基于預(yù)報調(diào)度模型的遼寧地區(qū)水庫抗暴雨能力計算分析

辛宏章

(遼寧巨隆達建設(shè)工程管理咨詢有限公司，沈陽 110003)

一個完善的防洪減災(zāi)非工程體系在國內(nèi)外尚沒有先例，因而，如何利用系統(tǒng)論和科學(xué)的方法進行防洪減指揮系統(tǒng)災(zāi)關(guān)鍵技術(shù)研究，形成完備的遼寧省防洪減災(zāi)決策體系，充分發(fā)揮水利防洪工程體系的綜合最大化作用，就成為一個全新的課題。近些年來，對于水庫抗暴雨能力取得一定研究成果，但基于預(yù)報調(diào)度模型的水庫抗暴雨能力的研究還較少，為此文章從水庫安全度汛的角度出發(fā)，結(jié)合預(yù)報調(diào)度模型，以遼寧鐵嶺地區(qū)水庫為計算實例，對區(qū)域內(nèi)兩個水庫進行基于預(yù)報調(diào)度模型的水庫抗暴雨能力力的研究，研究成果對合理制定水庫防洪調(diào)度方案，確定流域防洪減災(zāi)決策具有重要的積極意義[1-3]。

1 研究思路

1.1 抗暴雨能力計算原理

水庫抗暴雨能力，表示為在當前防洪庫容條件下通過預(yù)報調(diào)度可以承受的最大降雨量。當水庫不承擔下游防洪任務(wù)或預(yù)報降水量較大、按最不利情況考慮時，設(shè)計標準洪水是維持水庫正常運用能抵御的最高標準洪水[4-6]。設(shè)計標準洪水對應(yīng)的降水量可作為水庫能夠抵御的最大凈雨量。這部分凈雨量與水庫集水區(qū)能夠存蓄降水之和，即為水庫抗暴雨能力。

在暴雨來之前，水庫實際情況下水位可能低于汛限水位。按照最不利情形進行假定：當實時庫水位低于汛限水位，水庫不泄流；當庫水位處于設(shè)計高水位和汛限水位之間時，按照預(yù)報調(diào)度規(guī)則進行水庫能夠抵抗的最大暴雨量：

P凈=(VZ汛-VZ0)/F+W設(shè)/F

(1)

式中：P凈為表示為水庫能夠抵抗的凈雨最大值，mm；VZ訊為防洪庫容，萬m3；VZ0為實時庫水位對應(yīng)的水庫庫容，萬m3;W設(shè)為設(shè)計洪水總量，萬m3;F為壩址以上控制面積，km2。

飽和產(chǎn)流區(qū)水庫抗暴雨能力以全面產(chǎn)流為主，凈雨量與前期土壤含水量以及降水量相關(guān)，其計算方程為：

P凈=R=P-(Im-Pd)

(2)

則水庫抗暴雨能力為：

P抗=P凈+(Im-Pa)

(3)

式中：P抗為水庫抗暴雨能力，mm；P凈為水庫能容納的凈雨量，mm，Im為流域蓄水容量，mm；Pa為前期影響雨量，mm。

對于非飽和產(chǎn)流域，凈雨量除與降水、前期影響雨量有關(guān)外，還與下滲能力有關(guān)。凈雨形成量及過程需用水文模型計算。為計算簡單，本節(jié)引入徑流系數(shù)，對計算方式進行簡化。

超滲產(chǎn)流區(qū)凈雨量計算公式為：

P凈=P×φ

(4)

式中：P凈為水庫能容納的凈雨量，P為降水量；φ為徑流系數(shù)。則超滲產(chǎn)流區(qū)抗暴雨能力計算公式為：

P抗=P凈/φ

(5)

各參數(shù)意義同前。

1.2 計算步驟

1)入庫預(yù)報和調(diào)洪演算：基于水文模型對入庫洪水進行計算，并結(jié)合調(diào)度模型對水庫進行調(diào)洪要素。

2)防洪庫容剩余量計算：基于實時庫水位和水位-庫容曲線對當前水位下的庫容(W0)進行確定，并分析其與設(shè)計庫容(Z設(shè))和防洪高庫容(Z洪)之間的差值，確定防洪庫容剩余量(ΔW)。

