柴河水庫汛期可能遭遇的極端和突發(fā)水文事件的初始識別及對應(yīng)的初步預(yù)案

張偉夫

(遼寧省柴河水庫管理局，遼寧 鐵嶺112000)

摘要：本文對柴河水庫在汛期可能遭遇的極端突發(fā)水文事件的類型作了初級預(yù)測，并設(shè)計了初步的預(yù)報調(diào)度方面的對應(yīng)預(yù)案。

關(guān)鍵詞：極端突發(fā)水文事件；初步識別；初步預(yù)案

中圖分類號：TV697

Initial Identification of Chaihe Reservoir Flood Season Possible Extreme

Outbreak Hydrological Events and Corresponding Preliminary Plans

ZHANG Wei-fu

(LiaoningChaiheReservoirAuthority,Tieling112000,China)

Abstract：In the paper, possible outbreak hydrological event types of Chaihe Reservoir during flood season are primarily predicted, and primary corresponding plans in the aspect of forecast scheduling are designed.

Keywords：extreme outbreak hydrological events; initial identification; preliminary plans

1概述

柴河水庫是修建于遼河左側(cè)較大支流柴河上的大(2)型水庫，距鐵嶺市12km，承擔(dān)防御鐵嶺市20年一遇洪水和為遼河干流30年一遇洪水錯峰的防洪任務(wù)。水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇設(shè)計、10000年一遇校核。

近年來，因氣候變化、人類活動和其他因素導(dǎo)致柴河流域降雨洪水特征、豐枯交替規(guī)律發(fā)生了明顯改變。更應(yīng)當(dāng)引起注意的是，上述改變促進(jìn)和加速了水文事件特別是暴雨洪水事件的特征量值向兩級化方向發(fā)展，極端和突發(fā)水文事件發(fā)生頻率和量級呈明顯的上升趨勢。2013年8月16日，與柴河上游流域緊鄰的清原縣發(fā)生了局地特大洪澇災(zāi)害，多項(xiàng)降雨指標(biāo)達(dá)歷史極值。柴河流域上游位于清原縣境內(nèi)，柴河流域“13·8·16”暴雨是清原“13·8·16”暴雨的外圍，其兩個雨量站降雨量分別為139mm和139.5mm。清原“13·8·16”暴雨中心距柴河流域19.2km，距水庫入庫站47.9km，距大壩入庫站59.8km，降雨中心稍微向西偏移，這場特大暴雨就會發(fā)生在柴河流域，因此未來柴河流域發(fā)生相似暴雨的可能性很大。而且隨著全球氣候變暖，極端天氣氣候事件呈現(xiàn)出增多增強(qiáng)的趨勢，預(yù)計今后此類極端事件的出現(xiàn)將更加頻繁。

針對這一情況，本文對柴河流域可能發(fā)生的極端水文事件進(jìn)行了初步估計，并在預(yù)報調(diào)度方面編制了初級預(yù)案。為保證預(yù)案有針對性，首先對極端和突發(fā)水文事件進(jìn)行分類。

2柴河水庫汛期可能遭遇的極端和突發(fā)水文事件的定義和分類

2.1定義

在本文中，柴河水庫汛期極端和突發(fā)水文事件指由極端天氣事件直接引發(fā)的嚴(yán)重偏離柴河流域洪水平均狀態(tài)的洪水事件和水庫汛期運(yùn)行時與可能出現(xiàn)的水庫結(jié)構(gòu)問題相伴隨的調(diào)度事件。

2.2分類

本文中柴河流域汛期可能遭遇的極端和突發(fā)水文事件按事件的性質(zhì)和破壞力進(jìn)行分類，初步分為特大暴雨洪水、水庫加固危險期發(fā)生暴雨洪水、稀遇暴雨洪水偏離原有的汛期洪水分期、暴雨洪水與地震并發(fā)、水庫潰壩等5個極端事件。

下面在上述兩個分類的基礎(chǔ)上分別尋找上述事件發(fā)生初步判別條件和對應(yīng)的初步預(yù)案。

3柴河水庫汛期可能遭遇的極端和突發(fā)水文事件的初始識別與初步預(yù)案

3.1特大暴雨洪水

在柴河流域，特大暴雨洪水發(fā)生概率最大，來勢最迅猛，預(yù)報難度大。

下面是基于將清原“13·8·16”暴雨移植到柴河流域后，形成的初步預(yù)報調(diào)度預(yù)案。

a.按下墊面特征進(jìn)行分區(qū)產(chǎn)匯流計算。柴河流域上游為清原丘陵地區(qū)，與清原“13·8·16”暴雨洪災(zāi)區(qū)的地形地貌有許多相似之處。針對“13·8·16”洪水特點(diǎn)，將流域內(nèi)溝壑密布、山高坡陡、水系發(fā)達(dá)和河谷狹窄區(qū)域從流域中劃分出來，單獨(dú)進(jìn)行產(chǎn)匯流計算。

