水电站施工期简易洪水预报方案及应用研究-技术创新

水电站施工期简易洪水预报方案及应用研究

日期：2016-8-5 14:31:23　来源：互联网　浏览数：
　

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1· 流域概况
李仙江流域属红河水系，上游称川河、把边江，与阿墨江汇合后始称李仙江。阿墨江为李仙江左岸一级支流，地处云贵高原西南边缘，横断山脉南段，滇西南纵谷区南部，属哀牢山中段山地。流域总的地势为西北高、东南低，由西北蜿蜒向东南倾斜扩散，海拔高程逐渐降低，山川间距加大，支流加入增多。阿墨江发源于云南省景东县的麦地，自西北向东南流经花山后，进入镇沅县境，在景东、镇沅境内称之为者干河，经者东后，进入墨江县境，始称阿墨江，之后继续向东南流动，经忠爱桥，在与他郎河、泗南江汇合后，转向南流，最终汇入李仙江。阿墨江流域全长256 km，集水面积7 029 km2 ，落差2 020 m，平均河道比降3‰。最大支流泗南江汇口以上流域形状狭长，水系呈羽状分布。流域水系见图1。

    三江口水电站位于云南省墨江县阿墨江与泗南江交汇口上游约900 m 的阿墨江上，为阿墨江梯级开发的第三级水电站，也是阿墨江梯级电站的最后一级。电站以上的阿墨江流域面积为5 036 km2 ，电站以发电为主，装机容量99 MW( 3 × 33 MW) ，水库总库容0． 845 2 亿m3 ，最大坝高77 m，为Ⅲ等中型工程。电站永久性水工建筑物为3 级，次要建筑物为4 级，监时性水工建筑物为5 级，大多在2007 ～ 2010 年期间施工建设完成，建设期间上游无电站。
    电站导流洞断面型式为方圆型，断面尺寸为9 m × 13 m( 宽× 高) ，进口底板高程562． 00 m，隧洞洞长543． 14 m，隧洞底坡i= 0． 956%，出口底板高程557． 00 m。
    2· 流域暴雨洪水特征
    阿墨江流域属南亚热带高原季风气候，受季风、地形、纬度的影响，形成了复杂多变的气候特征。流域内降水量在时空上分配不均。夏季5 ～ 10 月受来自北部湾的东南季风和来自印度洋的西南季风控制，湿润多雨，全年约85% 的降水量都集中在该季，其中尤以6 ～ 8 月降水量最多，约占全年降水量的55%;冬季11 月～次年4 月受来自西部大陆干暖气流影响，干燥晴朗，降水量少，日照强烈，蒸发旺盛。因地理位置、地形地貌、局部小气候等因素影响，流域内年降水量形成南部多北部少，高山多河谷盆地少，迎风坡多背风坡少等特点。流域内绿春极多雨区，年平均降水量在2 000 ～ 2 700 mm 之间; 有哀牢山多雨区，年平均降水量在1 700 ～ 2 000 mm 之间; 有阿墨江河谷少雨区，年平均降水量在1 200 ～ 1 400 mm 之间; 流域内年平均降水在900 ～ 2 700 mm 之间，且由北向南降水量逐渐增加。
    2． 1 暴雨特征
    流域暴雨的次数和强度与年降水相一致，主要发生在6 ～10 月，总的趋势是由北向南递增。流域内最大一日降水均值在60 ～ 120 mm 之间，每年平均发生雨量不小于50 mm/d 的暴雨在1． 9 ～ 7． 2 次之间; 阿墨江上游忠爱桥水文站，最大一日降水均值为71． 7 mm，每年平均发生暴雨2． 2 次， 1984 年7 月13 日降水达132． 2 mm。
    2． 2 洪水特征
    阿墨江洪水主要来源于暴雨。上游忠爱桥水文站洪水以单峰型居多，洪水起涨迅速，一次洪水历时约5 ～ 6 d，比较典型的为1966 年洪水过程( 见图2) ; 下游有绿春为暴雨中心，暴雨频次多、强度大。由于他郎河支流的加入，使位于坝址洪水峰量增大，复峰有所增加。

