百色市雞甫水庫入庫洪水預報方案研究與應用

涂 旭，黃旭升，李榮輝*，劉 偉，黃雪絨姿

(1 廣西壯族自治區水利科學研究院，南寧 530023； 2 廣西水工程材料與結構重點實驗室，南寧 530023)

洪水預報是水庫汛情分析、防洪調度、防汛搶險的基礎，其準確性和可靠性直接影響水庫及上下游流域防洪減災工作[1]。2019年3月水利部召開全國水庫安全度汛視頻會議，明確提出關于水庫水情預測預報,逐庫完成入庫洪水預報方案編制方面的具體要求。中國中小型水庫數量龐大，防洪安全任務繁重，開展中小型水庫的洪水預報方案編制是地區防洪安全的關鍵[2]。文章以百色市小型水庫雞甫水庫為研究對象，基于產匯流分析計算，建立降雨量、徑流量、洪峰流量與庫水位相互間關系，實現入庫洪水預報，為該水庫防洪減災工作提供理論基礎。

1 水庫概況

雞甫水庫位于德保縣東凌鎮定坡村雞甫屯旁的那王河上，那王河發源于波平山附近，流經谷門、那樂、雞甫等村屯，于東凌盆地注入石灰巖地下溶洞，潛流后匯入福祿河，壩址以上集雨面積38.5km2,河長13.5km，平均坡降3.0%，流域平均高程在1000m以上，屬高山區雨源性小河。由于本流域洪峰流量來勢迅速，歷時短，而下游地下溶洞洞口狹窄，過水能力小，致使東凌盆地洪水期受淹成災。雞甫水庫流域圖，見圖1。

圖1 雞甫水庫流域圖

雞甫水庫壩址距離縣城74km，距離東凌鎮政府4km。是一座以灌溉為主，供水為輔的小(1)型水庫[3]。樞紐工程主要由連拱壩、溢流壩、放水設施及管理房等組成。水庫正常蓄水位523.00m，死水位508.00m，總庫容152.8萬m3,調洪庫容64.92萬m3，興利庫容87.88萬m3，死庫容4.10萬m3。水庫大壩防洪標準以30a一遇洪水設計， 200a一遇洪水校核。設計洪水位527.10m，洪水流量506m3/s，相應最大下泄流量為430m3/s；校核洪水位527.85m，洪水流量668m3/s，相應最大下泄流量579m3/s。

2 設計暴雨計算

2.1 設計暴雨參數計算方法

對于有實測雨量資料的區域，其設計暴雨采用站點歷年雨量資料進行計算；對于缺乏實測雨量資料的區域，其設計暴雨采用查算圖表法分析得到。設計暴雨參數計算涉及到不同時段、不同頻率暴雨均值及變差系數Cv、偏態系數Cs與變差系數Cv比值(Cs/Cv)、點面折減系數α、暴雨遞減指數np的確定。

2.2 設計暴雨量計算

雞甫水庫流域24h最大降雨量按東凌站歷年雨量資料計算得出； 1h、6h最大降雨量通過查《廣西暴雨統計參數等值線圖研究》[4]的附圖，得到1h、6h共2種標準歷時的暴雨均值和Cv值，按Cs =3.5Cv，查《廣西壯族自治區暴雨徑流查算圖表》[5](以下簡稱《查算圖表》)的“皮爾遜III型曲線的模比系數Kp值表”，可得不同設計暴雨頻率相應的Kp值，乘以暴雨均值可得不同設計暴雨頻率的設計點雨量。根據防洪標準，暴雨頻率選擇了30a一遇、100a一遇和200a一遇。

在頻率暴雨過程計算中，當流域面積<100km2時用點雨量代替面雨量，當流域面積>100km2時則要計算面雨量。雞甫水庫流域面積為38.5km2，<100km2，則由點雨量代替面雨量。

在此基礎上，根據計算得出的不同頻率的暴雨遞減指數，計算公式為：

式中：H24p、H6p、H1p分別為24h、6h、1h設計暴雨，mm。

然后采用以下公式，推求不同歷時的設計暴雨。

式中：Htp為th設計暴雨，mm；H24p、H6p、H1p分別為24h、6h、1h設計暴雨，mm。

2.3 設計暴雨時程分配計算

暴雨時程分配采用《查算圖表》的“廣西分區綜合24h雨型表(時段為1h)”進行分析，雞甫水庫流域雨型分區屬于5區，計算得到24h暴雨時程分配。

3 凈雨計算

通常情況下，凈雨分析應當考慮初損和下滲兩部分。其中，初損主要考慮植被截留和洼蓄兩部分，后損主要考慮下滲。

3.1 設計總徑流深 R總的查讀

查找《查算圖表》圖31“廣西壯族自治區產流分區圖”，可以得到設計洪水計算條件下初損的取值情況。雞甫水庫流域所處產流分區為第4區，從降雨徑流相關特征參數綜合表查得流域平均最大蓄水量Wm=120mm，從偏于安全考慮計算初始需水量Wo=0.7Wm=0.7×120=84mm，再查《查算圖表》附圖4“第4區降雨徑流關系圖(P+Wo-Wo-R)”，上部可按45°外延，設計情況下的稀遇洪水可用R總=P+Wo-Wm。但常遇的小洪水在關系線下部者應該在圖中查讀。

3.2 凈雨過程計算

4 設計洪水計算

4.1 瞬時單位線法

根據《查算圖表》查匯流分區圖，雞甫水庫屬三區，m1穩=0.96F0.324J-0.238，n=1.38F0.080J0.150，式中F是集雨面積，J是河道平均坡降，查S(t)曲線表進行匯流計算。推求出雞甫水庫30a一遇設計洪峰流量為506m3/s，100a一遇設計洪峰流量為605m3/s，200a一遇設計洪峰流量為668m3/s。

