基于多普勒雷達的降水-蒸發預報模型研究及應用

王 媛，李其虎，劉存福，張東明，岳 攀

(1.成都大學建筑與土木工程學院，四川成都610106；2.雅礱江流域水電開發有限公司，四川成都610051)

0 引 言

黏土(含摻礫土)心墻堆石壩可充分利用當地天然材料填筑，對不同的地質條件具有良好的適應性，施工工藝比較簡便，抗震性能較好[1]。目前國內瀑布溝、糯扎渡、長河壩及在建的兩河口、雙江口等多個電站均采用此類壩型。與其他壩型相比，由于采用土質心墻防滲，施工過程對降水更為敏感。降雨對施工的影響主要包括：長時間降雨導致心墻土料含水率超出設計要求，因此開采、運輸、碾壓各環節均無法施工；對于間歇降雨，如果兩次降雨時間間隔較短，土體尚未晾曬至合適的含水率，也無法繼續施工。只有當降雨間歇期足夠且有晴天出現，土體含水率滿足設計要求時，才能繼續施工。

為保證心墻施工質量，一般情況下避免在雨季進行土料施工，或選擇粘附力較弱、對含水率敏感性低的土料以適應雨季施工[2]。傳統方法施工精細化程度不高，而且由于長時間間斷施工導致設備及人員閑置，施工效率低，施工成本高。同時，因電站建設多位于山區，氣象預報準確率較低，突發性局地降水影響心墻施工質量，心墻土料降水飽和后不得不采取挖除棄料的方式，影響施工進度。

為了解決這一問題，本文建立了基于多普勒雷達的降雨預報體系，提出了適用于礫石土心墻的降水—蒸發模型，形成了大壩心墻雨季施工精細化管控措施，并應用在兩河口水電站心墻雨季施工中，獲得顯著成效。

1 基于多普勒雷達的短臨降水預報模型

1.1 多普勒天氣雷達預報原理

多普勒天氣雷達的基本工作原理是利用多普勒效應，測定發射波與回波之間的頻率差，從而探測出降水粒子的相關信息，并在一定條件下反演出大氣風場、氣流垂直速度等，進而快速分析出中小尺度天氣系統的實時降雨情況及發展趨勢。

目前，氣象雷達技術已經應用在水文預報、防洪減災、農業灌溉等領域[3- 6]，取得了一定成果。在高原山地天氣系統中，對于塊狀小回波(尺度一般<10 km)，當回波強度≥20 dBZ時，即可能出現降水天氣；當塊狀云團發展為面積較大的降水云團時，除了對回波中心區域進行預報外，還要注意回波值較小區域的降水情況及發展趨勢。氣象雷達回波見圖1。

圖1 多普勒雷達回波

1.2 降雨時長預報

降雨時長Ta根據現場氣象雷達測定的雷達回波云圖和風場特征圖判定，較長時間尺度時參考AccuWeather預報軟件預報的降雨時長進行修正。多普勒雷達預報系統每6 min繪制一次回波云圖和風場特征圖，可較準確預報降雨時長，但由于高原山區雨季易出現強對流天氣，應密切關注云圖變化趨勢。

1.3 降雨強度預報

對于降雨的判定還需結合山區的特殊地形條件綜合考慮，特別是在塊狀云團的回波強度≤20 dBZ，云層高度<4 000 m時，也有可能形成地形雨。根據研究經驗及2017年雨季降雨信息統計[7]，在兩河口施工區域，降雨強度Ir與多普勒雷達反射回波值對應關系見表1。

表1 雷達回波值與降雨強度對應關系

綜合上述因素，可以得出降雨量預報模型

(1)

式中，D為預報時段內累計降雨量；T為預報降雨小時數，取整數值；由于每6 min更新一次回波云圖，Δt=0.1 h；Ir為回波值對應的降雨強度。

1.4 有效性檢驗

為檢驗降雨預報模型的有效性，選取2017年7月的10場降雨進行預報，對比結果見表2。預報數據與實測降雨數據對比結果表明，預報誤差在-27.78%～17.39%之間，預報數據與實測數據的相關系數為99.5%，而且對影響現場施工的降雨量(2 mm以上)預報更為準確，表明模型對土石壩施工現場的降雨預報有較好的指導作用。

2 土料含水量蒸發模型

土料水分蒸發是土體和大氣之間物質能量交換的主要方式之一，也是實現土料表層熱量與水分平衡的重要途徑。通過2016年～2017年對現場氣象站實測數據、日照時間及礫石土蒸發量數據分析，發現在單日內，礫石土蒸發量與填筑面氣溫、風速及日照時長呈相關關系，特別是與每日氣溫積溫相關性較好。盡管日照和風速也有一定影響，但根據現場長期跟蹤實測情況看，由于礫石土心墻填筑區域位于河谷低洼區域，風速和日照強度變化較小，可以按常數考慮。

表2 預報降雨量與實測值對比

土體蒸發模型研究需要分析典型日氣溫變化過程曲線，本文采用高斯函數進行擬合，可以較為準確地模擬日氣溫隨時間的升降變化過程，該函數可以表示為

(2)

