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1水庫流域概況

松濤水庫位于海南省第一大河流——南渡江上游，是海南省最大的水庫。水庫工程于1958年動工，1969年建成。總庫容33.45億立方米，興利庫容20.83億立方米，屬多年調節(jié)水庫。松濤灌區(qū)地處海南島北部、西北部，總面積5866平方公里，包括海口市、瓊山市、儋州市、澄邁縣、臨高縣、白沙縣等三市三縣的部分或全部灌溉面積，設計灌溉面積205萬畝，現(xiàn)灌123萬畝。

松濤水庫集雨面積1496平方公里，南渡江發(fā)源于白沙縣南峰山，有南叉河、南坑水、南美水、南溪河、南春水、南灣河等六大干支流直接入庫或匯入南渡江后入庫，河源海拔1500米，壩區(qū)附近為海拔500米左右的底山丘陵。整個流域山巒重疊，海拔多在700米左右。流域內地形梯度變化大，河流源短，坡陡流急，洪水陡漲陡落。松濤水庫流域示意圖見圖1。

流域地處熱帶、亞熱帶，多年平均降雨量達1711毫米，豐水年份達2000毫米以上，其中5~10月份降雨量占全年的80%以上，8~9月占30%~40%。臺風雨為主要降雨型式，其范圍廣，強度大，豐水年份一般有5~6次臺風登陸，隨之帶來暴雨洪水，是造成水庫棄水的主要原因。水庫運行至今，平均每5年中約有1次溢洪，均由上述原因造成，故臺風雨是造成水庫安全運行的非工程性主要威脅。

因流域內地形梯度變化大，對氣流的抬升作用明顯，再加上臺風本身在面上降雨不均勻，故一場降雨的時空變化很大。流域的主要河流大致走向為W→E及WS→E。根據多年的觀測，臺風及臺風雨在流域內的移動方向一般為E→W，這在很大程度上減輕了遭遇洪水的發(fā)生，對削弱洪峰起到很大的作用。

流域內植被良好，植被度達80%以上，森林面積在50%左右。白沙、南豐、松濤等丘陵臺地以小灌木叢為主要植被構成。整個流域植被持水能力較強。

流域內土壤類型多為壤土和粘土。

2入庫洪水預報

圖1松濤水庫流域示意圖

2.1庫周洪水特性及對水庫防洪安全的影響

水庫建成后，注入水庫的洪水包括入庫斷面洪水和入庫區(qū)間洪水（或庫周區(qū)洪水）。

入庫斷面洪水是指水庫回水末端附近干支流水文測站以上來的洪水,如松濤水庫的福才站以上。這部分洪水不受建庫的影響，且都可通過測站觀測到入庫洪水過程。

入庫區(qū)間洪水是指入庫斷面以下至壩址間流域面積來的洪水。它包括陸面洪水和庫面洪水兩部分。其中陸面洪水為入庫測站以下至水庫周邊的區(qū)間面積所產生的洪水；庫面洪水為庫面上降雨直接轉化為徑流所產生的洪水。通常庫面所占面積較小，與陸面洪水合并計算，松濤水庫正常水位190米時庫面面積約為入庫區(qū)間面積的10%。

由于庫周區(qū)承雨面積緊靠水庫，庫周區(qū)洪水從降雨到產流，經坡面匯流即可直接注入水庫。特別是松濤水庫汛期主要遭受臺風雨的影響，其雨量集中、雨強大、歷時短，所以庫周區(qū)洪水匯流時間很短，也沒有較大的槽蓄作用，觀測不到其入庫過程。一旦暴雨降到庫周區(qū)附近，庫周區(qū)的洪水會從四面八方涌入水庫，使庫水位陡然猛漲，常常會出現(xiàn)雨情未到預報中心，洪水已經入庫，直接威脅水庫的防洪安全，是水庫洪水預報和防洪調度中的一大問題。

