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暴雨條件下小型水庫(kù)預(yù)警模式研究

2019-09-24 06:02李春江史學(xué)建張寶森時(shí)芳欣汪自力
人民黃河 2019年9期
關(guān)鍵詞:花果山降雨量防洪

李春江,史學(xué)建,張寶森,時(shí)芳欣,汪自力

(1.黃河水利科學(xué)研究院,河南鄭州450003;2.水利部堤防安全與病害防治工程技術(shù)研究中心,河南鄭州450003)

據(jù)《第一次全國(guó)水利普查公報(bào)》數(shù)據(jù)[1],全國(guó)建成各類水庫(kù)98 002座,其中小型水庫(kù)93 308座,占水庫(kù)總數(shù)的95.2%,小型水庫(kù)中?。?)型和?。?)型比例為1∶4.2。 另?yè)?jù)統(tǒng)計(jì)[2],1954—2006年全國(guó)各類潰壩水庫(kù)中,小型水庫(kù)占96.4%,其潰壩原因主要有洪水漫頂(占51.1%)、工程質(zhì)量差(占32.0%)、運(yùn)行管理不當(dāng)(占10.6%)等。

為減少暴雨洪水漫頂對(duì)大壩安全及下游人員、財(cái)產(chǎn)的影響,應(yīng)采取必要的防洪措施,包括工程措施和非工程措施,但小型水庫(kù)數(shù)量大、分布廣,難以形成完善的防洪工程體系,因此洪水預(yù)報(bào)、預(yù)警等非工程措施對(duì)小型水庫(kù)防洪尤為重要。山洪預(yù)警模型有很多,如集總式水文模型、分布式水文模型、半分布式水文模型[3]。這些模型多應(yīng)用于水文資料豐富的大中型水庫(kù)流域預(yù)報(bào),預(yù)報(bào)過(guò)程較復(fù)雜。而小型水庫(kù)庫(kù)容小、匯流時(shí)間短、水位上漲快,暴雨來(lái)臨時(shí),極易發(fā)生漫頂而潰壩,特別是由淤地壩改建的小型水庫(kù),淤積量較大,防洪庫(kù)容更小。張大偉[4]介紹了極端強(qiáng)降雨條件下小型土石壩水庫(kù)潰決的2個(gè)階段及應(yīng)對(duì)措施;李宏恩等[5]提出了水庫(kù)工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與山洪災(zāi)害防治預(yù)警系統(tǒng)的協(xié)同預(yù)警模式;陳業(yè)華等[6]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法計(jì)算了突發(fā)洪水時(shí)水庫(kù)漫壩風(fēng)險(xiǎn)概率;于梅艷[7]提出的四象限圖法可以對(duì)中小型水庫(kù)進(jìn)行較快的防洪預(yù)警,但未提出多種預(yù)警方式,同時(shí)缺乏不同預(yù)警級(jí)別下的防洪搶險(xiǎn)措施。

本文針對(duì)暴雨條件下氣象預(yù)報(bào)-水位預(yù)警-防洪搶險(xiǎn)三位一體的小型水庫(kù)汛期預(yù)警模式進(jìn)行研究。該模式高效便捷、適用性強(qiáng),不僅可以最大限度增加壩前水位預(yù)見(jiàn)期,提前發(fā)布預(yù)警信息,還可以根據(jù)預(yù)警信息提前準(zhǔn)備防洪調(diào)度搶險(xiǎn)措施。

1 三位一體的小型水庫(kù)預(yù)警模式

1.1 確立預(yù)警指標(biāo)及閾值

小型水庫(kù)存在基礎(chǔ)資料匱乏、觀測(cè)設(shè)施毀壞或缺失、無(wú)專職技術(shù)管理人員等問(wèn)題[8],不能簡(jiǎn)單地借鑒大型水庫(kù)復(fù)雜的防洪預(yù)警指標(biāo)體系,選取的預(yù)警指標(biāo)應(yīng)具有易懂、易識(shí)別、易操作等特點(diǎn)。水庫(kù)壩前水位指標(biāo)應(yīng)更加直觀,監(jiān)測(cè)方便,只需在壩前建立觀測(cè)水尺或在迎水坡上標(biāo)注水位,適用于觀測(cè)設(shè)備不完善的小型水庫(kù)防洪預(yù)警。

水庫(kù)防洪預(yù)警閾值是表征水庫(kù)應(yīng)對(duì)不同等級(jí)降雨而采取不同防洪調(diào)度搶險(xiǎn)方案時(shí)的臨界水位值。一般小型水庫(kù)在設(shè)計(jì)初期或除險(xiǎn)加固期都會(huì)設(shè)計(jì)汛限水位、溢洪道底板高程、壩頂高程,為便于觀測(cè)及預(yù)警,筆者將這3種高程作為水位預(yù)警閾值,建立三級(jí)水位預(yù)警方案,提前發(fā)布預(yù)警信息,并采取不同的防洪調(diào)度搶險(xiǎn)措施。

