積石峽水電站水文預(yù)報(bào)方案與站網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)

趙延智，邢瑞豐，武志剛

（1.青海禹天監(jiān)理咨詢有限公司，青海 西寧 810008；2.青海省化隆縣水務(wù)局，青海 化隆 810900；3.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048）

積石峽水電站是黃河上游龍羊峽—青銅峽河段規(guī)劃的25座水電站中第11座，是繼龍羊峽、拉西瓦、李家峽、公伯峽等大型水電站之后的第5座大型水電站。公伯峽—積石峽區(qū)間（以下簡稱 “公—積區(qū)間”）洪水陡漲陡落，局部暴雨中心變化無常，對水庫安全度汛威脅較大；且黃河上游常出現(xiàn)短歷時(shí)高強(qiáng)度局地暴雨，易產(chǎn)生峰高量小的洪水。因此，為了加強(qiáng)防洪指揮力度、爭取預(yù)見期，在公—積區(qū)間設(shè)置水情自動測報(bào)系統(tǒng)是有必要的；同時(shí)，也是西北全網(wǎng)水調(diào)自動化和日后水庫運(yùn)行調(diào)度所必需的。

1 水文預(yù)報(bào)方案

1.1 流域水文站網(wǎng)現(xiàn)狀

積石峽水電站壩址位于積石峽峽谷距河源1 938 km的出口處，壩址以上流域面積為146 749 km2，占全流域面積的19.5%，而水量占全流域水量的38.8%。其中，公—積區(qū)間的流域面積為3 130 km2，有甘都溝、鹽溝、街子溝等支流匯入。目前，一個(gè)水文站（循化）無法控制其流域內(nèi)的降雨。（由于積石峽水電站建成后，循化水文站將處于水庫的淹沒區(qū)，根據(jù)2008年6月的調(diào)研情況將遷移至黃豐水電站下游—循化區(qū)段。）

1.2 水文預(yù)報(bào)方案配置

積石峽水電站壩址流量主要由來自公伯峽下泄流量和來自公—積區(qū)間降雨引起的洪水流量兩個(gè)部分組成。其中，黃河主河道下泄流量為主要洪水流量，區(qū)間內(nèi)局部暴雨的來水強(qiáng)度高、歷時(shí)短。由于公—積之間有梯級開發(fā)的蘇只水電站及正準(zhǔn)備施工的黃豐水電站，使得公—積區(qū)間河道基本處于積石峽水庫的回水淹沒區(qū)。因此，公—積壩址之間的流量預(yù)報(bào)方案，主要取決于其洪水預(yù)報(bào)。

1.2.1 區(qū)間洪水預(yù)報(bào)

目前，流域洪水預(yù)報(bào)模型，主要有3大類：系統(tǒng)理論模型、概念性模型和分布式模型。流域洪水預(yù)報(bào)模型的選擇，一般需要根據(jù)流域的產(chǎn)流特點(diǎn)以及流域資料情況進(jìn)行。積石峽水電站位于黃河上游流域段，屬干旱半干旱地區(qū)，且該流域現(xiàn)有的水文資料稀少，公—積區(qū)間流域洪水預(yù)報(bào)模型的構(gòu)建及選擇困難較大。根據(jù)目前的資料情況，公—積區(qū)間的洪水預(yù)報(bào)擬采用自然子流域結(jié)合柵格單元的水文模型方法。在構(gòu)建單元水文模型時(shí)，采用傳統(tǒng)的概念性水文模型——超滲產(chǎn)流模型；而每個(gè)子流域的匯流過程采用等流時(shí)線法。等流時(shí)線主要采用該區(qū)間流域的數(shù)字高程數(shù)據(jù)，通過ARCGIS軟件進(jìn)行提取獲得。

1.2.2 河道洪水流量組成

公—積壩址區(qū)間河道上有蘇只水電站及準(zhǔn)備施工的黃豐水電站，這兩個(gè)水電站將公—積區(qū)間河段劃分為三段，各水電站的庫區(qū)來水組成見圖1。

圖1 公—積壩址區(qū)間河道洪水流量組成

根據(jù)河道梯級開發(fā)情況，一般來說上游水庫電站的出庫流量會直接進(jìn)入下游水庫電站的庫區(qū)，因此這里不進(jìn)行河道的洪水演進(jìn)計(jì)算。

1.3 公—積區(qū)間流域的水文預(yù)報(bào)模型

根據(jù)公—積壩址區(qū)間流域的數(shù)字高程數(shù)據(jù)，在建立該區(qū)間流域的洪水預(yù)報(bào)模型時(shí)，將研究區(qū)域劃分為12個(gè)子流域（見圖2），每個(gè)子流域被作為一個(gè)獨(dú)立的研究單元。對于每個(gè)研究單元，在降雨中分別進(jìn)行產(chǎn)、匯流計(jì)算，從而得到各子流域出口處降雨形成的洪水流量過程。下面介紹洪水預(yù)報(bào)模型的各個(gè)組成部分。

1.3.1 冠層截留

在降雨產(chǎn)、匯流計(jì)算過程中，植被冠層是同大氣接觸的第一個(gè)層面，植被冠層截留量對蒸散發(fā)量有著重要的影響。但公—積壩址區(qū)間流域內(nèi)的植被覆蓋情況很差，因此在建模過程中可不考慮植被的冠層截留。

1.3.2 蒸散發(fā)

蒸散發(fā)計(jì)算，實(shí)際上包含潛在蒸發(fā)能力計(jì)算與實(shí)際蒸散發(fā)量計(jì)算兩個(gè)部分。本次不考慮潛在蒸發(fā)能力的計(jì)算，而以當(dāng)?shù)貙?shí)測蒸發(fā)資料作為蒸發(fā)能力

