降雨徑流預報方法在兩江水電站的應用

劉建軍，黃建輝，王成雄，張永勝

（1.吉林省吉能電力有限公司兩江分公司，吉林安圖133600；2.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春130021）

1 基本概況

降雨徑流預報是根據(jù)流域內一次降雨過程，通過降雨徑流關系計算產流量，然后采用經驗單位線計算匯流，從而得到流域出口斷面流量過程的預報方法。降雨徑流預報考慮了流域產、匯流的物理成因，更側重于響應系統(tǒng)的黑箱子綜合因素，方法簡便實用，精度較高，在實際預報中得到廣泛的應用。

兩江水電站地處吉林省安圖縣兩江鎮(zhèn)境內，壩址位于二道松花江與富爾河匯合口以上18 km處，壩址以上控制流域面積2970 km2。壩址多年平均徑流量12.08億m3，水庫總庫容2.105億m3，屬不完全年調節(jié)水庫。

兩江水電站水情自動測報系統(tǒng)于2000年建成并投入運行，系統(tǒng)現(xiàn)配置有新安江洪水預報模型。2010年、2013年本流域特大洪水發(fā)生后，在運行中發(fā)現(xiàn)新安江模型洪水預報精度不高，缺少與其它預報方案的相互檢驗印證，難以為水庫防洪調度提供可靠依據(jù)。因此，分析制定兩江水電站降雨徑流預報方案進行水庫洪水預報是十分迫切的。降雨徑流預報是采用降雨、前期影響雨量和產流量三變數(shù)的經驗相關圖法進行產流量預報，并在產流量預報基礎上由經驗單位線法預報流量過程。預報計算流程見圖1。

圖1 預報計算流程圖

2 產流方案

2.1 產流方式分析

二道松花江流域地處我國北方濕潤和半濕潤地區(qū)，雨量充沛，流域多年平均降雨量682.4 mm，且主要集中在汛期；流域內植被良好，覆蓋率高，表土的下滲能力強，壤中流和地下徑流豐富，且一次洪水過程多呈現(xiàn)漲洪陡、落洪緩的形式；一次降雨過程的總產流量主要決定于前期土濕和降雨量的多少。經綜合分析，兩江水電站以上流域以蓄滿產流為主。

根據(jù)兩江水電站所在流域內的河流分布及水文站網分布情況，選定兩江水電站入庫斷面作為洪水預報控制斷面，有效預見期為6 h。

2.2 產流參數(shù)計算

1）流域平均降雨量。流域平均降雨量采用泰森多邊形法計算，其計算公式為：

P=ΣKiPi

式中：P——流域平均降雨量，mm；Ki——面積權重系數(shù)，Ki=fi/F；Pi——單站降雨量，mm。

泰森多邊形法面積權重系數(shù)成果見表1。

表1 泰森多邊形法面積權重系數(shù)成果表

2）流域最大蓄水量。流域最大蓄水量（Im）是指在降雨前，土壤含水量很小或接近于零，發(fā)生較大降雨后的損失量。在進行流域最大蓄水量計算時，選擇歷年實測雨洪資料中久旱無雨之后降雨較大且又產生徑流的資料，經綜合分析，兩江水電站以上流域的最大蓄水量（Im）為120 mm。

3）土壤含水量折減系數(shù)。土壤含水量折減系數(shù)是計算前期影響雨量（Pa）的主要參數(shù)，它直接影響降雨徑流關系，一般先根據(jù)實測雨洪資料和地區(qū)綜合經驗初定一組數(shù)據(jù)，然后通過反復調試計算以與實測資料擬合最佳為目標進行優(yōu)選。土壤含水量折減系數(shù)的計算公式為：

K=1－Em/Im

式中：Em——流域日蒸發(fā)能力，mm；Im——流域最大損失量，mm。

兩江水電站以上流域松江站，自建站以來積累了多年蒸發(fā)資料，是這次計算流域各月日蒸發(fā)能力的基礎數(shù)據(jù)。土壤含水量折減系數(shù)見表2。