1.2 氣象預(yù)報(bào)

小型水庫(kù)大多數(shù)沒(méi)有獨(dú)立的雨水情觀測(cè)設(shè)施,而汛期預(yù)測(cè)壩前水位需要觀測(cè)或預(yù)報(bào)的降雨量,所以要借助水庫(kù)周邊氣象站或雨量站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)入庫(kù)洪量進(jìn)行預(yù)估,進(jìn)而預(yù)測(cè)壩前水位,提前掌握水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)情況和承受能力,從而實(shí)現(xiàn)預(yù)警。

根據(jù)山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)成果,選取離水庫(kù)最近的氣象站或雨量站作為觀測(cè)站,獲取歷史降雨資料及實(shí)時(shí)降雨資料,分析各站汛期多年平均最大降雨量與最大24 h降雨量,以做好水庫(kù)長(zhǎng)期預(yù)警和短期預(yù)警工作。

1.3 水位預(yù)測(cè)

小型水庫(kù)控制流域面積小、河道坡降大、洪水入庫(kù)時(shí)間短,不宜采用復(fù)雜洪量預(yù)報(bào)方法,宜在產(chǎn)流、匯流理論基礎(chǔ)上,采用降雨—徑流關(guān)系預(yù)估入庫(kù)徑流量,在初始庫(kù)容基礎(chǔ)上加上入庫(kù)徑流量,預(yù)測(cè)暴雨條件下水庫(kù)可能發(fā)生的最高水位。

(1)計(jì)算入庫(kù)徑流量。由于不同土地利用類型的徑流系數(shù)不同,產(chǎn)生的徑流量也不同,因此設(shè)置不同土地利用類型面積比例,計(jì)算不同降雨條件下流域內(nèi)的徑流量,計(jì)算公式為

式中:w為徑流量,m3;P為降雨量,mm;A為控制流域面積,m2;αi為第i類土地利用類型的徑流系數(shù);βi為第i類土地利用類型所占面積比例。

(2)擬合庫(kù)容曲線函數(shù)。為便于快速自動(dòng)推求相應(yīng)蓄水量下的壩前水位,根據(jù)庫(kù)容散點(diǎn)圖擬合庫(kù)容曲線,即

式中:h為壩前水位,m;v為蓄水量,m3。

(3)推求壩前水位。根據(jù)入庫(kù)徑流量計(jì)算暴雨時(shí)的壩前水位,計(jì)算公式為

式中:v0為初始蓄水量。

1.4 三級(jí)預(yù)警及防洪措施

利用國(guó)家或地區(qū)氣象臺(tái)預(yù)報(bào)、水庫(kù)周邊氣象站或雨量站雨量監(jiān)測(cè)、壩前自動(dòng)水位計(jì)監(jiān)測(cè)等3種方式,預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)暴雨條件下的壩前水位。當(dāng)水位達(dá)到預(yù)警閾值時(shí),通過(guò)預(yù)設(shè)信息渠道(如手機(jī)APP、短信、微信、QQ)自動(dòng)向水庫(kù)責(zé)任單位及相關(guān)人員發(fā)送預(yù)警信息,同時(shí)提示準(zhǔn)備相應(yīng)的便攜式防洪設(shè)備,及時(shí)疏散下游人員,具體見(jiàn)表1。

表1 三級(jí)預(yù)警及防洪應(yīng)對(duì)方案

2 實(shí)例應(yīng)用

花果山水庫(kù)始建于1960年,位于涇河支流蒲河左岸一級(jí)支溝南小河溝小流域內(nèi),距慶陽(yáng)市13 km,控制流域面積25 km2,主要由土壩、排水臥管和溢洪道組成。初建壩高20 m,后經(jīng)過(guò)多次加高,目前最大壩高45.9 m,壩頂寬5 m,汛限水位1 189.00 m,溢洪道底板高程1 192.80 m,壩頂高程1 197.30 m,總庫(kù)容524萬(wàn)m3,是一座集防洪、攔泥、保護(hù)科研試驗(yàn)基地和水土保持觀測(cè)站以及向觀測(cè)站供水等功能于一體的?。?)型水庫(kù)。

2.1 相關(guān)數(shù)據(jù)及參數(shù)

根據(jù)需要,收集到花果山水庫(kù)周邊楊家溝雨量站和西峰氣象站的降雨數(shù)據(jù)。楊家溝雨量站位于花果山水庫(kù)所在的南小河溝流域內(nèi),為該流域內(nèi)唯一的雨量站,其數(shù)據(jù)有1964—2017年年最大24 h降雨量與1990—2017年年降雨量。由于缺乏汛期降水資料,因此在對(duì)不同降水情景下的工況進(jìn)行計(jì)算時(shí),汛期多年平均降水量采用距花果山水庫(kù)較近的西峰氣象站汛期數(shù)據(jù)(1961—2009年)。花果山水庫(kù)管理單位提供的水庫(kù)徑流場(chǎng)內(nèi)相關(guān)徑流參數(shù)見(jiàn)表2。2018年3月29日現(xiàn)狀壩前水位為1 187.35 m。