3)結(jié)合氣象預(yù)報降雨過程，根據(jù)歷史典型暴雨選擇偏不利雨型或者按氣象預(yù)報降雨分配過程進行雨量分配，結(jié)合分配比例采用同倍比得到模擬的降雨過程。

4)結(jié)合步驟(1)對入庫水量和n 場降雨過程下的洪水過程程QINi(i=1,2,…,n)進行計算。

5)調(diào)洪演算：將步驟(4)的洪水過程進行調(diào)洪演算，得到不同入庫條件下的洪水出庫過程QOUTi(i=1,2,…,n)。

6)確定降雨對應(yīng)的蓄水量變化的最大值：當出庫流量高于入庫流量，庫水位遞增，庫水位最大值為水庫出入水量平衡，此時水庫蓄水變化最高。結(jié)合出、入庫洪水過程對其降雨對應(yīng)的蓄水量最大值進行分析，確定確定降雨對應(yīng)的蓄水量變化的最大值。

7)水庫抗暴雨能力計算：結(jié)合步驟(6)及步驟(2)得到蓄水變化最大值對應(yīng)的降水以及防洪庫容防洪庫容剩余量(ΔW)，確定對應(yīng)的降水量最大值，即為當前庫水位條件下水庫能抵抗的最大暴雨量(C)。

2 計算實例

2.1 水庫概況

文章選擇榛子嶺水庫為例，進行飽和產(chǎn)流區(qū)水庫抗暴雨能力計算實例研究，選擇紅山水庫為例，進行非飽和產(chǎn)流區(qū)抗暴雨能力計算實例研究。榛子嶺水庫位于遼河一級支流凡河上，為飽和產(chǎn)流區(qū)。水庫建成于1979年，壩址位于鐵嶺市鐵嶺縣大甸子鎮(zhèn)，壩上集水面積369km2?？値烊?.8622億m3，為多年調(diào)節(jié)大型水庫。榛子嶺水庫死水位175.60m，汛限水位192.60m，正常高水位193.80m，設(shè)計洪水位196.61m，校核洪水位197.87m。水庫死庫容7.0百萬m3，興利庫容124百萬m3，調(diào)洪庫容86.6百萬m3，設(shè)計庫容175百萬m3。 水庫按照100a一遇設(shè)計，5000a一遇校核。設(shè)計洪峰流量1960 m3/s，設(shè)計洪水總量1.23億m3。水庫為開敞式溢洪道，堰頂高程190.0m，最大泄量1805 m3/s。

紅山水庫位于遼河支流招蘇臺河流域，處于招蘇臺河二級支流紅山河上，為非飽和產(chǎn)流區(qū)。紅山水庫建成于1970年，壩址位于鐵嶺市昌圖縣泉頭鎮(zhèn)紅山堡村，壩上集水區(qū)面積105km2，總庫容27.48百萬m3，為多年調(diào)節(jié)中型水庫。紅山水庫死水位138.66m，汛限水位142.58m，正常高水位142.58m，設(shè)計洪水位146.03m，校核洪水位147.55m。水庫死庫容2.0百萬m3，調(diào)洪庫容18.43百萬m3，設(shè)計庫容27.48百萬m3。紅山水庫按100a一遇設(shè)計，1000a一遇校核。設(shè)計洪峰流量790m3/s，設(shè)計洪水總量2643萬m3。汛期限制水位定為142.58m，汛期輸水洞參與調(diào)洪，當水庫水位超過汛限水位142.58m時，輸水洞開閘泄洪，已降低庫水位，確保大壩安全。

