm、250mm和300mm六個等級，降雨時程分布為：24h分8個時段，每段雨量所占比例為：14%、20%、20%、14%、8%、8%、8%、8%。通過不同組合情景，結合水庫抗暴雨能力計算方法[10]對水庫的抗暴雨能力進行分析，在進行河庫聯合預報調度分析時主要采用遼寧飽和產流計算模型進行推算，飽和產流是包氣帶未達到飽和時不產流、達到飽和后降水全部產流的產流方式。遼寧飽和產流模型的基礎是指數型流域蓄水容量曲線，主要用于我省東部地區。流域面上各點的蓄水容量不同，若按照大小排列，并與相應面積(%)點繪在一張圖上繪成曲線，即為流域蓄水容量曲線，遼寧飽和產流模型中，蓄水容量曲線采用指數形式。

(1)

式中，F—流域面積；F0—產流面積；a—流域參數，反映流域蓄水容量分布特征；P—降水量。遼寧飽和模型產流計算公式為：

(2)

式中，R—徑流深；P—降雨量；Pa—前期影響雨量；a—流域參數。在遼寧飽和產流計算時，我省采用雙層扣損法，將下墊面分為上下兩層，分別計算Pa，公式如下:

當P+Pa上≥Em時，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)

當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—徑流深；P—降雨量；P′—下層進量；S上—上層蓄水容量；S下—下層蓄水容量；a=1/S下—流域參數，反映流域蓄水容量曲線分布特征；Pa上—上層前期影響雨量；Pa下—下層前期影響雨量；E上—上層蒸發量；E下—下層蒸發量；Em—蒸發能力。

2 實例分析

2.1 研究區域概況

本文選取大清河石門水庫為研究實例，大清河上游分東西兩個支流，東支流發源于大石橋市建一鎮八盤嶺山的東大嶺下。西支流發源于海城市英洛鎮，西支稱西大清河。一級支流有21條，其中大石橋市10條，蓋州市11條，大清河水系圖如圖1所示。石門水庫總庫容1.022×108m3。最大壩高47m，最大壩長350m，設計正常高水位140.2m，溢洪道堰頂高程132.3m，第一溢洪道三孔閘門最大泄洪量2245m3/s，第一、二溢洪道六孔閘門最大泄量5286m3/s。水庫上游集水面積410km2，河道長39.2km，河道平均比降9‰，有兩大支流來水注入水庫，平均年降水量750mm，下游河道安全泄量1500m3/s，石門水庫特征曲線見表1及圖2。

水位m庫容/(106m3)水面面積/km2泄水建筑物泄量/(m3/s)合計正常溢洪道非常溢洪道泄洪洞輸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

圖2 大清河石門水庫特性曲線

2.2 不同組合情景條件下水庫上游來水預測分析

對不同組合情景條件下的水庫來水進行預測，預測分析結果見表2～4，并繪制不同組合情景下石門水庫的預報調度圖，如圖3、4所示。

表2 望寶山至石門區間流域半飽和時段雨量、徑流深計算表

表3 大清河流域望寶山至石門區間洪水模擬預報成果表(半飽和Pa=0.5Im)

表4 大清河流域望寶山至石門區間洪水模擬預報成果表(飽和Pa=1 Im)

圖3 不同組合情景下大清河石門水庫預報成果

圖4 不同組合情景下大清河石門水庫調度成果

水位/m相應庫容/(108m3)校核水位/m相應庫容/(108m3)空余庫容/(108m3)折算徑流深/mm允許最大降雨量土壤半飽和土壤飽和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(設計)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給出了不同組合條下的石門水庫入庫洪峰過程，半飽和下，隨著暴雨等級的加大，入庫洪峰在43.7～1290m3/s之間變化，變幅為1246m3/s，而在飽和狀態下，庫洪峰在270～1620m3/s之間變化，變幅為1350m3/s，相比于半飽和狀態，飽和狀態下石門水庫入庫洪峰變幅加大，這點也可從圖3中看出，相同降水條件下，飽和狀態下的入庫洪峰和洪量均大于半飽和狀態。從圖4中可看出，飽和狀態下相同降水條件下的起調水位也偏高。

2.3 不同組合情景條件下水庫抗暴雨能力分析

對不同組合條件下的石門水庫抗暴雨能力進行分析，分析結果見表5。

在水庫抗暴雨能力分析中，按照汛限水位、死水位與汛限水位平均值2種水位進行調洪，從表5可看出，大清河水庫的空余庫容在0～0.979×108m3之間，空余庫容越大，水庫納雨能力也最大，石門水庫在半飽和情景下，抗暴雨能力最大值為303.8mm，而在飽和情景下，抗暴雨能力最大值為238.8mm，飽和情景下的石門水庫抗暴雨能力有所減弱。水庫抗暴雨能力可將空余庫容轉化為所能容納最大降水量，更直觀的反映水庫各暴雨量級下的蓄水動態變化情況。

2.4 不同組合情景條件下河庫聯合預報分析

結合遼寧飽和模型對不同組合情景下的河庫聯合預報調度分析，成果見表6、7及圖5。

表6 半飽和組合情景下河庫聯合調度預報成果表(半飽和Pa=0.5Im)

表7 飽和組合情景下河庫聯合調度預報成果表((飽和Pa=1 Im)

圖5 不同組合情景下河庫聯合預報調度成果

不同組合情景下河庫聯合預報調度成果可直觀的反映不同暴雨等級下水庫蓄水量的動態變化結果，水庫的出口水量對于下游河道水文站的洪量影響較大，這點也可直觀的從圖5中反映出來，從圖5中可明顯看出，在不同流域蓄水量情景下，隨著降雨等級的加大，洪量關系之間的間距和變幅也逐步加大。不同組合情景下的河庫聯合預報調度成果，對于氣象未來1～3天暴雨等級下的水庫預報調度具有較強的實用價值，使水庫預報調度更加科學。

3 結論

(1)石門水庫在流域蓄水量半飽和狀態下的最大抗暴雨能力約為304mm，飽和狀態下約為239mm，但還需結合實時水位進行調整。

(2)河庫聯合預報可實現流域為單元、以干流為主線、以水庫和河道水文站為控制節點區域洪水預報，不同組合情況下的河庫聯合預報可顯著增加水庫洪水預見期。