表2 徑流場(chǎng)年渾水徑流系數(shù)

2.2 三種暴雨指標(biāo)

(1)正常設(shè)計(jì)暴雨。根據(jù)楊家溝雨量站54 a最大24 h降雨量數(shù)據(jù),繪制顯著性水平α=0.05的降水頻率曲線(見(jiàn)圖1),查詢不同重情況下最大24 h降雨量(工況1),作為花果山水庫(kù)正常設(shè)計(jì)暴雨,見(jiàn)圖2。

圖1 顯著性水平α=0.05的降水頻率曲線

(2)大尺度預(yù)報(bào)的極端暴雨。根據(jù)國(guó)家氣象部門大尺度預(yù)報(bào),2018年汛期黃河流域降雨可能比往年偏多2~5成[9]?;谒畮?kù)防洪最不利條件考慮,以短時(shí)強(qiáng)降雨(工況2)和汛期長(zhǎng)時(shí)降雨(工況3)兩種工況為基礎(chǔ),選取楊家溝雨量站歷年最大24 h降雨量中最大值作為工況2基準(zhǔn)降雨量,西峰氣象站汛期多年平均降雨量為工況3基準(zhǔn)降雨量,分析這兩種工況條件下的極端暴雨,見(jiàn)表3。

圖2 不同重現(xiàn)期最大24 h降雨量(工況1)

表3 兩種工況條件下的極端降雨量

(3)基于灰色理論的小尺度預(yù)報(bào)暴雨?;疑到y(tǒng)理論是一種研究“少數(shù)據(jù)”“貧信息”等不確定性問(wèn)題的現(xiàn)代方法,廣泛應(yīng)用于水文預(yù)報(bào)。本文采用的灰色聚類-周期外延預(yù)測(cè)模型既能反映時(shí)間序列的變化趨勢(shì),也能對(duì)其周期性有較好的適用性[10]。

基于楊家溝雨量站28 a(1990—2017年)年降雨量預(yù)測(cè)2018年花果山水庫(kù)汛期降雨量,采用灰色聚類-周期外延模型進(jìn)行預(yù)測(cè)的結(jié)果見(jiàn)圖3。結(jié)果表明:經(jīng)過(guò)模型率定和驗(yàn)證后,實(shí)測(cè)序列和預(yù)測(cè)序列相關(guān)性為0.7,納什系數(shù)為0.49,證明該方法適用于花果山水庫(kù)區(qū)域,根據(jù)以上模型預(yù)測(cè)2018年降水量為520 mm。經(jīng)查花果山水庫(kù)設(shè)計(jì)資料[11],汛期降雨量占全年降水量為56.2%,由此推求2018年汛期花果山水庫(kù)預(yù)測(cè)降雨量為292.24 mm(工況4)。

圖3 基于灰色聚類-周期外延模型預(yù)測(cè)的2018年年降水量(工況4)

2.3 水位預(yù)測(cè)及分析

根據(jù)花果山水庫(kù)庫(kù)容散點(diǎn)圖,擬合庫(kù)容曲線函數(shù)如下:

在不考慮調(diào)度調(diào)洪情況下,根據(jù)相關(guān)徑流參數(shù)及式(1)至式(3),預(yù)測(cè)現(xiàn)狀水位1 187.35 m條件下3種暴雨4種工況下的壩前水位,工況1結(jié)果見(jiàn)圖4,工況2和3結(jié)果見(jiàn)圖5,工況4預(yù)測(cè)壩前水位為1 199.80 m。

圖4 正常設(shè)計(jì)暴雨條件下不同暴雨強(qiáng)度的預(yù)測(cè)壩前水位

圖5 極端暴雨條件下預(yù)測(cè)的壩前水位

分析預(yù)測(cè)結(jié)果,可以得到以下結(jié)論。

(1)圖4表示正常設(shè)計(jì)暴雨條件下,工況1條件下暴雨重現(xiàn)期若超過(guò)5 a一遇,則壩前水位將超過(guò)汛限水位;若超過(guò)30 a一遇,則壩前水位將超過(guò)溢洪道底板高程而溢流;若發(fā)生300 a一遇降雨,則壩前水位不超壩頂高程,無(wú)漫壩風(fēng)險(xiǎn)。

