百色市鸡甫水库入库洪水预报方案研究与应用

涂 旭，黄旭升，李荣辉*，刘 伟，黄雪绒姿

(1 广西壮族自治区水利科学研究院，南宁 530023； 2 广西水工程材料与结构重点实验室，南宁 530023)

洪水预报是水库汛情分析、防洪调度、防汛抢险的基础，其准确性和可靠性直接影响水库及上下游流域防洪减灾工作[1]。2019年3月水利部召开全国水库安全度汛视频会议，明确提出关于水库水情预测预报,逐库完成入库洪水预报方案编制方面的具体要求。中国中小型水库数量庞大，防洪安全任务繁重，开展中小型水库的洪水预报方案编制是地区防洪安全的关键[2]。文章以百色市小型水库鸡甫水库为研究对象，基于产汇流分析计算，建立降雨量、径流量、洪峰流量与库水位相互间关系，实现入库洪水预报，为该水库防洪减灾工作提供理论基础。

1 水库概况

鸡甫水库位于德保县东凌镇定坡村鸡甫屯旁的那王河上，那王河发源于波平山附近，流经谷门、那乐、鸡甫等村屯，于东凌盆地注入石灰岩地下溶洞，潜流后汇入福禄河，坝址以上集雨面积38.5km2,河长13.5km，平均坡降3.0%，流域平均高程在1000m以上，属高山区雨源性小河。由于本流域洪峰流量来势迅速，历时短，而下游地下溶洞洞口狭窄，过水能力小，致使东凌盆地洪水期受淹成灾。鸡甫水库流域图，见图1。

图1 鸡甫水库流域图

鸡甫水库坝址距离县城74km，距离东凌镇政府4km。是一座以灌溉为主，供水为辅的小(1)型水库[3]。枢纽工程主要由连拱坝、溢流坝、放水设施及管理房等组成。水库正常蓄水位523.00m，死水位508.00m，总库容152.8万m3,调洪库容64.92万m3，兴利库容87.88万m3，死库容4.10万m3。水库大坝防洪标准以30a一遇洪水设计， 200a一遇洪水校核。设计洪水位527.10m，洪水流量506m3/s，相应最大下泄流量为430m3/s；校核洪水位527.85m，洪水流量668m3/s，相应最大下泄流量579m3/s。

2 设计暴雨计算

2.1 设计暴雨参数计算方法

对于有实测雨量资料的区域，其设计暴雨采用站点历年雨量资料进行计算；对于缺乏实测雨量资料的区域，其设计暴雨采用查算图表法分析得到。设计暴雨参数计算涉及到不同时段、不同频率暴雨均值及变差系数Cv、偏态系数Cs与变差系数Cv比值(Cs/Cv)、点面折减系数α、暴雨递减指数np的确定。

2.2 设计暴雨量计算

鸡甫水库流域24h最大降雨量按东凌站历年雨量资料计算得出； 1h、6h最大降雨量通过查《广西暴雨统计参数等值线图研究》[4]的附图，得到1h、6h共2种标准历时的暴雨均值和Cv值，按Cs =3.5Cv，查《广西壮族自治区暴雨径流查算图表》[5](以下简称《查算图表》)的“皮尔逊III型曲线的模比系数Kp值表”，可得不同设计暴雨频率相应的Kp值，乘以暴雨均值可得不同设计暴雨频率的设计点雨量。根据防洪标准，暴雨频率选择了30a一遇、100a一遇和200a一遇。

在频率暴雨过程计算中，当流域面积<100km2时用点雨量代替面雨量，当流域面积>100km2时则要计算面雨量。鸡甫水库流域面积为38.5km2，<100km2，则由点雨量代替面雨量。

在此基础上，根据计算得出的不同频率的暴雨递减指数，计算公式为：

式中：H24p、H6p、H1p分别为24h、6h、1h设计暴雨，mm。

然后采用以下公式，推求不同历时的设计暴雨。

式中：Htp为th设计暴雨，mm；H24p、H6p、H1p分别为24h、6h、1h设计暴雨，mm。

2.3 设计暴雨时程分配计算

暴雨时程分配采用《查算图表》的“广西分区综合24h雨型表(时段为1h)”进行分析，鸡甫水库流域雨型分区属于5区，计算得到24h暴雨时程分配。

3 净雨计算

通常情况下，净雨分析应当考虑初损和下渗两部分。其中，初损主要考虑植被截留和洼蓄两部分，后损主要考虑下渗。

3.1 设计总径流深 R总的查读

查找《查算图表》图31“广西壮族自治区产流分区图”，可以得到设计洪水计算条件下初损的取值情况。鸡甫水库流域所处产流分区为第4区，从降雨径流相关特征参数综合表查得流域平均最大蓄水量Wm=120mm，从偏于安全考虑计算初始需水量Wo=0.7Wm=0.7×120=84mm，再查《查算图表》附图4“第4区降雨径流关系图(P+Wo-Wo-R)”，上部可按45°外延，设计情况下的稀遇洪水可用R总=P+Wo-Wm。但常遇的小洪水在关系线下部者应该在图中查读。

3.2 净雨过程计算

4 设计洪水计算

4.1 瞬时单位线法

根据《查算图表》查汇流分区图，鸡甫水库属三区，m1稳=0.96F0.324J-0.238，n=1.38F0.080J0.150，式中F是集雨面积，J是河道平均坡降，查S(t)曲线表进行汇流计算。推求出鸡甫水库30a一遇设计洪峰流量为506m3/s，100a一遇设计洪峰流量为605m3/s，200a一遇设计洪峰流量为668m3/s。

