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标题 考虑上游水利工程影响的产流预报方法研究
范文 魏子钧 梁国华 葛于晋 周惠成 何斌



摘要：洪水预报是防洪减灾的一项重要非工程措施，但是许多流域上修建的小型水库会对洪水预报的精度产生影响。利用大伙房模型对门楼水库流域洪水进行预报，针对流域上游小型水库影响，利用流域场次洪水、前期土壤含水量和小型水库库容与面积关系等资料，给出了定量考虑小型水库截流的计算方法，预报结果精度得到大幅度提高。
关键词：大伙房模型；洪水预报；水利工程影响；门楼水库
中图分类号：P338 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2014）06-0049-04
洪水预报作为一种重要的防洪减灾非工程措施，其精度和可靠性成为防洪预报调度成败的关键。随着社会和经济的发展，为了缓解水资源缺乏等问题，国内外许多水库上游修建了大量的蓄水工程，改变了流域内蒸发、入渗、产流、汇流特性。在进行洪水预报时，这些水利工程会对预报结果产生较大影响，使预报结果不尽如人意[1]。对此，国外主要通过较长年限的历时实测资料研究气候变化及土地利用对径流的影响，认为人类活动是影响径流变化的主要因素[2-4]。国内的相关研究也指出：流域内的中小型水库控制面积占流域面积比例较大时，有必要考虑上游水利工程影响[5-7]。由于许多流域内小型水库、拦河闸、塘坝缺乏完整的运行资料，很难用定量的方法研究上游水库群带来的影响[8]。本文尝试以门楼水库为例，利用流域场次洪水、前期土壤含水量和小型水库库容与面积的关系等资料，定量考虑小型水库在降雨过程中对产汇流的影响，确定合理的预报方案。
1 流域概况
门楼水库位于烟台市福山区门楼镇西南，大沽夹河支流清洋河下游，整体地势西高东低。流域内以沙壤土为主，其次为砂土和黏土。流域面积1 079 km2，总库容2.02亿m3，兴利库容1.26亿m3。区内多年平均降水量693 mm，汛期6月-9月降水量约占全年总降雨量的71.6%。门楼水库上游的水利工程见表1，其分布情况见图1。
总流域面积的30%，而总库容约为门楼水库的一半。通过多年的运行资料分析可知，当前期比较干旱且降雨量小于50 mm时，基本没有入库径流量。因此，在实际预报中应考虑这些中小型水库的拦蓄影响。
2 模型选用及其参数优选
2.1 模型选用
大伙房模型[9]是辽宁省大伙房水库管理局根据大伙房流域多年的预报经验而总结提出的集中式概念性水文模型。模型以超渗产流思想为基础，利用表层、深层和地下水库3部分来描述流域下垫面，进行土壤含水量的计算。扣损计算引用双层入渗曲线，并以抛物线描述上层蓄水量和双层下渗率分布状况。模型主要参数及意义见表2和表3。大伙房模型比较适用于干旱或半湿润地区，已被广泛地应用于东北地区，应用效果较好[10-11]。门楼水库处于胶东地区，流域气候和下垫面等自然特性与东北地区基本相同，因此本研究采用大伙房模型模拟门楼水库流域洪水预报方案。
2.2 模型参数优选方法
粒子群优化算法是一种集群优化算法，被广泛地应用于水库发电调度和水文模型参数优选中[12-13]，其基本思想源于人们对鸟群捕食行为的研究[14]。粒子群算法有很多优势：粒子初始化过程既不需要给出初始解，也不需要对粒子进行编码；搜索能力强，算法可以进行集群搜索；算法的计算参数少，迭代速度较快[15]。本文利用粒子群算法并根据大伙房模型各参数的物理意义及其敏感程度进行参数优选。优选的目标为径流相对误的差绝对值均值最小，其目标函数如下：
式中：n为洪水场次数；Rf（i）为第i场洪水的预报径流；Rm（i）为第i场洪水的实测径流。
3 结果分析
3.1 未考虑截流的洪水预报方案
选取1964年-2007年间37场洪水进行研究，其中27场洪水用于进行参数优选，10场洪水用于模型检验。流域的参数优选结果见表4，产流预报和检验结果见图2和图3。
根据《水文情报预报规范》进行精度评定，未考虑截流的模拟合格率为66.7%，模型合格率仅为60%。对于“740813”、“900724”、“950822”这一类前期降雨多、土壤较为湿润的洪水，该方案预报结果较好；对于“790624”、“800629”、“920831”这一类前期无降雨、土壤干旱的洪水，预报结果要远大于实际值。说明不考虑上游水利设施就无法准确地预报出前期干旱情况下的洪水。从参数方面来看，月的日平均蒸发E2、E3、E4和E5值大于5.0 mm以上，8月的日平均蒸发E5更是达到了6.9 mm，远大于实际蒸发值，说明预报参数不合理，对模型应用的可靠性产生较大影响。
3.2 考虑水利工程影响的产流预报方案
3.2.1 考虑考虑水利工程影响的产流面积计算思路
门楼水库至庵里水库间存在许多小型水库，降雨初期它们会截留一定水量，只有当降雨量足够大使小水库蓄满时，小水库才开始溢流，汇流至门楼水库。由于流域内各个小型水库都是无闸门控制、其库容及控制面积的大小也不一样，因此一场降雨过程的产流面积是动态变化的。为了考虑小型水库的截流，本文引入产流面积比例系数Ft来考虑小水库的截流变化过程，即流域最终产流量为模型计算的时段产流量Rt乘以产流面积比例系数Ft （Ft表示流域产流面积占流域面积的比例），计算公式为