(2)圖5表示大尺度預(yù)報(bào)的極端暴雨條件下,不管是工況2還是工況3,壩前水位都將超汛限水位和溢洪道底板高程而發(fā)生溢流;工況2在降雨量多50%條件下,不會(huì)超壩頂高程,無(wú)漫壩風(fēng)險(xiǎn);工況3在基準(zhǔn)降雨條件下就有漫壩風(fēng)險(xiǎn)。

(3)工況4是小尺度預(yù)報(bào)的降雨量,其預(yù)測(cè)壩前水位為1 199.80 m,將超壩頂高程(1 197.30 m),有漫壩風(fēng)險(xiǎn)。

(4)4種工況分析結(jié)果表明,壩前水位都有超汛限水位的可能,可在進(jìn)入汛期之前搭建多組虹吸管道用于緊急排水,同時(shí)準(zhǔn)備水泥復(fù)合材料毯用于搭建壩面臨時(shí)泄洪槽。

2.4 三級(jí)水位預(yù)警示例

依據(jù)表1,建立花果山水庫(kù)三級(jí)預(yù)警方案,見(jiàn)圖6。當(dāng)壩前水位達(dá)到或超過(guò)汛限水位1 189.00 m時(shí),為藍(lán)色預(yù)警;當(dāng)壩前水位達(dá)到或超過(guò)溢洪道底板高程1 192.80 m時(shí),為黃色預(yù)警;當(dāng)壩前水位達(dá)到或超過(guò)壩頂高程1 197.30 m時(shí),為紅色預(yù)警,同時(shí)采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)方案。

圖6 花果山水庫(kù)三級(jí)水位預(yù)警及防洪應(yīng)對(duì)方案

2.4.1 國(guó)家或地區(qū)氣象預(yù)警預(yù)報(bào)

氣象部門將24 h降雨量分為七個(gè)等級(jí):微量(<0.1 mm)、小雨(0.1~9.9 mm)、中雨(10.0~24.9 mm)、大雨(25.0~49.9 mm)、暴雨(50.0~99.9 mm)、大暴雨(100.0~249.9 mm)、特大暴雨(>250.0 mm)。

花果山水庫(kù)歷史最大24 h降雨P(guān)-Ⅲ型頻率曲線計(jì)算結(jié)果為:5 a一遇75.32 mm,10 a一遇90.94 mm,30 a一遇114.46 mm,100 a一遇 138.66 mm,300 a一遇160.5 mm。

當(dāng)中央氣象臺(tái)或慶陽(yáng)地區(qū)的天氣預(yù)報(bào)為暴雨、大暴雨、特大暴雨時(shí),花果山水庫(kù)根據(jù)水位預(yù)測(cè)結(jié)果發(fā)出不同等級(jí)的水位預(yù)警。

2.4.2 水庫(kù)周邊氣象站或雨量站雨量監(jiān)測(cè)預(yù)警

根據(jù)監(jiān)測(cè)的降雨量推求洪量和壩前水位,如當(dāng)楊家溝雨量站觀測(cè)到30 min降雨量達(dá)到15 mm或24 h降雨量達(dá)到75 mm時(shí),花果山水庫(kù)發(fā)出相應(yīng)的水位預(yù)警。

2.4.3 自動(dòng)水位計(jì)監(jiān)測(cè)預(yù)警

花果山水庫(kù)庫(kù)區(qū)安裝有自動(dòng)水位計(jì),利用現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)水位計(jì)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù),當(dāng)壩前水位達(dá)到汛限水位1 189.00 m時(shí),發(fā)布藍(lán)色預(yù)警;當(dāng)壩前水位達(dá)到溢洪水位1 192.80 m時(shí),發(fā)布黃色預(yù)警;當(dāng)壩前水位達(dá)到或超過(guò)壩頂高程1 197.30 m時(shí),發(fā)布紅色預(yù)警。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)基于降雨—徑流模型,以壩前水位為預(yù)警指標(biāo),構(gòu)建了集氣象預(yù)報(bào)-水位預(yù)警-防汛搶險(xiǎn)等三位一體的小型水庫(kù)安全度汛預(yù)警模式,可為小型水庫(kù)度汛方案的編制提供科學(xué)依據(jù)。

(2)提出了以汛限水位、溢洪道底板高程、壩頂高程為預(yù)警閾值的三級(jí)水位預(yù)警及防洪搶險(xiǎn)方案,可通過(guò)3種方式開(kāi)展預(yù)警(天氣預(yù)報(bào)、雨量監(jiān)測(cè)、自動(dòng)水位計(jì)監(jiān)測(cè))。

(3)依據(jù)花果山水庫(kù)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果分析,汛期降雨將超汛限水位,建議汛期提前安裝幾組虹吸排水管道及時(shí)排水;同時(shí)存在漫頂風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)提前準(zhǔn)備水泥復(fù)合材料毯,以備快速鋪設(shè)壩面臨時(shí)泄洪槽。

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