4.2 推理公式法

4.3 设计洪水成果比较

以上两种计算方法推求的设计洪水成果，鸡甫水库设计洪水成果表，见表1。

表1 鸡甫水库设计洪水成果表

由以上成果表看出，同频率洪峰流量值的两种推算方法成果较接近，计算成果合理，故采用瞬时单位线法的成果作为入库洪水预报依据。

4.4 合理性分析

选取百色市范围内24h降雨均值及下垫面情况与设计流域基本相似的水库设计洪水分析成果，点绘P=1%洪峰流量与集雨面积的双对数图，见图2。本次计算的鸡甫水库点据落在点群中心线略上方，故设计洪峰流量成果是合理的。

图2 P=1%洪峰流量与流域面积关系图

5 入库洪水预报

小型水库一般流域面积较小,河道短、坡降大,汇流时间短,洪水来势猛。水库上游雨量站点较少,无入库水文站,往往只在坝前设一水文站,测降雨和水位。若降雨均匀(一般发生较大洪水时降雨较均匀),这一站的代表性尚可,若降雨分布不均匀,代表性较差,入库流量仅能用坝前实测水位、出库量和损失量反推求出[6]。

在蓄满产流地区,用暴雨径流相关图预报洪量，在超渗产流地区,可用扣损稳渗量法预报径流量。小型水库由于流域面积小、降雨特性变化不大,所以入库洪水的峰量关系一般比较稳定,可以根据各次洪水的入库洪峰流量与相应的径流深建立相关关系,即所谓峰、量相关图。应用时,根据已知的径流深即可查出预报的洪峰流量值。一般小型水库的实测水文资料年限不长,绘制的峰、量关系往往不能满足大洪水时防汛调度的需要。可考虑根据实测资料分析,结合本水库设计洪水的峰、量关系趋势进行高水延长。运用数年积累资料,可根据降雨性质(降雨历时、平均雨强等),绘制2-3条不同的峰、量关系线以提高预报精度。小型水库一般没有入库站进行流量测验,只能用近似的办法推求入库洪水,一般可将来水过程概化为三角形。预报出入库洪水总量、洪峰及概化为三角形的来水过程以后,进行调洪计算,即可预报出洪水过程中水库最高库水位及最大泄流量。

为迅速作出入库洪水预报,建立降雨量、径流量、洪峰流量与库水位相互间关系,可根据降雨量预报出洪水过程中水库最高库水位及最大泄流量[7]。

5.1 预测总径流深

鸡甫水库流域P+Wo-R相关图，见图3。基于降雨量和前期影响雨量，根据相关图预测鸡甫水库流域产生的总径流深。

图3 鸡甫水库流域P+Wo-R相关图

5.2 推测洪峰流量

根据频率下总径流深和洪峰流量的计算成果作出相关图，鸡甫水库流域R-Qm相关图，见图4。通过预测得到的总径流深推测出24h降雨量产生的洪峰流量。

图4 鸡甫水库流域R-Qm相关图

5.3 推测不泄洪情况下库水位

以库水位Z为纵坐标、总径流深R为横坐标，起调库水位Zo为参数，绘制R-Zo-Z关系曲线，通过预测得到的总径流深推测出不同起调水位不泄洪情况下的库水位，鸡甫水库R-Zo-Z相关图，见图5。

图5 鸡甫水库R-Zo-Z相关图

5.4 推测泄洪情况下最高库水位和最大泄流量

根据库水位与下泄流量关系曲线，见图6。通过推测出的24h降雨量产生的洪峰流量和不同起调水位不泄洪情况下的库水位推测出泄洪情况下最高库水位和最大泄流量。

5.5 入库洪水预报应用

假设鸡甫水库的起调水位Zo=522m，流域24h平均降雨量P=120mm，前期影响雨量Wo=84mm，要求预报该次洪水的最高库水位Zm，以及相应最大泄流量qm。

1)首先假设水库不泄洪，由P+Wo=204mm，在P+Wo-R相关图上查得总径流深R=84mm；在R-Zo-Z相关图上由R=84mm向上交Zo=522m(内插)，再向右交Z1=536.8m。

2)由于鸡甫水库的溢流坝为实用堰，堰顶高程为523m，Z1>523m，故假设不成立。再由R=84mm，在R-Qm相关图上查得该场暴雨形成的洪峰流量Qm=259.47m3/s；在Z-q相关图上标出点1(259.47,523)和点2(0,536.8)，两点连线与泄流量曲线交点的纵坐标和横坐标即为该次洪水的最高库水位Zm=525.67m和相应最大泄流量qm=210m3/s。

图6 鸡甫水库Z-q相关图

6 结 语

入库洪水预报是防汛决策的科学依据，是防洪非工程措施的重要内容之一，直接为防汛抢险、防洪调度服务。为提高水库水情预报能力，文章通过收集鸡甫水库历年降雨和库水位等数据，基于小流域产汇流分析，计算出若干场次洪水，开展实测降雨径流模拟入库洪水预报，用场次洪水过程实测最大库水位验证模拟成果，精度基本满足规范要求，模拟效果较好，可应用于鸡甫水库入库洪水预报。