式中，y0為日最低氣溫；A為常數；σ為標準差；tc為最高氣溫對應的時間。

按時間積分可以得出該時段內積溫，即

(3)

同時，本文采用溫度蒸發模型[8- 9]，可以近似判定每日蒸發量E與積溫呈線性相關關系，即

E=kf(x)

(4)

式中，k為常數，mm/(℃·h)，有日照條件下k取1.2 mm/(℃·h)，陰天條件下取1 mm/(℃·h)。

綜合考慮降雨、蒸發及土壤含水率受降雨的影響，可以得出復工窗口期W

(5)

式中，Wa為預報的兩次降雨間隔時間，h；Wb為達到設計含水率時所需翻曬時間，h；E0為達到設計含水率時蒸發損失量，mm；G為施工一個工序所需的時間，h，如兩河口心墻碾壓取值3 h，土料攤鋪取值4 h。

根據現場施工統計，采取表面快速壓光及起坡排水的土體經歷降雨過程后，土體含水量波動主要集中在表層5 cm深度范圍內，土體表層含水率增加范圍在2%～4%，含水率波動對大壩心墻復工的影響較小，可以作為常數考慮，其在固定條件下所需的蒸發量損失E0也是一定的，因此可以計算出Wb。由式(5)判斷，W>0，可以施工；反之則暫停施工，繼續加密觀測，等待窗口期出現。

3 基于降水-蒸發預報模型的雨季施工技術

3.1 停工標準判定

DL/T5397—2007《水電工程施工組織設計規范》[10]規定，“礫石土日降雨量<5.0 mm可以繼續施工；日降雨量達到5.0～10 mm時停工0.5 d；日降雨量達到10～30 mm時停工1 d；日降雨量≥30 mm時停工2 d。”

傳統施工對降雨及蒸發多采用經驗性預報方法，預報準確率不高，造成施工精細化程度不高，而且由于長時間間斷施工導致設備及人員閑置，施工效率低，施工成本高；同時由于兩河口水電站心墻土料黏粒含量較高，對降水的敏感程度更高，現場降雨量≥2 mm時，即無法施工。表3對比了糯扎渡、長河壩、兩河口水電站雨季施工標準。如果采取常規的措施，則心墻在雨季降雨集中季節必須暫停施工，進度將遠遠滯后工期要求。為確保兩河口大壩心墻的填筑進度滿足要求，需要根據降雨-蒸發規律，制訂更為精細的雨季施工措施。

表3 部分土石壩土料顆粒對比分析及雨季施工標準

3.2 基于降水-蒸發預報模型的雨季施工循環模型

為加強對天氣形勢的總體把控，雨季施工可結合中長尺度預報，提前制訂雨季施工措施，安排作業資源，并將心墻按照1%坡比(向上游側)放坡處理。

短時降雨會導致心墻碾壓無法順利實施，因此該預報模型需要提前1～2 h準確預報是否有降雨以及降雨時長。如果預報有降雨，且降雨歷時較長，累計降雨量將超過2 mm，則心墻立即停工，并對心墻作業面采取平碾光面處理。如預報有降雨，但降雨歷時較短且累計降雨量不超過2 mm，則心墻繼續施工，并加密多普勒雷達預報發布頻次。

為提高施工效率，解決雨后復工準備及施工窗口期問題，該模型需要準確判定兩次降雨之間的間歇期。同時需要判定，在間歇期內的土體經機械翻曬及自然蒸發，含水率降至設計要求含水率范圍時，是否仍有足夠的時間進行一個工序的施工。

基于上述考慮，本文建立了基于降雨-蒸發預報模型的雨季施工循環模型，如圖2所示。

圖2 基于降雨-蒸發預報模型的雨季施工循環模型

3.3 應用效果分析

2017年，兩河口水電站大壩心墻在5月～9月累計降雨567 mm，降雨總量及分布與多年平均水平一致。在應用降雨-蒸發預報模型并采取精細化施工措施后，雨前防護及雨后復工有序開展，5月～9月心墻填筑強度累計達到21.92萬m3，超過投標計劃(12.36萬m3)，表明降雨-蒸發模型能夠指導現場施工，降低了降雨對施工的不利影響。2017年大壩心墻雨季填筑強度對比如圖3所示。

圖3 2017年大壩心墻雨季填筑強度對比

4 結 語

面對雨季施工降雨預報準確率低、土料對降雨敏感性強、施工組織復雜等難題，提出了基于多普勒雷達的土石壩施工區降水-蒸發預報模型，可以定量分析雨季有效施工時間，并建立精細化的雨季施工體系。實踐表明，本文提出的方法對壩址區小區域的降雨預判準確率高，能夠指導現場充分利用窗口期開展施工，提高了施工效率，避免了雨季停工及人員設備長時間閑置等情況的出現，確保了雨季填筑強度滿足工期要求，為堆石壩土質心墻雨季施工提供了可借鑒的降雨-蒸發預報模型與技術手段。