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碧口水库
  2008-05-21 16:05  

    碧口水库位于四川盆地西北边缘甘肃省文县境内的白龙江干流上,受川西北暴雨天气系统和区间流域特定地形条件的影响,主雨区在库区。暴雨分布呈东、南大,西、北小,暴雨中心常在大坝附近。此外,外纳、三仓、麻崖子附近有时也出现一个小暴雨中心。洪水大部分来自区间(指文县、武都至碧口区间),武都、文县以上来水绝大多数是组成入库洪水的基流和退水。洪峰总历时约2-3天,涨洪历时一般为10~13h左右,洪峰流量与流域平均雨量强度呈正比关系,洪峰上部呈三角形陡涨陡落,退水受区间以上来水影响多为缓平。这些特性、规律的揭示,对指导碧口水库洪水调度有重要意义。

     1 概况

     白龙江发源于甘肃、青海交界的西倾山,流经甘肃的迭部、舟曲、武都、文县及四川的青川、广元等县、市境地,于四川广元汇入嘉陵江,流域总面积31812k㎡。碧口水库就坐落在四川盆地西北边缘甘肃省文县境内的白龙江干流上,控制流域面积26000k㎡。受川西北暴雨天气系统和区间流域特定地形条件的影响,库区及下游一带为暴雨中心,洪水汇集迅猛,峰形陡涨陡落;加上水库库容小、调节性能差,大坝又是国内高土石坝之一,交通极不方便,防洪抢险难度大等多种原因,自76年电厂投运以来历年被列为全国重点防汛水库,水库管理者一直为工程防洪安全担心。本文从历史洪水的暴雨特性分析入手,揭示影响洪水的主要因素,提出判断洪水量级的方法,为水库洪水科学调度提供依据。

     2 暴雨特性分析

     2.1 环流形势演变特性
    
据形成碧口入库洪峰大于或接近3000m³/s的暴雨过程的天气形势资料分析,该地区大气环流形势大体可分成两类,每一类各有其独特的环流特征:

    第一类:向北扩展型,即降雨先在川西北发生,而后向北扩展到碧口地区,其850500百帕等压面上的环流特点是:(1)北高(压)南低;(2"歪脖子"高压;(3)我国东部西太平洋副热带高压与西风带高压叠加,形成强偏南气流。如1998820日、199097日、1981713日等暴雨就是;以1998820日降雨过程为例,其最明显的特征是在850百帕等压面上,我国东部是南北向高压带,西部是低压环流;500百帕等压面上,又形成北边高压,南边低压,冷暖气流在该区汇合,成为极有利形成暴雨的条件。第二类:同时发生型,即川西北降雨与碧口降雨同时发生,且连成一片,其850500百帕等压面上的环流特点是:(1)北槽南涡;(2)东高(压)西高(压);(3)西边高压紧跟槽后,东边高压控制我国东部大陆;(4)三股气流汇合(西太平洋副热带高压底部的偏东气流、低涡前部的偏南气流和新疆高压前部的偏北气流)。如197776日、1964721日、198483日等暴雨就是。以198482-3.日降雨过程为例,其相对应的天气环流特征是850百帕和500百帕等压面上,形成"北槽南涡"的环流形势,东、西两边的高压都很强,无论是高压和低压系统都较深厚,移动缓慢,因而降雨持续时间长。

     2.2 地形特征及其影响

     从宏观地形看,碧口乃至陇南、川西北地区,位于青藏高原的东和东南背风坡,根据天气学涡度理论,低压系统越过高原进入背风坡时,由于正涡度减弱、负涡度增强,而不利于低压的发展,也不利于产生降雨;但由于地形影响也常在其附近地区有涡存在,一旦高原有正涡度中心东移叠加,则有利于低压发展产生降雨。

    从微观地形看,南部有海拔3837m高的摩天岭横贯其中,西北部则有海拔3855m的岷山山脉阻隔,流域内整个地势是南部、西南、西北部高于东部、东南、东北部,碧口水库库区则位于流域的东南部,处在大竹山(海拔2769m)、佛头包(海拔2713m)二山峰之间的山谷喇叭口位置上,相对高差可达700多米,沿着干支流河谷向上,地势逐渐增高,这一地形条件,有利于水汽的入侵、抬升、汇合和凝结,有利于较大暴雨的形成,有利于附近干支流洪水的集中汇合。从暴雨中心往往落在碧口大坝上下附近,向上不远的蒿坪、蒿子店观测雨量又逐渐递减这一事实分析,不难看出,降雨受地形的影响十分明显。