庫周區(qū)洪水大小及其對防洪安全的影響，與庫周區(qū)承雨面積大小及其暴雨特性有關。一般說，庫周區(qū)面積比重大，相應的洪水所占比重也大。如果該區(qū)又是暴雨中心的活動地帶，那么形成的洪水對水庫防洪調度的影響就大，反之則小。國內已建水庫（如柘溪、丹江口水庫等）庫周區(qū)面積一般占流域總面積的10%～30%,而松濤水庫的庫周區(qū)要大許多,約占60%。在入庫洪水量方面，所占比重也大致如此。每一場洪水其暴雨的時空分布和洪水特性不同，對水庫防洪安全影響亦不同，而庫周區(qū)入庫洪水情況更加復雜，其影響更大，一旦與上游干支流洪水遭遇，或在水庫蓄水位較高時，遇庫周區(qū)的特大暴雨，特別對以灌溉為主的松濤水庫，運行中并不特設防洪庫容，在9～10月臺風雨集中的季節(jié)，若發(fā)生以上情況，將對松濤水庫的防洪安全造成極大的威脅。對此，引起有關部門各級領導的高度重視。

2.2提高庫周區(qū)洪水預報精度的途徑

針對松濤水庫的特點和防洪調度的要求，必須提高洪水預報的精度和速度，為此應從以下兩方面進行研究:一是調整改善該區(qū)域測報系統(tǒng)的傳訊方式;二是制定合理而可靠的預報方法，使雨情迅速而精確地轉為水情信息。

目前，在擬定庫周區(qū)洪水預報方案中，常用兩種方式：一是借用臨近支流的降雨徑流預報方案；二是采用本區(qū)域內小支流的降雨徑流預報方案，經放大后作為庫周區(qū)的預報方案。這樣確定的預報方案，一般都未經庫周區(qū)本身降雨徑流資料的驗證計算，精度如何，尚難以評價。

松濤水庫在洪水預報計算方面資料較少，僅在80年代初做過降雨徑流經驗相關圖法，但由于應用較少，其精度得不到驗證和評估。隨著水文科學的不斷進步，水文計算科學的發(fā)展及計算機在這一領域的普及應用，各種不同的水文模型相繼出現(xiàn)。近年，筆者嘗試結合松濤水庫水情自動測報系統(tǒng)，應用水箱模型擬定庫周區(qū)及流域洪水預報方案，經實踐應用證明是適用的，較好地解決了松濤水庫聯(lián)機洪水預報問題。

3水箱模型的基本原理

水箱模型的基本思想是假定流域中的出流及下滲量，是流域相應蓄水深的函數。從這點出發(fā)，將流域的雨洪轉化過程的各個環(huán)節(jié)（產流、坡面匯流、河道匯流等）用若干個彼此相聯(lián)的水箱進行模擬。以水箱中的蓄水深度為控制，計算流域的產流、匯流及下滲過程。較小的流域，可用若干個串聯(lián)的直列式水箱模型模擬出流和下滲過程。考慮降雨和產、匯流的不均勻，需要分區(qū)計算的較大流域，可用若干個并聯(lián)組合的水箱模型結構，模擬整個流域的雨洪轉化過程。圖2示為二層直列式水箱模型，每層水箱的側邊有出流孔，底部有下滲孔。上層水箱的入流為流域面上的降雨，下層水箱的入流為上層水箱的下滲量。各層水箱的出流量可理解為流域各蓄水層形成的不同水源的徑流量。對二層水箱模型來說，上層水箱的出流量相當于地表徑流，下層水箱的出流量相當于地下徑流。

流域上的降水，輸入第一層水箱，形成蓄水深Z1，當Z1大于出流孔高H11時，開始出流，同時它的下滲水量注入第二層水箱，使第二層水箱的蓄水深Z2開始上升，當Z2大于出流孔高H21時，第二層水箱開始出流。若降雨繼續(xù)，則各出流孔繼續(xù)出流，相應時刻各出流量疊加，即得流域的總出流過程。

