水庫抗雨能力計(jì)算模式探討

袁敬雯

一、問題提出

在水庫實(shí)際防洪調(diào)度中，當(dāng)預(yù)報(bào)有降雨過程時(shí)，為了提高防汛的主動(dòng)性，增加預(yù)判的準(zhǔn)確性，除了降雨開始后進(jìn)行實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)外，還需要在降雨開始前，根據(jù)預(yù)報(bào)信息進(jìn)行假擬預(yù)報(bào)，提前做好各方面準(zhǔn)備預(yù)報(bào)洪水過程，制定調(diào)度方案。而當(dāng)水庫較多、人力資源有限的情況下，需要大批量掌握水庫的防洪狀態(tài)，是一個(gè)工作難點(diǎn)。目前我省注冊大中小型水庫共792座，最多的大連市206座，其次撫順市114座，如何迅速掌握水庫的抵抗暴雨能力，為決策者提供科學(xué)準(zhǔn)確的決策信息具有在重要意義。

二、調(diào)洪演算方法

1.龍格庫塔法。當(dāng)水庫的下泄流量隨著庫水位的變化而變化時(shí)，已知時(shí)段內(nèi)的平均入流量、時(shí)段初的庫水位與出庫流量，求解水庫時(shí)段末水位和出庫流量的方法有圖解法、試算法和數(shù)值解法。其中數(shù)值解法無需作圖和試算，適用于多泄流設(shè)備、變泄流方式、變計(jì)算時(shí)段等復(fù)雜情況下的調(diào)洪計(jì)算，便于應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行求解。

2.試算法。有些中小型水庫，由于對下游河道或水庫閘壩等水利工程的防洪運(yùn)用具有重要作用，不僅需要預(yù)報(bào)出最高水位和最大泄洪流量，而且還要求預(yù)報(bào)出庫水位和出庫流量的變化過程。

利用水量平衡原理采用試算法演算水庫的水位變化過程及出庫流量變化過程，并統(tǒng)計(jì)出調(diào)度的特征值，結(jié)果可進(jìn)行維護(hù)和保存。水量平衡原理方程如下：

（1）

其中：Q1、q1――分別為時(shí)段初入庫、出庫流量

Q2、q2――分別為時(shí)段末入庫、出庫流量

V1、V2――分別為時(shí)段初、時(shí)段末水庫庫容

三、抵抗暴雨能力計(jì)算模式

近年來，極端惡劣天氣頻發(fā)，為了在防汛時(shí)快速便捷的查算水庫在不同土壤含水量、不同起調(diào)水位、不同防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)下的抗雨能力，制作了水庫抗御暴雨能力對照圖，對大批量水庫抗雨能力的計(jì)算進(jìn)行快速計(jì)算，作為水庫防洪調(diào)度新思路和新方法。在發(fā)生暴雨前后，可以通過對照圖清晰的查出水庫狀態(tài)，為調(diào)度決策提供科學(xué)依據(jù)。主要研究了各水庫下游保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)下和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下兩種條件的抗御暴雨能力對照表，各水庫標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表 1 水庫下游保護(hù)目標(biāo)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)成果表

水庫 保護(hù)目標(biāo) 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

標(biāo)準(zhǔn) 水位 標(biāo)準(zhǔn) 水文

年 米 年 米

大伙房 100 134.54 1000 136.63

觀音閣 100 262.8 1000 263.9

葠窩 100 99.97 300 100.22

湯河 50 110.81 100 111.44

清河 100 133.63 500 135.1

柴河 20 110.53 100 112

鬧德海 50 188.16 100 189.56

白石 50 124.44 500 131.12

1.抗雨能力計(jì)算方法。在常規(guī)情況下，汛期水庫水位低于汛限水位，將抗雨能力計(jì)算分為汛限水位以下部分和汛限水位以上部分（即汛限水位與防洪標(biāo)準(zhǔn)之間）。

（1）汛限水位以下部分抗雨能力P下

（2）

式中，為汛限水位相應(yīng)庫容；實(shí)際水位相應(yīng)庫容；F為水庫控制流域面積；α為當(dāng)前水庫徑流系數(shù)最大值。

（2）汛限水位以上部分抗雨能力P上

（3）

式中，Wf為水庫不同設(shè)計(jì)頻率對應(yīng)洪量；F同上；α同上。

（3）水庫實(shí)時(shí)可抗御暴雨能力P

（4）

需要特殊指出的是，當(dāng)水庫水位為汛限水位以上時(shí)，P下的計(jì)算結(jié)果為負(fù)值，即抗雨能力扣除超汛限水位部分。計(jì)算值上限為流域可能最大降雨值，下限為考慮下墊面情況下的流域蒸散發(fā)及截留能力。

2.徑流系數(shù)計(jì)算。徑流系數(shù)α的計(jì)算是本方法的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以水庫歷史場次洪水為樣本，統(tǒng)計(jì)每場洪水的前期土壤含水量、降雨、凈雨等歷史資料，建立土壤含水量和降雨的相關(guān)關(guān)系，畫出兩者的外包線，即為面臨時(shí)刻徑流系數(shù)的最高值。從防洪偏安全角度考慮，取徑流系數(shù)最大值用于抗雨能力分析計(jì)算。

圖1 大伙房水庫徑流系數(shù)外包線圖

通過計(jì)算散點(diǎn)圖擬合，計(jì)算大伙房水庫產(chǎn)流系數(shù)外包線多項(xiàng)式為： ，假設(shè)面臨時(shí)刻土壤含水量為70mm時(shí)，大伙房水庫最大徑流系數(shù)為0.83。各水庫產(chǎn)流系數(shù)如表2所示。

表2水庫產(chǎn)流系數(shù)計(jì)算表

水庫 計(jì)算公式 測試 最大土壤含水量

產(chǎn)流系數(shù) 假擬土含

大伙房 y = -8E-05x2 + 0.016x + 0.1011 0.51 30 110

觀音閣 y = -0.0002x2 + 0.0375x - 0.8514 0.90 100 100

葠窩 y = -0.0002x2 + 0.0375x - 0.8514 0.68 60 105

湯河 y = -5E-05x2 + 0.0111x + 0.2588 0.74 60 140

清河 y = -0.0001x2 + 0.024x - 0.4919 0.93 105 130

柴河 y = -0.0001x2 + 0.024x - 0.4919 0.86 90 140

鬧德海 y =0.00142857x+0.6 0.87 190 220

白石 y =0.00142857x+0.6 0.89 200 210

在水庫設(shè)計(jì)階段和實(shí)際運(yùn)行調(diào)度中，需要考慮的一個(gè)重要指標(biāo)是下游保護(hù)目標(biāo)，圖2為計(jì)算的下游保護(hù)目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)情況下水庫的抗雨能力曲線圖。

圖2 大伙房水庫下游保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)下抗雨能力曲線圖

四、結(jié)語

針對實(shí)際工作需要對多座水庫同時(shí)進(jìn)行抗雨能力分析計(jì)算的需求，本文大伙房水庫為例建立了基于下游保護(hù)目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)情況下水庫的抵抗暴雨能力查算曲線，對水庫工程的抗御暴雨洪水能力進(jìn)行了科學(xué)分析，其結(jié)果為我省經(jīng)濟(jì)社會(huì)防洪保安全領(lǐng)導(dǎo)決策提供重要技術(shù)支持。endprint