     2.3 暴雨特征

     受川西北暴雨天气系统和区间流域特定地形条件的影响,雨区在库区,暴雨的空间分布是,东、南大,西、北小;区间流域内碧口、草坝、蒿坪雨量大,中心常在大坝附近,蒿坪、蒿子店以上渐减;此外,外纳、三仓、麻崖子附近有时也出现一个小暴雨中心。暴雨的时程分配大多是单峰型如1977.7.61978.9.21981.7.131998.8.20等暴雨过程,主雨峰段一般为8~10h,稍长如1990.9.71998.8.20可达15h左右,个别如1984.8.3暴雨历时就更长一些。由于地处四川盆地边缘,有类似盆地气候特点,夜雨多而且大暴雨常常发生在后半夜。
                                               
   
前汛期暴雨发生在6~7月份,其强度大、历时短,笼罩范围小,雨量空间分布梯度大,如1977.7.6暴雨;后汛期暴雨一般发生在8月下旬和9月份,其强度较小、历时较长,而笼罩面积大,空间分布较均匀,如1978.9.1暴雨。由此可见,在7~9月主汛期间,均可出现较大暴雨洪水。

     3 河网特性分析

     3.1 河道特征

    为了从定量上进行分析论证这种差别,在  125万地形图上对河道特征值进行了量算,并向有关水文部门进行实地调查访问,推求出本区间流域河道汇流特征估算值,见右表。
表列汇流特征估算值与河道地形的客观描述基本相符,与实测洪水过程特征点分析的传播时间也基本吻合,可以认定估算成果基本可信。

     3.2 流域汇流特征
125万地形图上,按照业已分析的河道汇流时间,在区间流域上,将距出口断面(碧口大坝)相同汇流时间τ(1h)的各点联接起来,绘成等流时线,用求积仪量算等流时块面积,并绘制等流时块面积分配图。从汇流面积分配曲线看,正好与暴雨空间分布相反,汇流面积自下而上递增,最大汇流面积处在第34时段,这种有机的组合,就构成了碧口洪水的某些特征。

     4 洪水特性分析

     由于流域上中下游不同的气候特点、不同的地形、河网和下垫面条件,造成白龙江上中下游各段的洪水特性有其显著差异。上游因暴雨量小,流域面积大,并且多为草原和森林,洪水过程平缓,峰小量也不大,只参与中下游洪水的基流和退水;中下游因暴雨强度大和受地形、河网等因素影响,洪水过程陡涨陡落,峰高量也大。

     碧口水库洪水主要为区间暴雨形成,一般都是陡涨陡落;当干流武都以上发生洪水时,则落水段受其影响退水缓慢,流量居高不下,时程拉长,是水库经济运行不可忽视的因素。

    碧口汛期洪峰历年最早出现在5月中旬,如1973517日洪峰流量为660 m³/s,最迟在10月份如1973104日洪峰流量为580 m³/s。而较大洪峰还是发生在7-9月主汛期内。

     4.1 地区分布和组成

     历史资料表明,蒿子店的洪峰流量、24h洪量、72h洪量占碧口洪水分别为26.3%、37.2%45.8%,而蒿~碧区间则为73.7%62.8%54.2%,可以看出,洪峰流量武都以上所占比例较小,而洪量比例要相对稍多些。

    19611998年碧口洪峰流量2000 m³/s.以上的各地区来水情况看,碧口洪峰2000 m³/s.以上者共有16次,由武都以上来水为主形成的峰只有3次,占18.7%,其余81.3%的峰由区间洪水所组成,碧口洪峰流量愈大, 则武都以上来水为主形成洪峰的机会愈少,区间洪水为主形成碧口洪峰的机会愈多。由区间洪水为主所形成的碧口洪峰中有一点值得注意,就是区间洪峰中让水河草坝以上来水与所占集水面积相比,所占比例相对偏多;而且随着碧口洪峰流量的增大,草坝以上来水比重较大者,所占洪峰次数也增大,或者说碧口洪峰愈大,让水河来水参与的机会愈多。因而,应加强让水河水情站管理工作,以使区间洪水预报可靠性得到保证。

    总起来说,碧口洪水绝大多数来自区间,与上游地区几无关系,武都以上中游地区来水在碧口中小洪峰中参与造峰,当碧口洪峰愈大,它所占比例愈小或使洪峰底部加宽,或其主峰叠加在区间峰退水段上,这不但对防洪无害,反而有利于拦蓄洪尾多发电。

     4.2 洪峰特性

    M.A.维里卡诺夫径流成因公式可知,必须从有效降雨历时、雨强变化、区间流域最大汇流时间和最大等流时块所在时段数等因素互相组合分析入手来描述洪水特性。
     4.2.1
 涨洪历时