圖2中的第一層水箱設有二個出流孔，孔高為H11、H12，下滲系數為R10。假如在T時該層的蓄水深為Z(T)，則T時的出流量Q(T)和下滲量F(T)的計算如下:

Q(T)=0當Z(T)<H11

Q(T)=[Z(T)-H11]×R11當H11<Z(T)<H12

Q(T)=[Z(T)-H11]×R11+[E(T)-H12]×R12當Z(T)>H12

F(T)=Z(T)×R10，或當底孔高出底面H10時,F(T)=[Z(T)-H10]×R10

T時段末的剩余蓄水深Z`(T)為:

Z`(T)=Z(T)-Q(T)-F(T)

T+1時段的蓄水深為:

Z(T+1)=Z(T)+P(T)-E(T)

P(T)為T時段降雨,E(T)為T時段蒸發(fā)等損失。一次降雨過程的出流和下滲過程可連續(xù)計算。

第二層以下等水箱的出流和下滲量計算,除了以上一層水箱的下滲量為入流外,其余計算同上。

該結構上層水箱有二個出流孔,一個下滲孔，下層水箱一個出流孔,一個下滲孔?？紤]該地區(qū)處于南北氣候過渡地帶，氣候變化大，對上層水箱的下滲孔高出底面一個H10高度（即死藏水），這樣該結構包含著9個待定系數。這9個系數確定后，便可由降雨預報出流過程。

模型參數雖有一定的物理意義，如上層水箱的H11有初損值的意義，但與初損值又不完全相同，出流系數R12、R11與退水曲線的指數方程的指數有一定的聯(lián)系，但又不能直接確定。因此，這些參數的確定，都需經過分析和反復試算，以計算與實測洪水過程擬合最好為確定模型參數的準則。

4水箱模型在松濤水庫洪水預報中的應用

根據現(xiàn)有資料，采用二層直列式水箱模型。在參數率定時，由于流域中僅有福才站以上流域的降雨徑流觀測記錄，而相應時段松濤水庫的庫水位記錄缺少，無法還原庫周區(qū)（即福才站至大壩區(qū)間流域）洪水過程，因此無法模擬庫周區(qū)洪水的入庫過程，相應的模型參數不能正確率定。由于庫周區(qū)與入庫站（福才站）控制流域的地形、地貌等極相似，并且流域面積較小，故在預報時庫周區(qū)洪水預報模型中的參數直接引用福才站的參數。這對預報精度會有一定的影響，但以后隨資料的積累這一問題將會逐漸得到解決。

