基于防洪特征水位與雨量閾值的水庫水文站防洪預警監控方法

楊 飛，沈桂環 馬 政

(安康水文水資源勘測中心，陜西 安康 725000)

1 水文站防洪特征水位與雨量閾值預警監控方法設計

1.1 水文站防洪特征水位-雨量的關系

水庫范圍內的大部分地區，年降雨量十分不均勻，夏季暴雨洪水頻發，對人民的生命財產安全造成了較大的威脅。根據降水與流量的關系，反演出水位-雨量的關系，從而得到雨量閾值[1]。水庫水位與雨量之間存在一定的對應關系，在較長的時間內，只要水庫降雨量不大，就可以用一條單一的曲線來表示。水位-雨量的關系如圖1所示。

圖1 防洪特征水位-雨量的關系曲線

由圖1可見，黑色方塊表示的是水文站的起漲水位，平滑曲線的位置就是水位-雨量穩定上升的區域[2]。由圖1可知，雨量越大，水位越高。

將降水數據輸入到相關水文模型中，可以對水庫的雨量展開分析，可知在洪峰時段內，平均分布在水庫防洪特征水位上的雨量深度，就是水庫雨量閾值，雨量閾值如式(1)、式(2)所示：

(1)

(2)

式中：P為雨量深度閾值，mm；W為徑流總量，m3；s為水庫集水面積，km2；Q為雨量徑流閾值，m3/s；Δt為洪峰時段，h。

雨量閾值與水庫前期防洪特征水位有關，前期防洪特征水位較高時，雨量閾值相對較低；前期防洪特征水位較低時，雨量閾值相對較高。

1.2 防洪特征水位與雨量閾值確定預警監控指標

在確定了防洪特征水位與雨量的關系之后，本文從不同的河流斷面計算洪水流量，推算出防洪預警水位，有效地度量水文站水文變化特征。在水文站中對水文數據進行時間序列離散處理，計算出不同河流斷面變化過程的信息量系數，從而對水文站防洪預警水位進行定量分析[3]。河流斷面變化的細節信號如式(3)所示：

(3)

(4)

式中：ICF為水文信息的信息量系數；Pj為水庫水文數據能量分布。

根據ICF得出，各類水文數據的Pj值越均勻，水文防洪監控信息越無規則，ICF也隨之增加；各類水文數據的Pj值越不均勻，Pj集中于某一頻帶時，ICF存在較強的周期成分，更有利于判斷水文站水文防洪預警監控信息的真實有效性[4]。本文在水文站中找出雨量的信息數據，并對其進行信息量系數分析，在R、Q已知的條件下，對水庫防洪特征水位進行監控，如圖2所示。

圖2 水庫防洪特征水位示意圖

由圖2可知，根據水文站的雨量數據，分析出水庫對應的防洪特征水位，并對死水位、校核洪水位、防洪高水位、防洪限制水位、設計洪水位進行監控，確保水庫防洪庫容的正常調度。將雨量閾值與防洪特征水位相結合，設定出水庫汛期允許的上限水位與下限水位，并將上限水位作為預警水位，超出該水位開始預警[5]。水庫預警水位如式(5)所示：

(5)

式中：Zm(t)為水庫預警水位，m；R為蒸發量，m；Zd為設計洪水位，m。

本文將Zd作為防洪風險的明確標志，當水位超過Zd，并接近Zm(t)，即判定為洪水風險水位。由此確定水文站防洪預警監控指標，如表1所示。

表1 水文站防洪預警指標

本文將預警等級分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共四種，洪水危險程度為Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ，并將其按照紅、橙、黃、藍進行顏色預警。設定水庫某一時段的水位為v，當v>Zd，v≈Zm(t)時，判定為Ⅳ級預警等級，在監控界面顯示為藍色；當v>Zd>Zm(t)時，判定為Ⅰ級預警等級，并在監控界面顯示為紅色。通過此種預警監控方式，能夠在洪水水位高于閾值的瞬間予以預警，最大程度上確保水庫的防洪效果。

