大中型水庫抗暴雨能力計(jì)算方法

馬云峰

遼寧省河庫管理服務(wù)中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003

1 基本情況

1.1 大中型水庫防汛作用

遼寧省現(xiàn)有大中型水庫106座，總庫容173.10億m3，總調(diào)洪庫容84.60億m3，興利庫容93.70億m3。這些水庫與下游河道堤防相結(jié)合形成的防洪體系，在各個(gè)流域的防洪中發(fā)揮著重要作用，可基本保證城市和重要河段的防洪安全。例如：渾河上的大伙房水庫，觀音閣水庫、葠窩水庫，大凌河上的閻王鼻子水庫等，均對(duì)下游城市汛期防洪減災(zāi)起著重要作用。

1.2 大中型水庫抗暴雨能力計(jì)算的必要性

1.2.1 防汛形勢(shì)新要求

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，許多河流兩岸的保護(hù)對(duì)象越來越集中、越來越重要，流域防洪體系在保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全中發(fā)揮的作用也越來越大。近些年遼寧省對(duì)防洪薄弱環(huán)節(jié)加大投資，開展了一大批水庫除險(xiǎn)加固、河道整治工程建設(shè)，流域防洪能力得到了明顯提升。但如何更有效地發(fā)揮防洪工程特別是大中型水庫的防洪效益，對(duì)水庫防汛工作提出了新的要求。另外，近幾年遼寧省汛期臺(tái)風(fēng)頻發(fā)，2020年甚至出現(xiàn)了10日內(nèi)3次臺(tái)風(fēng)來襲的極端天氣，防汛形勢(shì)越發(fā)嚴(yán)峻。開展大中型水庫抗暴雨能力計(jì)算，提高精準(zhǔn)防汛能力，是利用現(xiàn)代化手段進(jìn)行科學(xué)研判和正確決策的重要手段。

1.2.2 水庫調(diào)度的重要參考

目前，中國氣象部門3日內(nèi)降雨預(yù)報(bào)精度已較高，對(duì)水庫而言，如果能在強(qiáng)降雨來臨前就計(jì)算出當(dāng)前剩余防洪庫容能夠滯納的降雨量，再對(duì)比氣象部門發(fā)布的降雨預(yù)報(bào)，盡早發(fā)布預(yù)警并適當(dāng)調(diào)整水庫調(diào)洪方式，從而最大限度地減少水庫由于調(diào)度不及時(shí)而出現(xiàn)的潰壩或上下游淹沒等問題。通過系統(tǒng)分析全省大中型水庫的抗暴雨能力，為各水庫防汛調(diào)度提供參考，可提高防汛決策的科學(xué)性和時(shí)效性。特別是對(duì)于一些中型水庫，由于水庫經(jīng)濟(jì)效益不高，管理經(jīng)費(fèi)不足，而且沒有國家專項(xiàng)資金支持，維修養(yǎng)護(hù)不及時(shí)，更需要參考抗暴雨能力控制運(yùn)行。

2 大中型水庫抗暴雨能力影響因素

2.1 流域當(dāng)前下墊面情況

水庫所在流域下墊面情況，即前期降雨量和土壤飽和度，土壤能夠承納的降雨越多，則匯入水庫的降雨量越小，水庫的抗暴雨能力就越大。遼寧省東部山區(qū)屬長山白余脈，植被覆蓋率較高，土壤保水性好，而遼西山區(qū)植被覆蓋差，土壤水分蒸發(fā)快，同等降雨量遼東山區(qū)水庫抗暴雨能力小于遼西地區(qū)。

2.2 當(dāng)前庫水位

水庫水位越高，剩余庫容越小，所能承納的降雨量越小，抗暴雨能力就越小。因此，汛期要嚴(yán)密監(jiān)視水庫水位，在強(qiáng)降雨前采取措施降低水位，騰出足夠庫容，提高水庫抗暴雨能力。

2.3 水庫調(diào)度方式

調(diào)度方式?jīng)Q定了水庫的泄洪能力，泄洪越快則抗暴雨能力越大。但與小型水庫不同，大中型水庫最大特點(diǎn)是大多具有溢洪道閘門，汛限水位一般高于堰頂高程，汛期需要重點(diǎn)考慮調(diào)度方式和起調(diào)水位。另外，水庫的下泄流量需要考慮下游河道的行洪能力，溢洪道泄量直接決定水庫降雨承納能力。

2.4 降雨過程

由于不同流域下墊面的植被保水率、土壤特性及含水率不同，不同的降雨過程和降雨量會(huì)導(dǎo)致不同的產(chǎn)流過程和產(chǎn)流量。例如：在遼西地區(qū)，一些地方雖然土壤含水低較低，但若遇高強(qiáng)度短歷時(shí)降雨，土壤可能形成“土蓋”，土壤未飽和便開始產(chǎn)流，形成較大的產(chǎn)流量；而遇長歷時(shí)較均勻的降雨過程，則大部分的降雨可能會(huì)下滲或蒸發(fā)，反而產(chǎn)生較少的徑流量。

3 大中型水庫抗暴雨能力計(jì)算方法

根據(jù)大中型水庫抗暴雨能力影響因素，結(jié)合水庫工情，抗暴雨能力計(jì)算過程分為以下5步，如圖1所示。

圖1 水庫抗暴雨能力分析技術(shù)路線圖

3.1 水庫24 h設(shè)計(jì)面暴雨推求

3.1.1 直接法計(jì)算

當(dāng)水庫以上流域內(nèi)長期雨量站分布較密，可根據(jù)水庫以上流域內(nèi)各年的年最大24 h面雨量系列直接進(jìn)行頻率分析計(jì)算，得出各重現(xiàn)期的24 h設(shè)計(jì)面雨量。