4.1模型參數率定框圖

4.2松濤水庫各場次洪水參數率定表

洪號

模型參數

H10

H11

H12

R10

R11

R12

H21

R20

R21

7013

10

25

60

0.1

0.06

0.2

20

0.03

0.06

7106

8.3

24

60

0.1

0.06

0.2

20

0.03

0.06

7210

11

25

61

0.09

0.06

0.3

21

0.03

0.06

7311

11.8

24.8

63

0.09

0.06

0.3

22

0.03

0.06

7406

11.6

24.8

64

0.1

0.06

0.3

23

0.03

0.06

7616

11.8

25

63

0.08

0.07

0.4

25

0.03

0.06

7703

10.4

25

60.3

0.09

0.06

0.4

21.8

0.03

0.06

7817

11.3

26.1

61.2

0.11

0.05

0.3

21.6

0.03

0.06

8005

11.4

24.9

60.2

0.12

0.06

0.28

20.6

0.03

0.06

8103

11.3

28

60.3

0.12

0.06

0.28

20.8

0.03

0.06

8303

11.4

27

59.1

0.12

0.06

0.28

20.9

0.03

0.06

8410

11.3

28

58

0.13

0.06

0.28

18.3

0.03

0.06

8518

9.85

27

58

0.12

0.06

0.28

18.3

0.03

0.06

8616

9.08

22

59

0.13

0.05

0.28

18.3

0.03

0.06

8823

9.9

23

55

0.12

0.06

0.28

20.1

0.03

0.06

選定值

10.7

26

60.1

0.11

0.06

0.29

20.8

0.03

0.06

4.3洪水預報成果表（以9419號臺風為例）水位單位:米

時段

實測庫水位

預報庫水位

時段

實測庫水位

預報庫水位

1

170．97

170.97

22

172.20

172.22

2

171.00

170.99

23

172.40

172.31

3

171.05

171.04

24

172.51

172.49

4

171.08

171.09

25

172.60

172.59

5

171.07

171.13

26

172.71

172.67

6

171.13

171.11

27

172.79

172.78

7

171.16

171.17

28

172.85

172.85

8

171.22

171.20

29

172.91

172.91

9

171.27

171.25

30

172.96

172.96

10

171.33

171.30

31

173.00

173.00

11

171.35

171.36

32

173.07

173.04

12

171.39

171.39

33

173.11

173.10

13

171.44

171.42

34

173.12

173.14

14

171.44

171.45

35

173.16

173.15

15

171.53

171.48

36

173.19

173.17

16

171.62

171.58

37

173.23

173.21

17

171.70

171.68

38

173.24

173.26

18

171.79

171.77

39

173.27

173.26

19

171.92

171.86

40

173.29

173.29

20

171.92

171.98

41

173.29

173.30

21

172.11

172.05

42

173.31

173.31

說明:時段1對應于1994年8月27日11至12時。

5幾個問題的討論和處理

參數選定以后,即可進行實時洪水預報,其預報程序框圖與參數率定程序框圖相似,只是參數值已固定,不用再加判斷，此略。

為了減少試算工作量，參考丹江口、柳塘等水庫所做的模型參數，結合本流域有關資料，初步確定每一個參數可能變化的范圍，然后通過計算優(yōu)選每一場洪水的參數，最后綜合多場洪水參數，確定流域洪水模型計算參數。

通過對多組洪水的分析，發(fā)現(xiàn)福才站以上的洪水與庫周區(qū)洪水洪峰出現(xiàn)的時間大多相差1小時，這是由于模型的入流和出流之間沒有滯時引起的。因此，在預報中考慮了適當的滯時，即庫周區(qū)洪水較控制站（福才站）先1小時入庫。

5.1蒸發(fā)問題

流域蒸發(fā)是流域水量損失的主要項目，但是目前缺乏實際觀測資料。因此，在降雨徑流關系的模型中，對流域蒸發(fā)計算不得不做一些近似處理。對于二層直列式水箱模型的蒸發(fā)問題，主要考慮在上層水箱內進行，以上層水箱的初始蓄水深為控制條件，計算蒸發(fā)損失。當上層水箱的初始蓄水深Z大于最上面的出流孔高（H12）時（即相當于流域蓄水量達到田間持水量），按蒸發(fā)能力E=Em從上層水箱的蓄水量中扣除；當Z在H12和H10之間時，蒸發(fā)值E=Em×Z÷H12；當Z小于H10時，蒸發(fā)值E=0.1×Em;當Z=0時,蒸發(fā)不再單獨扣除,可以認為在下層水箱的下滲量中一起被扣除。

蒸發(fā)能力Em主要隨氣象因素而變，通常借用當地蒸發(fā)皿的觀測值?，F(xiàn)取松濤水庫流域內南豐水文站80Cm蒸發(fā)皿歷年各月平均日蒸發(fā)值作為流域蒸發(fā)能力Em，日內按時段平分，雨天減半。晴雨天的判別以日（或時段）降雨量小于該日（或時段）蒸發(fā)能力為晴天，反之為雨天。

5.2初始蓄水深(Z10、Z20)的確定

初始蓄水深是指降雨開始時各層水箱中的蓄水深（或叫底水）。它的大小對本次降雨所產生的徑流量和過程有密切關系。初始蓄水深高，反映前期土壤濕潤，則降雨的產流快、損失小、徑流量比重大，反之則反。