    3 ·简易预报方案研究
    按照电站施工防洪要求，水情预报的主要要素为水位、流量及洪峰出现时间等［1 － 2］。根据阿墨江流域自然地理情况，三江口电站施工期预报方案主要考虑了以下几方面的因素。
    ( 1) 流域面积大、地形复杂且降雨时空分布不均匀，因此，应选择分布式水文模型，根据不同类型地形、地貌和下垫面条件选择不同的模型参数，且模型中应考虑降雨面的不均匀性和河网汇流的多汇入点。因此，为了提高洪水预报精度，将产汇流面计算划分为3 个区: 第一区为忠爱桥以上; 第二区为他朗河汇口以上区间; 第三区为忠爱桥至三江口区间( 见图1) 。
    ( 2) 合理配置水文预报方案，对暴雨中心在流域上、中游的工程，可采用河系水位( 流量) 预报与区间降雨径流预报结合的方案; 对于长条形流域宜采用河系水位( 流量) 预报为主的的方案。
    ( 3) 水文预报的预见期应根据工程运行的要求和测站的测报条件，以及流域产汇流特性综合分析确定。对阿墨江流域三江口水电站而言，预见期要求保证人员安全撤离的时间不少于2 h，保证施工主要设备安全撤离的时间不少于4 h。
    ( 4) 水情预报模型应符合流域的水文规律、站网条件，并便于操作。
    基于以上原则，并结合电站施工期洪水预报专业技术人员不足的情况，提出如下简易和实用的洪水预报方案。
    3． 1 前期洪水预测
    所谓前期洪水预测，即洪水还未发生时，根据前期气象预报所做出的洪水预报，对洪量和最高洪水位等关键数据进行较为准确的估计，为早期的防洪决策提供参考依据。
    普洱阿墨江流域属北回归线以南的热带湿润区，按照蓄满产流模式计算，因此选用将新安江模型简化计算，只需根据历史数据推求一个该地区土壤最大缺水量WM及土壤含水量的日消退系数或折算系数K［3 －4］。具体步骤如下。
    ( 1) 计算前期影响雨量Pa 。采用系统当日时间前30d 的雨量资料，推算逐日前期雨量，即
    Pa ( t + 1) = K( Pa( t) + Pt) ( 1)
    式中，Pa( t) 为第t 日的前期影响雨量，mm; Pa( t + 1) 为第t + 1日的前期影响雨量，mm; Pt 为第t 日降雨量，mm; K 为土壤含水量的日消退系数或折算系数。
    ( 2) 推求未来时段净雨过程。
    Ｒ = P + Pa － WM ( 2)
    式中，Ｒ为径流量，mm; P 为未来时段降雨量，mm; Pa 为前期影响雨量，mm; WM 为流域最大蓄水容量，mm。
    ( 3) WM 率定及K 值的确定。WM 反映流域平均的可能最大缺水量，可从忠爱桥站历史资料中选择一次前期十分干燥( 土壤含水量很小，忽略不计) 的一场降雨引起大洪水的资料，直接用水量平衡方程计算WM。从近年来看， 2006 年阿墨江流域经历了近50 a 最为严重的干旱，可认为土壤缺水量达到最大; 随即遭遇“7·19”全流域暴雨，平均降雨量达到300 mm 以上，可认为土壤蓄水量达到饱和，即
    WM = P + Pa －Ｒ ( 3)
    选取忠爱桥站3 场大洪水反推，确定WM 值实际在60 ～ 90mm 之间，在实际应用过程中，取中间值75 mm。
    K 值为土壤含水量日消退折算系数，大量研究表明，南方地区取0． 85 比较切合实际。
    ( 4) 确定导流洞过洪能力。根据三江口水电站实际情况，导流隧洞按明渠均匀流设计，由明渠均匀流的流量公式计算过流量，以计算自由出流时的出库流量：