表2 兩江水電站以上流域土壤含水量折減系數(shù)表

4）前期影響雨量Pa。前期影響雨量（Pa）反映了洪水前期流域內土壤的蓄水情況，可作為土壤含水量的指標。計算公式如下：

Pa（t+1）=K（Pat+Pt）

式中：Pt——t日降雨量，mm；Pat——t日前期影響雨量，mm；Pa（t+1）——t+1日前期影響雨量，mm；K——土壤含水量消退系數(shù)。

考慮到Pa計算中未扣除產流量影響，故以流域最大損失量Im做限制（即Pa≤Im）。

2.3 徑流深計算

根據(jù)歷年實測資料中選取50場洪水過程計算徑流深。對所選定的每場洪水，參照對應的降雨過程，首先用退水曲線割去前次洪水的退水和后次降雨所形成的徑流，再割去基流，即得到這次降雨所形成的流量過程，然后利用列表法分別摘取各時段的流量Qi計算徑流深。計算公式如下：

R=3.6×△t×ΣQi/A

式中：R——一次降雨的總徑流深，mm；ΣQi——各時段流量的總和，m3/s；△t——時段長（取3 h）；A——集水面積，km2。

2.4 降雨徑流相關圖建立

通過選取雨洪對應關系明顯、次洪流量易于分割的大、中、小水不同量級雨洪過程，分別計算出各場次洪水的P，Pa和R值，繪制（P+Pa）～R相關圖，即得兩江水電站降雨徑流相關圖（見圖2）。

圖2 兩江水電站降雨徑流相關關系圖

3 匯流方案

流域匯流計算（即洪水過程預報）采用單位線法。在產流計算的基礎上，對實測資料進行優(yōu)選，分析推求可選用的一組經驗單位線。分析單位線的雨洪資料按以下原則選用：

1）盡量選用降雨集中，歷時較短的單峰洪水過程。

2）降雨過程與洪水過程相對應。

3）洪水漲落過程明顯，如系復峰洪水，則前后場次洪水易于分割。

4）盡量選擇大、中洪水，且暴雨高值區(qū)各異、具有代表性的洪水。

兩江水電站自水庫建成后對上游的匯流及峰現(xiàn)時間等均有一定的影響，所以匯流方案以入庫流量過程及對應的各站降雨資料為基礎進行單位線分析計算。經過篩選，分析確定了具有一定代表性的5條單位線作為匯流計算的依據(jù)。各單位線凈雨深為10 mm、時段長為1 h。

4 洪水預報方法和步驟

兩江水電站入庫洪水預報通過以下方法和步驟來實現(xiàn)：

1）結合水情自動測報系統(tǒng)遙測雨量站網發(fā)布的單站降雨量計算出流域面平均降雨量（P）。

2）以6月1日作為計算Pa的起始日期，并連續(xù)計算每日的Pa值，且保持Pa最大值不超過Im。由一次洪水的Pa值，與各時段累積降雨量相加，即可確定各時刻的P+Pa值。

3）通過P+Pa值在降雨徑流相關線上查得凈雨量累積值，并據(jù)此計算出從降雨開始時刻到降雨結束時每一時刻的累積凈雨量，相鄰時段的累積凈雨量之差即為時段凈雨量。

4）根據(jù)雨型、雨量大小、降雨中心位置、前期影響雨量等因素，選定相應的單位線。

5）根據(jù)時段凈雨量和選定的單位線進行匯流計算，得到本次降雨對應的洪水過程。

6）由計算出的本次降雨洪水過程加上起漲點的前次退水過程（退到基流時，采用基流值），即得預報的入庫洪水過程。

5 結論及建議

1）該流域地處濕潤和半濕潤地區(qū)，雨量較充沛，降雨總產流量主要決定于前期土濕和降雨量的多少，屬蓄滿產流區(qū)，應用降雨徑流預報方法是合適的。

2）通過對流域降雨及洪水過程的統(tǒng)計分析，確定該降雨徑流預報方案的預見期為6 h。

3）經預報檢驗計算，產流預報合格率為82%；洪峰流量預報合格率為80%；峰現(xiàn)時間預報合格率為80%。預報等級為乙級，達到預報發(fā)布要求。

4）由于受資料條件的限制，該預報方案的精度為乙級，精度相對較低，建議隨著水庫雨情、水情資料的逐步積累，對計算參數(shù)進行補充率定和修正。

5）在單位線的選擇上，應詳細分析降雨的分布、雨型、強度等因素合理選取。

6）作業(yè)預報時，應在掌握本流域暴雨洪水特點的基礎上，積累預報經驗，以提高對實際洪水預報的操控能力。