根據兩層水箱出流的相應水源劃分和對退水曲線的分析，歸納為兩種情況：

第一種情況：當起漲流量較小，可以認為Q0全部是地下徑流（包括基流），由下層水箱的出流所形成，因此Z20可由Q0反求。此時上層水箱沒有出流，Z10應介于H11和0之間，近似地可根據前期的降雨情況，取P0=0，1，2，3中的某一值，表示上層土壤的干濕程度。

Z10=H11×P0÷3

Z20=H21+3.6×TT×Q0÷(F×R21)

第二種情況:當起漲流量較大時,認為Q0不全為地下徑流,其中(Q0-Qd)由上層水箱的出流形成，Qd由下層水箱的出流形成。

Z10=H11+3.6×TT×(Q0-Qd)÷(F×R11)

Z20=H21+3.6×TT×Qd÷(F×R12)

式中Qd近似地取第一標準曲線上段的拐點值。

P0為上層土壤干濕程度的指標。其中P0=0時，表示長期干旱，近10～20天內無形成地面徑流的降雨；P0=1時，表示10～20天前有過較大降雨，10～20天內無較大降雨，或10～20天前較干旱，近10～20天內有間斷中小雨；當P0=2時，表示前期較濕潤，5～10天內有中小雨；當P0=3時，表示前期濕潤，3～5天內有較大降雨。

5.3計算時段（TT）的確定

計算時段TT大小的確定，應考慮流域特征，如面積、坡度、植被、河流形狀等。一般面積大、坡度緩、植被好的TT可取長一些，目的使計算時段TT內的流量過程近似直線。根據經驗TT與流域面積大小可以參考以下關系表：

流域面積與計算時段關系表面積：平方公里TT：小時

面積

10

100

500

2000

5000

8000

20000

TT

1/6

1/2

1

2

3

4

6

考慮松濤水庫觀測資料較少，為保證預報精度，取TT=1小時。

5.4參數的優(yōu)選和綜合

對預報模型參數的確定，需通過對雨洪資料的反復計算，達到計算和實測過程擬合十分接近為止。借助計算機完成每一場洪水的參數優(yōu)選并不困難，難的是各場洪水試算結果的參數差別較大。因此，僅用少量資料的參數優(yōu)選結果來確定流域的模型參數是不可靠的。必須對不同雨洪資料求得的參數加以綜合。

在綜合參數的擬合計算中，洪水的峰、量、過程擬合較好的綜合參數極難找到，原因可能是多方面的，說明松濤水庫各場次洪水的產匯流特性差別大。為此在綜合參數的擬合計算中，重點考慮洪水的量和過程，適當考慮峰值，因為對短期洪水預報來說，量是主要控制對象。由此選定的參數見“松濤水庫各場次洪水參數率定表”。

5.5參數率定中程序調試的方法

在參數率定中，各參數有一定的物理意義，因此在調試中根據不同情況，適當改變參數以達到較好的擬合效果。若計算峰值較大時，適當加大R12或降低H12，也可同時調整兩個參數；若計算結果最后時段出現(xiàn)零值，則適當降低H10。

6結語

松濤水庫水情自動測報系統(tǒng)自1994年6月投入運用以來，全面采集了3場較大洪水的資料。本文介紹的洪水預報模型隨該系統(tǒng)運行進行洪水預報，經分析其庫周區(qū)洪水的各參數與入庫控制站福才站洪水的各參數比較接近，洪水預報的精度較高。應用實踐表明，該模型具有結構簡單靈活、計算簡便的特點，適用性強，能較好地解決松濤水庫聯(lián)機洪水預報問題，提高洪水預報的準確性和時效性。它的應用為即將開發(fā)的防汛指揮系統(tǒng)工程進行實時防洪調度奠定了良好的基礎。