4.2 推理公式法

4.3 設計洪水成果比較

以上兩種計算方法推求的設計洪水成果，雞甫水庫設計洪水成果表，見表1。

表1 雞甫水庫設計洪水成果表

由以上成果表看出，同頻率洪峰流量值的兩種推算方法成果較接近，計算成果合理，故采用瞬時單位線法的成果作為入庫洪水預報依據。

4.4 合理性分析

選取百色市范圍內24h降雨均值及下墊面情況與設計流域基本相似的水庫設計洪水分析成果，點繪P=1%洪峰流量與集雨面積的雙對數圖，見圖2。本次計算的雞甫水庫點據落在點群中心線略上方，故設計洪峰流量成果是合理的。

圖2 P=1%洪峰流量與流域面積關系圖

5 入庫洪水預報

小型水庫一般流域面積較小,河道短、坡降大,匯流時間短,洪水來勢猛。水庫上游雨量站點較少,無入庫水文站,往往只在壩前設一水文站,測降雨和水位。若降雨均勻(一般發生較大洪水時降雨較均勻),這一站的代表性尚可,若降雨分布不均勻,代表性較差,入庫流量僅能用壩前實測水位、出庫量和損失量反推求出[6]。

在蓄滿產流地區,用暴雨徑流相關圖預報洪量，在超滲產流地區,可用扣損穩滲量法預報徑流量。小型水庫由于流域面積小、降雨特性變化不大,所以入庫洪水的峰量關系一般比較穩定,可以根據各次洪水的入庫洪峰流量與相應的徑流深建立相關關系,即所謂峰、量相關圖。應用時,根據已知的徑流深即可查出預報的洪峰流量值。一般小型水庫的實測水文資料年限不長,繪制的峰、量關系往往不能滿足大洪水時防汛調度的需要?？煽紤]根據實測資料分析,結合本水庫設計洪水的峰、量關系趨勢進行高水延長。運用數年積累資料,可根據降雨性質(降雨歷時、平均雨強等),繪制2-3條不同的峰、量關系線以提高預報精度。小型水庫一般沒有入庫站進行流量測驗,只能用近似的辦法推求入庫洪水,一般可將來水過程概化為三角形。預報出入庫洪水總量、洪峰及概化為三角形的來水過程以后,進行調洪計算,即可預報出洪水過程中水庫最高庫水位及最大泄流量。

為迅速作出入庫洪水預報,建立降雨量、徑流量、洪峰流量與庫水位相互間關系,可根據降雨量預報出洪水過程中水庫最高庫水位及最大泄流量[7]。

5.1 預測總徑流深

雞甫水庫流域P+Wo-R相關圖，見圖3。基于降雨量和前期影響雨量，根據相關圖預測雞甫水庫流域產生的總徑流深。

圖3 雞甫水庫流域P+Wo-R相關圖

5.2 推測洪峰流量

根據頻率下總徑流深和洪峰流量的計算成果作出相關圖，雞甫水庫流域R-Qm相關圖，見圖4。通過預測得到的總徑流深推測出24h降雨量產生的洪峰流量。

圖4 雞甫水庫流域R-Qm相關圖

5.3 推測不泄洪情況下庫水位

以庫水位Z為縱坐標、總徑流深R為橫坐標，起調庫水位Zo為參數，繪制R-Zo-Z關系曲線，通過預測得到的總徑流深推測出不同起調水位不泄洪情況下的庫水位，雞甫水庫R-Zo-Z相關圖，見圖5。

圖5 雞甫水庫R-Zo-Z相關圖

5.4 推測泄洪情況下最高庫水位和最大泄流量

根據庫水位與下泄流量關系曲線，見圖6。通過推測出的24h降雨量產生的洪峰流量和不同起調水位不泄洪情況下的庫水位推測出泄洪情況下最高庫水位和最大泄流量。

5.5 入庫洪水預報應用

假設雞甫水庫的起調水位Zo=522m，流域24h平均降雨量P=120mm，前期影響雨量Wo=84mm，要求預報該次洪水的最高庫水位Zm，以及相應最大泄流量qm。

1)首先假設水庫不泄洪，由P+Wo=204mm，在P+Wo-R相關圖上查得總徑流深R=84mm；在R-Zo-Z相關圖上由R=84mm向上交Zo=522m(內插)，再向右交Z1=536.8m。

2)由于雞甫水庫的溢流壩為實用堰，堰頂高程為523m，Z1>523m，故假設不成立。再由R=84mm，在R-Qm相關圖上查得該場暴雨形成的洪峰流量Qm=259.47m3/s；在Z-q相關圖上標出點1(259.47,523)和點2(0,536.8)，兩點連線與泄流量曲線交點的縱坐標和橫坐標即為該次洪水的最高庫水位Zm=525.67m和相應最大泄流量qm=210m3/s。

圖6 雞甫水庫Z-q相關圖

6 結 語

入庫洪水預報是防汛決策的科學依據，是防洪非工程措施的重要內容之一，直接為防汛搶險、防洪調度服務。為提高水庫水情預報能力，文章通過收集雞甫水庫歷年降雨和庫水位等數據，基于小流域產匯流分析，計算出若干場次洪水，開展實測降雨徑流模擬入庫洪水預報，用場次洪水過程實測最大庫水位驗證模擬成果，精度基本滿足規范要求，模擬效果較好，可應用于雞甫水庫入庫洪水預報。