b.土壤含水量計算。土壤含水量除受蒸發(fā)影響外，還依地勢不同，在不同程度上受地下水埋深的影響。柴河上游清原境內(nèi)山丘區(qū)域，也就是(1)中單獨(dú)進(jìn)行產(chǎn)匯流計算區(qū)域的土壤含水量變化規(guī)律，受地下水埋深的影響更大。因此，汛前需對該區(qū)域地下水埋深規(guī)律做估算，包括極限埋深、降雨前埋深、降雨后埋深等。

c.預(yù)報模型參數(shù)調(diào)整。對2010年洪水呈現(xiàn)的新的產(chǎn)匯流特征率定為洪水預(yù)報模型參數(shù)。一是連續(xù)降雨后回歸流的范圍、量值及其趨勢的估計問題；二是不同流速徑流成分比例的估計問題。前者直接影響到特大暴雨洪水洪量預(yù)報精度，后者直接影響洪峰流量和峰現(xiàn)時間預(yù)報的預(yù)報精度。

d.組合計算。當(dāng)遭遇強(qiáng)降雨時，按最危險組合進(jìn)行估算，即按坡地流速最大、匯入河道后流速最大、漲率最大、沖擊力最強(qiáng)計算。南北兩個支流在入庫站附近匯合時按上游洪水、坡面洪水和山谷洪水的峰值組合計算，并計入洪水頂托，以獲取可能的最危險的、對水庫工程最不利的數(shù)據(jù)。

e.入庫洪水計算。除原來的系數(shù)法、指示流域法外增加新的實(shí)驗(yàn)方法。具體做法是：將入庫站洪水過程，采用馬斯京根法演算到壩前，用同時段的由庫水位反推的壩前流量過程減去相應(yīng)的演算的流量過程，即可得區(qū)間流量過程。

進(jìn)行入庫站洪水過程與壩址洪水過程傳播時間關(guān)系分析，點(diǎn)繪洪峰流量與傳播時間的關(guān)系曲線。

f.洪水調(diào)節(jié)計算。根據(jù)對清原“13·8·16”洪水特性的分析，水庫在遭遇類似超標(biāo)準(zhǔn)洪水時，在采用靜庫容法進(jìn)行調(diào)洪演算的基礎(chǔ)上，增加動庫容方法，以克服洪水峰高量大、漲勢迅猛形成的楔形庫容帶來的調(diào)洪演算誤差。

g.預(yù)報結(jié)果的風(fēng)險評估。分解預(yù)報過程，計算關(guān)鍵點(diǎn)的風(fēng)險，評估預(yù)報的誤差是否可以被接受。

h.調(diào)度模式。為確保安全和靈活，采用預(yù)報和常規(guī)相結(jié)合的調(diào)度模式。

對于標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)洪水，設(shè)定絕對安全的調(diào)度運(yùn)行方式，以反推方式，推求一個上限定量估計值，偏安全地確定各種調(diào)度方案的使用范圍。

對于超標(biāo)準(zhǔn)洪水，要作統(tǒng)計上的估計，并且對頻率過程線外延導(dǎo)致的和統(tǒng)計參數(shù)不穩(wěn)定導(dǎo)致的誤差加以分析。

洪水節(jié)點(diǎn)處的調(diào)度采用預(yù)報調(diào)度與預(yù)補(bǔ)償調(diào)度相結(jié)合的方式。柴河水庫防洪庫容和興利庫容部分結(jié)合，前期所需防洪庫容較大， 因此需根據(jù)預(yù)報進(jìn)行合理的預(yù)泄，提前騰出庫容以納蓄即將發(fā)生的洪水。

i.當(dāng)水庫遭遇50年一遇以上洪水時，必須考慮泥沙淤積對洪水預(yù)報成果，特別是調(diào)洪演算成果的影響。柴河水庫歷經(jīng)40年運(yùn)行，泥沙淤積減少了水庫約0.32億m3的有效庫容。而且這些泥沙大部分分布在110m高程以上，對大洪水的調(diào)洪演算成果有很大影響；而大洪水，特別是接近保壩標(biāo)準(zhǔn)的大洪水，調(diào)洪成果的準(zhǔn)確度對水庫安全至關(guān)重要。