式中：A为流域总面积（km2）；At为降雨时段t流域的实际产流面积（km2）；s0为无水库控制部分的面积（km2），约占门楼至庵里区间面积的80%；Ai为降雨时段t流域内第i个溢流的小型水库控制的面积；n为降雨时段t流域内溢流的小型水库的个数。
在一场降雨中，流域的产流面积At的变化与小水库初始蓄水状态Rc（mm）和时段内的降雨量Pt（mm）息息相关。可用At=f（Rc，Pt）来描述其变化过程。当小水库初始蓄水量多，时段降雨大的时候，小水库的产流面积就大，反之亦然。然而每场发生洪水之前其初始蓄水状态Rc很难定量，因为其主要因素（小水库的库容与面积、水库来水量和灌溉用水量等）具有不确定性。因此，本文Rc计算思路如下。
（1）将小型水库的兴利库容（蓄洪库容）转换成整个流域控制面积上的蓄水容量Rcc（mm）作为反映小水库的蓄洪库容指标，Rcc计算公式为
（2）流域内小水库的总库容及流域面积是确定的，因此 Rcc是定值。但是在目前管理水平和技术条件下，小水库初始蓄水状态Rc是无法确知的，它们与流域前期的降雨、小水库的库容和用水量等因素关系密切。对于北方水库而言，当土地很干旱的时候，Rc取值趋向于0，小型水库的初始蓄水状态近似认为处于死库容状态；当土地很湿润的时候，Rc取值趋向于Rcc，小型水库的初始蓄水状态近似认为处于蓄满状态。因此用Rc=Rcc·β来表示小水库初始蓄水状态，β是W0和Rcc的函数，取值范围是[0，1]，W0（mm）为降雨开始的流域土壤蓄水量。在[0，1]内β是单调递增的，β（W0，Rcc）的具体形式可能是线性的，也可以是非线性的。
为了简化计算，本文用流域前期土壤含水量相对系数Kr来替代β。
式中：S0、U0分别为大伙房模型流域土壤上层和下层蓄水容量。
（3）假设小水库的兴利库容（小水库兴利库容一般是指死水位至堰顶高程之间的库容）和集水面积之比就是小水库最大的截留能力ri，见公式（6）。那么只有当时段（Rc+Pt）（mm）大于ri时，小型水库才开始溢流。
式中：ri为第i个小型水库的最大截流能力（mm），Vi为第i个小型水库的兴利库容（104m3），si为第i个小型水库的控制流域面积（km2）。
（4）利用流域内70多座小型水库的兴利库容和集水面积求得各个水库最大截留能力ri，根据小水库溢洪条件以及式（2）-式（7）可得到流域降雨-产流面积系数关系曲线（图4），经拟合即得到函数关系为Ft=f1（Rc，Pt）。
（5）当场次洪水时段降雨量为Pt时，根据函数关系Ft=f1（Rc，Pt）即可得到产流面积系数Ft，用大伙房模型计算出时段产流量Rt，在此基础上乘以产流面积系数即为流域最终产流量。
图4 流域降雨-产流面积系数关系曲线
Fig.4 Relationship between precipitation and runoff area coefficient
3.2.2 模拟结果比较及合理性分析
为了方便比较，考虑截流后仍然选取与之前同样历史洪水进行模拟和检验。流域内的小型水库修建于1970年至1973年间，因此1973年以前洪水的不考虑截流影响。考虑截流后的参数优选结果列入表5，考虑截流影响与未考虑截流影响的预报结果与检验结果见图2和图3。
对比未考虑小水库截流和考虑截流两种方法计算结果可知，模拟合格率由前者的66.7%提高至后者的92.6%，检验合格率由60%提高至90%，预报精度得到了较大提高。如790624、800629、920831这一类前期干旱的洪水，未经截流计算之前，预报结果偏大，而经过截流计算之后预报结果满足精度要求，说明前期干旱时，小型水库基本处于空库状态，截流量较多，对产流量影响较大；又如740813、900724、950822这一类前期湿润的洪水，预报仍然符合要求，说明前期湿润，小型水库水位较高，截流量较少，对产流量影响也较小。
从参数方面看，只有5月、6月份的蒸发参数最大，这一结果符合实际情况，因为根据流域的蒸发资料，5月、6月确实为每年蒸发最大的两个月，属于作物生长期，气温较高，植物蒸腾较剧烈，可认为此流域内考虑截流影响方法是较为合理的。但是，也有3场洪水（760629、810816、030622）不合格，可能原因是：（1）把土壤前期蓄水量作为流域前期影响的唯一判断标准，并未考虑前期降雨过程；（2）原始资料时段长度为6 h，本文所用的时段长度2 h是由插值计算而来，与实际情况存在一定的误差；（3）在进行产流计算时，未考虑降雨强度及降雨历时的影响。
4 结语
本文利用大伙房模型对门楼水库流域洪水进行预报，发现其流域内小型水库截流对流域的产流量有较大影响，因此采用门楼流域水文资料，给出了定量考虑小型水库截流的计算方法。使模拟结果达到甲级方案水平。从典型洪水和参数两方面来看，考虑截流影响的预报方法合理、可行，为门楼流域防洪兴利提供了较可靠的技术手段，也可为其他类似流域的洪水预报提供参考。
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更新时间：2025/3/23 5:40:46