圖2 公—積壩址區(qū)間流域的子流域劃分

式中，E1為冠層實(shí)際蒸發(fā)量；t為計(jì)算時(shí)段；IA為冠層實(shí)際截留量；EP為蒸發(fā)能力。

1.3.3 子流域單元上的產(chǎn)流計(jì)算

通過對流域的離散化，將公—積區(qū)間劃分為較小的子流域，對每個(gè)子流域的產(chǎn)匯流采用概念性降雨徑流模型的超滲產(chǎn)流模型進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算。由于各子流域的土壤的滲水能力不同，因此在進(jìn)行超滲產(chǎn)流計(jì)算時(shí)，各子流域的土壤入滲曲線需要分別通過單點(diǎn)試驗(yàn)或歷史數(shù)據(jù)來確定。

1.3.4 子流域單元的匯流計(jì)算

在概念性洪水預(yù)報(bào)模型中，對流域的匯流計(jì)算一般有兩種途徑：單位線法（屬于黑箱子性質(zhì)）和等流時(shí)線法（屬于概化推理性質(zhì)）。此次根據(jù)流域的數(shù)字高程數(shù)據(jù)，采用等流時(shí)線法對各子流域單元的匯流進(jìn)行計(jì)算。

2 公—積區(qū)間流域水情測報(bào)系統(tǒng)站網(wǎng)規(guī)劃方案

2.1 站網(wǎng)規(guī)劃原則

積石峽水電站水情自動測報(bào)系統(tǒng)站網(wǎng)規(guī)劃的范圍是公—積區(qū)間流域及其主河道。對于水情自動測報(bào)站網(wǎng)的布設(shè)原則為：①能反映控制測報(bào)區(qū)雨情和水情的變化；②考慮預(yù)報(bào)模型和方案，使水文預(yù)報(bào)方案精度最終達(dá)到甲級；③有利于水情自動測報(bào)系統(tǒng)的建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)管理；④所有站點(diǎn)避開可能發(fā)生塌方、滑坡或泥石流地區(qū)，避開強(qiáng)電磁場、強(qiáng)震動等干擾源，盡可能地靠近居民點(diǎn)，便于看護(hù)和管理；⑤遙測站的布設(shè)遵循科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)可行的基本原則，充分利用已建水文站網(wǎng)，數(shù)量合理精簡。

2.2 站網(wǎng)布設(shè)

在具體擬定遙測站網(wǎng)時(shí)，主要根據(jù)流域的實(shí)際情況并結(jié)合流域水文預(yù)報(bào)方案配置的需要，分析其運(yùn)行中的不足和其對預(yù)報(bào)方案的適應(yīng)性。在保證洪水預(yù)報(bào)精度的前提下，以最經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)規(guī)模和投資來布設(shè)遙測站點(diǎn)。積石峽水電站水情自動測報(bào)系統(tǒng)遙測站網(wǎng)見圖2。

（1）遙測水位站布設(shè)。其布設(shè)目的主要作為水文預(yù)報(bào)的控制站，及時(shí)掌握水情變化，并檢驗(yàn)預(yù)報(bào)模型預(yù)報(bào)計(jì)算成果，對預(yù)報(bào)誤差時(shí)序變化規(guī)律、流量過程等進(jìn)行逐時(shí)校正。對于本系統(tǒng)來說，主要考慮控制產(chǎn)洪區(qū)域的原則，控制公—積區(qū)間入庫站、出庫站和庫區(qū)站。

（2）遙測雨量站布設(shè)。通常情況下，遙測雨量站網(wǎng)設(shè)置主要以面雨量精度作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行論證，其方法為抽站法和等值線法。由于本區(qū)間歷史資料較少，利用以上方法論證比較困難，所以設(shè)計(jì)主要通過規(guī)范要求的站網(wǎng)密度和與其條件類似的站網(wǎng)情況作為參考進(jìn)行遙測雨量站網(wǎng)布設(shè)。

（3）遙測站網(wǎng)布設(shè)。依據(jù)SL 61—2003《水情自動測報(bào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》和SL 34—92《水文站網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則》的規(guī)定，結(jié)合公—積區(qū)間流域氣象、水文特性以及管理、維護(hù)要求，在流域內(nèi)形成一個(gè)能控制流域降雨時(shí)空分布特性和各種來水情況的信息采集網(wǎng)絡(luò)，在滿足水電站水情預(yù)報(bào)、預(yù)見期的前提下，分析公—積區(qū)間的流域特性，即主要有三條支溝，分別為街子溝、鹽溝和甘都溝，其為區(qū)間洪水的主要來源。

3 結(jié)語

根據(jù)自動測報(bào)站網(wǎng)規(guī)劃原則，積石峽水電站水情自動測報(bào)系統(tǒng)布設(shè)了1個(gè)中心站，3個(gè)水位雨量站，2個(gè)水位站，6個(gè)雨量站，并采用自然子流域結(jié)合柵格單元的超滲產(chǎn)流水文模型進(jìn)行區(qū)間的洪水預(yù)報(bào)。該系統(tǒng)由水情遙測站、中心站、通信網(wǎng)絡(luò)、中心數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用管理系統(tǒng)軟件幾個(gè)主要部分構(gòu)成。系統(tǒng)建設(shè)，采用現(xiàn)代信息采集技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息處理技術(shù)建成覆蓋公—積流域區(qū)間的水情測報(bào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測和實(shí)時(shí)報(bào)警，為防洪指揮、安全度汛贏得寶貴的時(shí)間，最大限度地減少暴雨洪水災(zāi)害損失，確保人民生命財(cái)產(chǎn)安全。