2 實例分析

2.1 工程概況

為了驗證本文設計的預警監控方法是否滿足水文站防洪預警需求，以石泉水文站為例，對上述方法進行了實例分析。石泉水文站位于漢江上游的陜西省石泉縣喜河鎮下游10 km處，位于石泉水庫是一座以發電為主，兼有防洪、航運、養殖、旅游等綜合效益的水利樞紐。石泉水庫大壩為混凝土空腹重力壩及實體重力壩，最大壩高65 m，壩頂高程416.00 m，壩頂全長353 m，壩頂寬16 m。設計洪水位410.29 m，歷史最高洪水位416.00 m。城區供水設施日供水能力13 550 m3，主要為居民生活用水，無工業和農業灌溉用水。石泉水庫流域位置見圖3所示。

圖3 石泉水庫流域

石泉水庫壩址位于陜西省安康市石泉縣城關鎮，水庫集水面積23 400 km2。水庫相應的洪峰流量為28 400 m3/s，洪水總量約為19.30億m3，調峰最高洪水位410.00 m。石泉水文站是石泉水庫出庫站，入庫水文站為洋縣、兩河口水文站。水庫建壩時在最低水位以下，高程為392.2 m處預埋有中Φ500 mm內徑管道伸出壩外，專供縣城飲水用。在汛期，石泉水文站的洪水調度泄流情況見圖4所示。

圖4 汛期調度規則泄流示意圖

石泉水庫總庫容4.15億m3，有效庫容2.38億m3，正常蓄水位410.00 m，水庫校核洪水標準為1000年一遇。在汛期的0～15 d，入庫流量在2000～2500 m3/s的范圍內變化；在汛期的15～25 d，入庫流量在3000～5500 m3/s的范圍內變化；在汛期的25～50 d，入庫流量在1500～2500 m3/s的范圍內變化。也就是說，汛期時，洪峰流量在15～25 d之內出現，根據洪峰流量變化情況，實時監控防洪預警汛限水位。

2.2 應用結果

在上述條件下，本文隨機選取出多種歷史洪峰流量，對歷史雨量進行分析。不同的洪峰流量對應著不同的預警水位，監控到的水位與實際水位越相近，防洪監控效果越佳。預警水位與實際水位的預警等級與實際預警等級保持一致，即可確保防洪預警效果。在已知條件下，使用本文設計的基于防洪特征水位與雨量閾值的水文站防洪預警監控方法進行分析，應用結果見表2。

表2 應用結果

由表2可知，根據預警水位與實際水位變化情況，將預警等級劃分為Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ共4類，洪水危險程度從低到高。洪峰流量為28 400 m3/s、30 420 m3/s、13 550 m3/s、27 680 m3/s時，實際水位接近預警水位但不超過預警水位，預警等級為Ⅳ。洪峰流量為27 600 m3/s、21 500 m3/s時，實際水位超過預警水位，并超過歷史最高水位，預警等級為Ⅰ。洪峰流量為43 620 m3/s、28 320 m3/s時，實際水位超過預警水位，但低于歷史最高水位，預警等級為Ⅱ。洪峰流量為25 150 m3/s時，實際水位低于預警水位，低于警戒流量，不予預警。根據實際水位與預警水位情況，判斷的防洪預警等級與實際預警狀態保持了高度的一致。同時，監控水位與實際水位為一致狀態。由此得出，應用本文方法之后，水文站防洪預警監控效果更佳，能夠使水文站對水庫防洪泄洪問題作出提前預判，為水文站的綜合效益提供保障。

3 結 語

本文在防洪特征水位與雨量閾值的前提下，設計了水文站防洪預警監控方法。從水位-雨量關系判定、預警指標、水位監控等方面，對水文站作出了有效地預警監控，為水文站的防洪提供了有利的條件。