    假定降雨强度不变,有效降雨历时又等于大于流域最大汇流时间,则涨洪历时就等于流域最大汇流时间,有效降雨历时大于流域最大汇流时间,只能使洪峰继续维持不变,出现S曲线现象。实际降雨强度是变化的,因而各次洪峰的涨洪历时也就不同了。但由于各组合因素有一定的稳定性,所以涨洪历时变化也就会局限在一定时段内。本区间流域等流时段为10个,最大等流时块汇流时间为4h30004000 m³/s.的洪峰有效降雨历时为810h,个别洪峰为1214h,涨洪历时为1115h,其历时大于最大汇流时间,可以判定,这基本是全区间面积参与造峰的结果。中小洪水涨洪历时为713h,大部分小于10h,即小于最大汇流时间。这是由于有效降雨历时短或部分等流时块造峰的结果。由此可见,涨洪历时受其最大汇流时间的控制,其变化又为有效降雨历时和强度变化左右。

     4.2.2 最大涨率及其出现时间

    洪峰最大涨率是由最大雨强、最大雨强所在时段和最大等流时块所在时段有关。本区间流量汇流速度大,总汇流时间相对为短,最大等流时块在第34时段各占总面积16.1%和17%,二者之和为33.1%,因而,洪峰是陡涨的,短时涨率很大,实测资料达1030 m³/s.,发生在196472110061106
主雨峰平均雨强与最大涨率关系较好。最大等流时块面积上主要段后期降雨形成洪峰流量,所以最大涨率总是临近洪峰时出现,即最大涨率过后12h即达峰顶。

     4.2.3 洪峰流量

    洪峰流量即峰顶流量,本区间流域面积小,一般都能为一次暴雨所笼罩,最大等流时块面积对峰顶流量影响甚小,只在降雨历时短的中小洪水才有体现;决定洪峰流量大小的主要是降雨强度,主雨段与最大涨率过后不久即达峰顶就是较好的证明,洪峰流量大小决定于雨强大小。主雨段之后即使降雨有很短时间(如1h)的间歇,再降主雨段雨强的短时(12h)降雨,不会明显增加峰顶流量,多在峰顶出现很小的双峰。主雨段之后雨强明显变小,则主雨段后的降雨不参与造峰,这就是所谓的超峰雨了。

    由此可见,造成未来更大洪峰流量肯定是出现更大的雨强,因而,防洪调度中更应关注雨强的变化。

     4.2.4 流域退水

    影响流域退水的主要是下垫面因素,即流域地形(包括河槽状况)、土壤、地质和植被,这些因素基本稳定少变,本区间流域中游地带,因降雨稀少,水土流失严重,河道不大稳定,但变化缓慢,影响甚小。总之,流域退水是规律性极强。

    洪峰在峰顶过后,前期退水部分主要是地表径流,如本区间流域较大洪峰里,2000 m³/s.以上即是,洪峰陡涨陡落几乎呈三角形;退水20001000 m³/s.历时较长,这主要为河槽退水或个别峰退水期间降雨造成的部分径流;退水1000 m³/s.以下主要是上、中游基流部分和武都、文县以上区间边缘地区同期降雨(相对要小)产生的较少矮胖峰的汇入(区间地区山坡极陡,土层很薄,退水过程中看不到壤中流的明显表现),这部分历时更长,不但退水缓慢,且常见退中有涨,退退平平,这部分水用来拦尾发电非常有利。
 
    5
 结语

     碧口区间洪峰流量与雨强成正比关系。洪水判断中应十分注意三要素即降雨强度、最大涨率和涨洪历时。

     区间平均雨强不超过10mm/h,就不会形成洪峰流量3000 m³/s 以上的大洪水。

     区间平均雨强在10mm/h~20mm/h之间,洪峰流量就在30004000 m³/s之间,涨洪历时一般在1115h,最大涨率为500 m³/s,个别达到1030 m³/s。因峰顶流量靠近下游陇南重镇碧口镇防洪堤承受流量,调度中应十分注意,切莫造峰。在准确判断洪水量级情况下,可适当承担高水位,减少下游损失。

     区间平均降雨强度超过20mm/h,起涨后涨率逐渐加大,在第58个时段内涨率超过1000 m³/s,都预示着将要产生洪峰流量大于4000 m³/s的洪水,这时宁可承担造峰风险,也要及时打开闸门,避免以后更大的造峰或逼高库水位,威胁大坝的安全。

 


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