1水利工程影响下的洪水重现模型
本文选用半分布式水文模型)TOPMODEL模型,TOPMODEL模型[7][8]是一个以地形为基础的流域水文模型,用地形指数反映下垫面空间变化,模拟变动产流面积的概念。经过近30年的发展,TOPMODEL在世界各地得到了广泛的应用[9]。与传统集总式流域水文模型特征相比,TOPMODEL模型可以根据地形指数和流域平均缺水量计算出了流域各点的缺水量,能够反映现实下垫面含水量的变化[10]。由于水利工程蓄水量多少与土壤饱和程度直接相关,根据这一特征,通过历史洪水资料率定模型参数与水利工程蓄放作用之间的影响规则。将该规则耦合到TOP2MODEL模型中在现状水利工程影响情景下即可得到水利工程运行影响下的洪水重现模型。模型技术路线见图1:图1水利工程影响下的洪水重现技术路线图Fig.1HistoryfloodforwardrestoreprocedureundertheimpactsofhydraulicengineeringTOPMODEL模型中,Suz,i表示在点i处的非饱和区土壤含水量;SDi表示非饱和层土壤的蓄水能力;A=Suz,i/SDi表示水分变化最活跃的土壤非饱和区干旱时润程度。通过对历史洪水的分析可知,时段水利工程拦蓄或放流作用与前期土壤饱和程度有明显的相关关系,因此提出以下假设:A\A,水利工程表现为放流作用;B[A[A,水利工程表现为无影响;A[B,水利工程表现为拦蓄作用;其中A,B为(0,1)之间的常数,场次洪水总拦蓄量量小于洪水开始时水利工程空余库容量V1,总放流量小于洪水开始时水利工程蓄水量V2。V1=(1-A)*V,V2=A*V,V为水利工程年代最大影响量,根据有水利工程运行资料的典型洪水过程中水利工程库容变化分析,得出各类型水利工程的最大蓄洪比,应用到所有水利工程中得到各年代水利工程最大影响能力。
2实例
2.1研究流域概况
第二松花江丰满以上流域位于吉林省中南部地区,分布在东经125b18c~128b45c、北纬41b40c~44b05c之间。为提高水库预报精度,将丰满水库流域划分为三个区:丰满水库蓄水区(I区)、五道沟以上(II区)与白山水库以上(ó区)。在丰满水库上游流域,除上游松江河梯级水库群,干流的白山、红石、丰满大型梯级水库群外,仅在白山)丰满水库区间,还修建了小型水库近2000座,塘坝更是无以计数,总库容已超过10亿m3。其中五道沟以上(II区)的水库与塘坝的控制面积达到7421km2,占相应流域面积的63198%,对洪水总量预报的影响最大[11212];因此本文以丰满II区流域为典型流域开展研究,其流域内水系、水库与站点情况见图2:
2.2水利工程情况统计与分析
研究流域调查显示,流域内共有大型水库1座,中型水库12座,小一型水库86座(其中23座有运行资料),小二型水库390座,塘坝则无以计数。各量级水利工程基本情况统计见表1:3.3水利工程最大影响量研究流域水利工程众多,显然去获得这些水利工程在场次洪水中的运行资料是很难实现的,对流域出口断面,更关注这些水利工程的综合作用,不必要一一计算其影响。适宜的方法则是研究水库群的拦蓄特征和运用规律,因此我们更关心各类型水利工程对洪水的最大影响量。如何将这种影响量化是关键性的技术问题。(1)大型水库影响量计算:根据历史实测运行资料结合水库水文特征和水库设计参数分析可知,水库在低水位时会对洪水有明显拦蓄作用,在主汛期水位会出现高于正常蓄水位,但只是为了调洪,一场洪水结束时水位基本维持在汛限水位不超过正常蓄水位。因此可知其影响能力为兴利库容值。(2)中型水库影响量计算:由于中小型水库大都没有明确的调度规则,根据有运行资料的水库分析可以看出实际运行中正常库容要略大于设计正常库容值,根据实测运行资料中各水库兴利库容值占总库容约70%,因此用中小型水库总库容的70%作为其影响能力。(3)塘坝影响量计算:塘坝在洪水过程中基本上属于需要水时有多大库容就蓄多少,人工控制能力较差,因此将其总库容作为影响能力。根据各类型水利工程响量计算方法,结合各年代各类型水利工程库容,可以得到各年代水利工程最大影响量,见表2。
2.3历史洪水率定结果
选取1953年-1955年间6场洪水来率定检验天然期模型参数,选取流域1956年-2010年受水利工程影响期的14场历史暴雨洪水进来率定模型参数与水利工程蓄放作用之间影响规则,最终A=014,B=0128,场次洪水模拟结果见表3:由结果可以看出,不考虑水利工程影响规则,14场历史暴雨洪水只有8场合格,合格率仅为57%,分析不合格场次洪水,19600824为汛末拦蓄,19640816、19910722和19910731均为主汛期前期土壤饱和,水利工程放流。考虑水利工程影响规则后的模拟精度明显高于不考虑水利工程影响的模拟结果,合格率为86%,说明率定得到的规则能够描述水利工程对洪水的影响。
2.4历史暴雨洪水重现分析
根据上面率定得到的模型参数与水利工程蓄放作用之间影响规则,结合现状水利工程分布情况得到现状水利工程条件下的洪水重现模型。将历史上比较大的降雨过程输入到模型中去得到历史暴雨洪水的重现过程。由历史暴雨洪水重现结果可以看出,受水利工程的影响历史上的暴雨过程发生到现在,其流量过程与当年实测流量过程有一定变化。主要表现为受水利工程拦蓄和调蓄作用影响,洪峰和洪量均有一定程度的减小,变化趋势沿着有利于防洪安全的方向。另外洪水发生年代距今越远其变化程度越大,如19640811和19860804号洪水重现过程变化幅度明显大于19910722和19950731号洪水。
3结论及展望
流域水利工程建成及运行状态变化,对防洪减灾的影响主要表现在规划设计与实时运行两个方面。对防洪规划设计,主要涉及洪水系列的一致性问题:由于径流的时程变化规律及洪水的形成、演进规律发生了一定变化,使观测到的水文数据失去了一致性[13][14],这对再建工程项目提供资料造成了困难,也使得现有河道防洪工程的防洪标准不明确,流域洪水预报精度下降[15],对流域防洪规划修订及河道设计防洪流量确定也有很大影响;本文使用TOPMODEL模型通过历史洪水率定得到模型参数与水利工程蓄放作用之间的影响规则,结合现状水利工程建设与分布情况得到水利工程影响下的洪水重现模型,将历史典型降雨过程输入到模型中得到历史暴雨洪水重现过程。重现结果显示,历史降雨过程发生到现在,洪水过程发生了一些变化。主要是朝着对防洪有利的方向变化,说明水利工程整体对防洪安全有积极影响。重现后的洪水不但能够反映历史暴雨在现状水利工程条件下的洪水过程,对指导流域防洪有一定的借鉴意义,而且使得流域洪水预报方案中的洪水恢复了一致性,对于下一步流域设计洪水和河道防洪工程的防洪标准评定有一定参考价值。但是由于模型误差,水利工程的影响量特别是水利工程放流加大重现洪水过程的情况并不能够完全反映出来,如何将水利工程的影响与模型本身误差区分开来值得进一步研究。
作者：孙新国 周惠成 武剑 单位：大连理工大学 河北省水利水电勘测设计研究院
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