2.2 設(shè)計雨型的選擇

榛子嶺水庫為飽和產(chǎn)流區(qū)。洪水預(yù)報模型中，產(chǎn)流采用蓄滿產(chǎn)流模型，匯流采用單位線匯流。產(chǎn)流參數(shù)Im=150，b=0.30。以2012年典型暴雨過程為例對榛子嶺水庫抗暴雨能力進行分析，結(jié)合水庫抗暴雨能力計算步驟和水庫特性，設(shè)定9個降水等級(每隔50mm遞增一級)，按照最不利條件對榛子嶺水庫抗暴雨能力進行計算[7-9]。

以2012年典型暴雨過程為例對紅山水庫抗暴雨能力進行分析。前期影響雨量Pa為95mm。結(jié)合水庫抗暴雨能力計算步驟和水庫特性(每隔50mm遞增一級)。降水過程按不利情況考慮，兩個水庫雨型分配如圖1所示。

圖1 設(shè)計雨型過程

2.3 飽和產(chǎn)流區(qū)榛子嶺水庫抗暴雨能力計算結(jié)果

在上述雨型分配假定下，采用新安江模型計算8個降水等級的水庫入庫洪水過程，榛子嶺水庫調(diào)度規(guī)則如下：

1)庫水位高于108.0m，下游遼河有錯峰要求時，關(guān)閘錯峰；無錯峰要求時，輸水洞泄量200 m3/s。

2)庫水位高于110.5m時，停止錯峰，輸水洞全開泄流。

3)庫水位高于111.8m時，開輸水洞和2孔溢洪道泄流。

4)庫水位高于112.0m時，開輸水洞和4孔溢洪道泄流。

結(jié)合水位-庫容關(guān)系曲線、水位-泄量關(guān)系曲線及調(diào)度規(guī)則，對榛子嶺水庫在不同降水量級入庫洪水條件下進行模擬調(diào)度調(diào)節(jié)，確定各降水條件的水庫最高蓄水位，分析降水-最大蓄水位關(guān)系圖，其中水庫起調(diào)水位為2019年8月10日8時水位。結(jié)合調(diào)度規(guī)則和入庫洪水計算結(jié)果對榛子嶺水庫抗暴雨能力進行計算，結(jié)果見表1。

表1 預(yù)報調(diào)度下榛子嶺水庫抗暴雨能力計算結(jié)果

2.4 非飽和產(chǎn)流區(qū)紅山水庫抗暴雨能力計算結(jié)果

紅山水庫調(diào)度規(guī)則如下：汛期限制水位定為142.58m，汛期輸水洞參與調(diào)洪，庫水位高于汛限水位142.58m時，快速降低水庫水位以保證水庫安全。以水庫入庫過程為基礎(chǔ)，結(jié)合水位-庫容關(guān)系曲線、水位-泄量關(guān)系曲線及調(diào)度規(guī)則，對柴河水庫在不同降水量級入庫洪水條件下進行模擬調(diào)度調(diào)節(jié)，確定各降水條件的水庫最高蓄水位，分析降水-最大蓄水位關(guān)系圖[10-12]。其中水庫起調(diào)水位為2019年8月10日8時水位。結(jié)合調(diào)度規(guī)則和入庫洪水計算結(jié)果對紅山水庫水庫抗暴雨能力進行計算，結(jié)果見表2。

表2 預(yù)報調(diào)度下紅山水水庫抗暴雨能力計算結(jié)果

3 應(yīng)用結(jié)論

不考慮水庫調(diào)洪的抗暴雨能力計算結(jié)果一般偏小，而以水庫設(shè)計值抗暴雨能力計算不利于下游河道的防洪安全。為此文章建立的基于預(yù)報調(diào)度模型的抗暴雨能力計算可解決上訴兩種的抗暴雨能力計算的局限，通過模擬不同水庫來水量，結(jié)合水庫調(diào)度規(guī)則，充分考慮下游河道防洪安全的前提下，優(yōu)化水庫出庫過程，得到不同降水量下水庫蓄水位最高值，并確定其對應(yīng)的最大降雨量，從而精準確定水庫抗暴雨能力。該方法適用于有預(yù)報方案，且調(diào)度規(guī)則復(fù)雜的重要水庫。