3.1.2 間接法計(jì)算

對(duì)于無雨量站或雨量資料短缺的大中型水庫，由《遼寧省中小河流(無資料地區(qū))設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法》中查得流域重心24 h暴雨均值、Cv值、點(diǎn)面折減系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算各重現(xiàn)期設(shè)計(jì)24 h面暴雨。

3.2 水庫不同量級(jí)降雨對(duì)應(yīng)的洪水過程線推求

3.2.1 劃分暴雨量級(jí)

水庫24 h面暴雨量級(jí)從50 mm開始，按50 mm逐級(jí)遞增，大部分水庫最大降雨量級(jí)做到500 mm，降雨高值地區(qū)的最大降雨量級(jí)可做到1 000 mm。

3.2.2 收集洪水過程線

收集水庫初步設(shè)計(jì)或除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中采用的設(shè)計(jì)洪水及設(shè)計(jì)洪水過程線，補(bǔ)全各頻率設(shè)計(jì)洪水及設(shè)計(jì)洪水過程線。

3.2.3 推求量級(jí)暴雨對(duì)應(yīng)洪水過程線

假定設(shè)計(jì)暴雨與設(shè)計(jì)洪水同頻，依據(jù)水庫24 h設(shè)計(jì)面暴雨、各重現(xiàn)期設(shè)計(jì)洪水及洪水過程線成果，用內(nèi)插法推求不同量級(jí)24 h面降雨對(duì)應(yīng)的洪水過程線。

3.3 不同飽和情況暴雨徑流相關(guān)圖的繪制

統(tǒng)計(jì)水庫站或水文站歷年場(chǎng)次24 h面降雨、降雨開始時(shí)刻土壤含水量及三日洪量，一年可選多場(chǎng)，三日洪量指由本場(chǎng)24 h降雨形成的三日洪量，即由統(tǒng)計(jì)的三日洪量減去前次洪水的退水量。其中土壤含水量Pa計(jì)算按下式計(jì)算：

Pa,t=KPa,t -1+ K2Pa,t -2+ …+ KnPa,t -n

(1)

式(1)中，Pa,t為前期影響雨量；Pa,t -1為上一天的Pa值；n統(tǒng)一取15 d；K統(tǒng)一取0.85。

當(dāng)所計(jì)算出來的Pa值大于Imax時(shí)，則Pa值取Imax，各水庫及水文站Imax參考《遼寧省中小河流(無資料地區(qū))設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法》中各水文分區(qū)數(shù)值。不同飽和情況分為三級(jí)，即降雨開始時(shí)刻的土壤含水量Pa=0 mm、Pa=0.5Imax及Pa=Imax。飽和狀態(tài)下按24 h降雨全部形成三日洪量考慮，相關(guān)線為45度線。

水庫資料條件好的大型水庫可直接繪制本水庫的降雨徑流相關(guān)圖，無實(shí)測(cè)流量資料或資料不足的水庫，先繪制附近參證水文站的降雨徑流關(guān)系圖，考慮降雨及徑流的地區(qū)差異性，進(jìn)行相關(guān)的分析處理，轉(zhuǎn)換成水庫的降雨徑流相關(guān)圖。降雨徑流相關(guān)圖中的Pa等值線根據(jù)實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)用目估內(nèi)插法求出。

3.4 不同飽和情況不同量級(jí)降雨對(duì)應(yīng)的洪水過程線推求

不同飽和情況不同量級(jí)的24 h降雨，由水庫降雨徑流相關(guān)圖查得相應(yīng)的三日洪量，與水庫各重現(xiàn)期3日洪量比較，用內(nèi)插法推算不同飽和狀態(tài)不同量級(jí)降雨對(duì)應(yīng)的洪水過程線。

3.5 水庫調(diào)洪演算及抗暴雨能力分析

水庫洪水調(diào)度方式采用已批復(fù)的水庫設(shè)計(jì)報(bào)告、除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)報(bào)告或度汛方案中確定的調(diào)度方式。對(duì)于單個(gè)水庫而言，采用二分迭代法進(jìn)行水庫調(diào)洪演算，分別按照考慮壩體安全、考慮下游控制泄量情況下，特定工況某一起調(diào)水位下的降雨量級(jí)和最高水位關(guān)系圖。為便于成果使用，抗暴雨能力分析，在可能暴雨分析基礎(chǔ)上，采用逐級(jí)試算法，給出不同工況下的水庫洪水調(diào)節(jié)成果，并給出最大抗暴雨能力級(jí)別。

4 結(jié)語

防汛決策是關(guān)系國計(jì)民生的大事，而水庫防洪調(diào)度作為防汛決策的重要部分，具有很強(qiáng)的時(shí)效性要求，需要實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，滾動(dòng)修正調(diào)度。大中型水庫抗暴雨能力計(jì)算結(jié)果可作為水庫汛期調(diào)度決策的重要參考，一定程度上彌補(bǔ)防汛預(yù)報(bào)調(diào)度短板。在實(shí)際應(yīng)用中，一場(chǎng)洪水調(diào)度過程中的水庫最高水位、下游最大泄量、調(diào)度期末水庫水位等都需要綜合考慮。