    ( 5) 计算拦蓄洪水总量。
    W洪= Ｒ × F /10 － W出( 5)
    式中: W洪为拦洪总量，万m3 ; Ｒ为径流量，mm; F 为所计算水库的流域面积，km2 ; W出为做预报时至最高洪水位期间电站的出库水量，万m3。
    根据过去已发生的洪水过程，可确定汇流时间和退水时间，从而计算出一次洪水过程中的W出。
    ( 6) 推求最高洪水位。根据电站围堰库容曲线反推，即做预报时的蓄水量加上拦洪总量，便可以查得出最高洪水位。
    3． 2 实时洪水预报
    ( 1) 三江口电站施工期内上游无电站投产，施工期水情预报方案以忠爱桥水文站实测流量为基础，采用河道流量演算并经忠爱桥水文站－三江口坝址区间降雨径流预报修正的方法预报。预报关系式为
    Q三江口t+τ = f( Q忠爱桥t) + f( P区，E区，…) ( 6)式中，Q忠爱桥t为忠爱桥水文站t 时刻流量，Q三江口t+τ为三江口t + τ流量预报值; P区为区间降水，E区为区间蒸发量，τ 为洪水传播时间。
    忠爱桥水文站－三江口坝址之间河道距离约43． 9 km，据忠爱桥水文站实测流量初步分析，其传播时间约2． 5 ～ 3． 5 h，因此以忠爱桥水文站实测流量为基础可为三江口电站坝址提供
    2． 5 ～ 3． 5 h 预见期的施工期洪水流量预报成果。
    为满足上述预报方案，可用忠爱桥水文站率定降水径流预报参数及检验降雨径流预报精度。并且将忠爱桥站作为三江口电站施工期水情预报的入流控制站，为下游开展河系预报提供入流控制。
    ( 2) 考虑到忠爱桥水文站－三江口坝址之间最大支流他郎河( 该支流流域面积占区间面积的54． 2%) 降水量较大。根据他郎河洪水具有汇流速度快，预见期短等特点，要快速、准确实时预报洪水，可简化洪水过程，对洪水要素( 洪峰流量、峰现时间、洪水总历时) 重点预报，在此选用简化单位线法，从而达到适用性强、计算速度快、预报精度高的目的。
    根据单位线假定当净雨历时与自由出流历时相等时，洪水历时等于流域汇流时的2 倍，即T = 2τ; 又有小流域汇流历时计算公式
    τ = 0． 278L /V ( 7)
    式中，τ 为流域汇流历时，h; L 为河道总长，km; V 为平均流速，m/s，可由河道比降确定。
    依据单位线的假定和上式可得
    T = 0． 556L /V ( 8)
    另据单位线定义Ｒ = 10 mm，W = ＲF，其中W为来水总量，m3 ; F 为流域面积，km2。则单位线洪峰流量为:
    qm = 5． 56W/3600T = ＲFV/L ( 9)
    令单位线洪峰滞时等于涨洪历时，即Tt = Tz = 1 /3T，这样单位线的3 要素即确定。由此得出简化的单位线，根据每小时实测雨量，求出其相应单位线，再将其叠加即可。
    ( 3) 根据上述分析可知，三江口电站施工期入库流量综合预报公式
    Q三江口t+τ = f( Q忠爱桥t) + f( P区，E区，…) + Q他( 10)坝址预报流量可通过三江口电站下游老王寨水文站实测流量进行实时修正。
    4· 施工期典型洪水预报实例
    三江口电站于2007 年开工建设，自2008 年开展施工期水文预报以来，截至2010 年，坝址发生洪峰流量超过1 500 m3 /s的洪水共6 次，按以上预报方案进行预报的精度均达到规范要求( 见表1) ，满足工程建设的要求，确保了施工和工程安全。特别是“20090805”洪水，三江口电站导流洞对岸防护堤全部被冲毁，多处山体出现拉裂、沉降及滑坡，形成较大滑坡体，引发次生地质灾害，严重威胁205 户882 人生命安全和104 幢房屋财产安全，急需转移人员及施工设备。普洱市水文局严格按照该预报方案，做出了快速、准确的预报，为安全转移当地人员、电站施工人员及施工设备赢得了保贵5 h 时间，没有发生一例人员伤亡情况。

5· 结语
通过以上分析可知，水电站施工期的洪水预报与一般的江河洪水预报有所区别，这是因为水电站施工常常对预报有较高的精度要求，将洪水预报分为前期洪水预报和实时洪水预报2个阶段，是非常有必要的。该预报方案简单实用，操作性强，能为三江口电站提供4 ～ 7 h 预见期的施工期洪水预报成果，满足施工期工程建设要求，确保施工和工程安全，同时可供电站运行期水库安全运行和水库优化调度作为参考。