3.2水庫加固危險期發(fā)生暴雨洪水

柴河水庫除險加固于2009年結(jié)束，水庫大壩自此到設(shè)計使用年限內(nèi)的風(fēng)險分布服從可靠性工程中的浴盆曲線危險函數(shù)。據(jù)此推算，2015—2017年水庫仍處于中高危險期與正常期的交界處。當(dāng)流域發(fā)生暴雨洪水或水庫需大流量放水時，可能造成壩體的不穩(wěn)定。對于這一問題，相應(yīng)的預(yù)案如下：

a.加強(qiáng)水文和工程觀測，并及時分析觀測數(shù)據(jù)。

b.根據(jù)中長期預(yù)報和短期天氣預(yù)報，在大的降雨洪水到來前，盡量結(jié)合農(nóng)業(yè)灌溉、電廠發(fā)電和生態(tài)供水采取預(yù)泄調(diào)度方式。

c.盡量平穩(wěn)放流，避免超過水庫規(guī)定的日降率0.5m的大流量泄流。

3.3稀遇暴雨洪水偏離原有的汛期洪水分期

這是一個看似危害不大并可能被忽略，但卻是一個困擾水庫調(diào)度，并可能引發(fā)影響水庫防洪安全問題的因素。柴河水庫汛期采用分期洪水調(diào)度，汛期分期采用水庫初步設(shè)計成果，而初步設(shè)計所依據(jù)的資料系列為建庫前雨洪系列(1972年以前)。柴河水庫投入運(yùn)行至今已40年，期間，流域降雨、徑流和下墊面條件發(fā)生了很大改變，稀遇暴雨的量級和頻率逐漸偏離長期變化規(guī)律。如2010年，年內(nèi)最大場次降雨和最大洪水發(fā)生在主汛期之后。而水庫調(diào)度方案、泄流方式和汛期限制水位的確定與汛期分期密切相關(guān)。因此，需對目前降雨洪水在時間上的分布進(jìn)行分析。但暴雨洪水規(guī)律的改變只在近幾年，依據(jù)短系列進(jìn)行的分析無法斷定暴雨洪水規(guī)律是否長期偏離設(shè)計成果。對此，采用如下解決方法：

a.對汛限水位采用動態(tài)控制方法。

b.按目前暴雨洪水在時間上的分布進(jìn)行分期，與原分期配合使用。

c.將暴雨洪水在時間上的分配規(guī)律改變前后作為一個系列，據(jù)此采用蒙特卡洛法模擬出50年以上資料數(shù)據(jù)，再對其進(jìn)行分期。

3.4暴雨洪水與地震并發(fā)

暴雨洪水與地震并發(fā)是小概率事件，一旦發(fā)生且達(dá)到一定量級，對水庫大壩的危害是所有事件中最大的，特別是當(dāng)暴雨洪水與地震同時發(fā)生的時候。

對于地震無法識別與預(yù)警，只能預(yù)先針對可能發(fā)生的不同烈度的地震對水庫運(yùn)行可能發(fā)生的影響進(jìn)行估計。假定水庫高水位運(yùn)行期遭遇破壞性大地震，必須泄放水體，則需進(jìn)行以下工作：

a.水體突然泄放的初始流態(tài)的模擬。

b.可能泄放的最大流量的估算及泄流過程的推求。

c.水體向下游的演進(jìn)過程的推算。

3.5水庫潰壩

水庫潰壩是極小概率事件，一旦發(fā)生，會造成災(zāi)難性后果。水庫潰壩一般基本發(fā)生在極值狀態(tài)，而且絕大多數(shù)是暴雨洪水的極值狀態(tài)。對此，初步的預(yù)案如下：

當(dāng)發(fā)生超過5000年一遇洪水時，以面臨的洪水量值，結(jié)合工程觀測數(shù)據(jù)，采用重現(xiàn)期法和安全系數(shù)法，對水庫進(jìn)行潰壩風(fēng)險分析。

當(dāng)采用上述2種方法進(jìn)行的風(fēng)險分析數(shù)值有1種接近臨界值時，立即采取保壩和水庫下游人口撤離的措施。同時加密暴雨洪水觀測。

4結(jié)語

本文對柴河水庫汛期可能遭遇的極端和突發(fā)水文事件進(jìn)行了最初級的識別和在這種識別基礎(chǔ)上制作了最初級的預(yù)案。在此基礎(chǔ)上，需針對每一個具體的問題，作更清晰的識別和更準(zhǔn)確細(xì)致的預(yù)報調(diào)度方案。

參考文獻(xiàn)

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