小型水庫暴雨承載能力分析模型構(gòu)建思路初探

閻詩佳

(遼寧省水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 沈陽 110000)

1 小型水庫暴雨承載能力的概念及主要內(nèi)容

1.1 小型水庫暴雨承載能力概念

小型水庫在降雨過程中，更多的是被動(dòng)地承受暴雨和洪水，而不是主動(dòng)地抗御暴雨，因此，在此定義暴雨承載能力更為恰當(dāng)和準(zhǔn)確。小型水庫的暴雨承載能力是指小型水庫在某一時(shí)刻庫容情況下能承載的最大雨強(qiáng)。在分析小型水庫的暴雨承載能力時(shí)，應(yīng)根據(jù)小型水庫在該時(shí)刻的蓄水量及預(yù)報(bào)時(shí)段內(nèi)的動(dòng)態(tài)泄流量，把水庫在這一時(shí)刻能夠攔蓄的洪水總量作為暴雨洪水承載總量Wc。通過徑流量與徑流深關(guān)系R=W/0.1F計(jì)算，將暴雨洪水承載總量Wc折合成徑流深Rc，再運(yùn)用產(chǎn)匯流計(jì)算方法，將其轉(zhuǎn)換成該流域的降雨量Pc，即為該小型水庫的在未來某時(shí)段能夠承載的最大降雨量，稱之為暴雨承載能力值。將暴雨承載能力值與預(yù)報(bào)降水強(qiáng)度Pf做對(duì)比，判斷小型水庫的安全程度。當(dāng)氣象預(yù)報(bào)的降水強(qiáng)度小于暴雨承載能力時(shí)，即Pf

1.2 小型水庫暴雨承載能力分析主要內(nèi)容

通過小型水庫暴雨承載能力的概念不難看出，小型水庫暴雨承載能力與水庫空余庫容和水庫的下泄能力直接正相關(guān)。水庫的空余庫容越小，其能夠攔蓄的洪水總量就越少，能夠承載的降水強(qiáng)度就越小，暴雨承載能力就越差，強(qiáng)降雨下承受的風(fēng)險(xiǎn)就越高。水庫的空余庫容越大，其能夠攔蓄的洪水總量就越多，能夠承載的降水強(qiáng)度就越大，暴雨承載能力就越強(qiáng)，強(qiáng)降雨下承受的風(fēng)險(xiǎn)就越低。水庫的下泄能力越強(qiáng)，其壩前可以調(diào)節(jié)的洪水量就越大，能夠承載的降水總量就越大，暴雨承載能力就越強(qiáng)。水庫的下泄能力越差，其壩前可以調(diào)節(jié)的洪水量就越小，能夠承載的降水總量就越小，暴雨承載能力就越差。小型水庫暴雨承載能力的分析計(jì)算需要分別分析預(yù)報(bào)時(shí)刻小型水庫的空余庫容折合的徑流深和下泄流量折合的徑流深，從而得到水庫能夠承載暴雨折合的總徑流深。在分析小型水庫能承載的最大雨強(qiáng)時(shí)，從水庫所在地區(qū)的產(chǎn)匯流情況入手，確定不同地區(qū)水庫流域的降雨徑流關(guān)系，最終計(jì)算得出總徑流深對(duì)應(yīng)的折合降水量。綜上可得出，確定小型水庫暴雨承載能力主要從兩方面入手，其一是要確定水庫流域地區(qū)的降雨徑流關(guān)系，其二是要分析計(jì)算出水庫預(yù)報(bào)時(shí)刻空余庫容和下泄能力所能承受的總徑流深。在小型水庫暴雨承載能力模型構(gòu)建過程中，需要根據(jù)不同小型水庫的不同流域特點(diǎn)具體分析。

2 水庫暴雨承載能力分析研究現(xiàn)狀

2.1 水庫洪水預(yù)報(bào)的主要方法

洪水預(yù)報(bào)主要有經(jīng)驗(yàn)相關(guān)模型和水文模型分析兩個(gè)主要方法。經(jīng)驗(yàn)相關(guān)模型主要采用降雨徑流相關(guān)法和合軸相關(guān)圖等。水文分析模型主要分為集總式水文模型和分布式水文模型，基于3S和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及水文信息化的不斷完善，全面考慮降雨和下墊面條件的分布式模型成為水文預(yù)報(bào)的主要模型[1]。國內(nèi)外根據(jù)實(shí)際工作建立了新安江模型、雙超產(chǎn)流模型、河北雨洪模型、大伙房模型、水箱模型等，對(duì)于水庫洪水預(yù)報(bào)的研究較豐富[2]。

2.1.1 模型法水庫暴雨承載能力分析

對(duì)團(tuán)結(jié)大型水庫進(jìn)行抗暴雨能力分析時(shí)，采用新安江模型進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算，率定模型參數(shù)，并針對(duì)不同土壤飽和狀態(tài)繪制的抗暴雨能力曲線，再通過內(nèi)插法求得現(xiàn)時(shí)水位下的暴雨承載能力[3-4]。大伙房模型主要針對(duì)北方超滲產(chǎn)流地區(qū)，分為產(chǎn)流和匯流兩個(gè)部分，在東北地區(qū)大型水庫得到較好的應(yīng)用[5]。這些模型法水庫暴雨承載能力的研究都是針對(duì)基礎(chǔ)資料比較全面準(zhǔn)確的大型水庫進(jìn)行的暴雨承載能力分析，對(duì)環(huán)境復(fù)雜、基礎(chǔ)設(shè)施薄弱的小型水庫并不完全適用。

2.1.2 圖解法水庫暴雨承載能力分析

利用圖解法分析水庫暴雨承載能力時(shí)通過繪制暴雨頻率—雨量、暴雨頻率—洪峰及暴雨頻率—洪水總量、暴雨頻率—起水位—洪水位等關(guān)系曲線進(jìn)行計(jì)算。在確定以徑流系數(shù)為參數(shù)的洪水總量和水庫暴雨承載能力分析中，一般以流域植被狀況為依據(jù)，全方位、系統(tǒng)地對(duì)植物葉面截留、土壤含水量進(jìn)行分析，確定其徑流系數(shù)，并計(jì)算確定得出匯流時(shí)間及洪水總量[6]。一般基于實(shí)測法，分析水庫多場次降雨過程的出入庫洪水量，繪制得到降雨量—洪水總量、洪水總量—泄流量、洪水總量—最大凈增蓄量關(guān)系曲線圖，通過圖解得到降雨量—最大凈增蓄量曲線與可容納空余防洪庫容作對(duì)比，求得未來一段時(shí)間的暴雨承載能力值。圖解法水庫暴雨承載能力的研究對(duì)水庫的基礎(chǔ)水文數(shù)據(jù)和資料要求較高，數(shù)據(jù)缺失或?qū)崪y數(shù)據(jù)有較大誤差或錯(cuò)誤都對(duì)分析計(jì)算結(jié)果有直接影響。更重要的是圖解法一般僅針對(duì)某一個(gè)水庫進(jìn)行分析，而針對(duì)小型水庫點(diǎn)多面廣的特點(diǎn)，在暴雨承載能力分析時(shí)一般需要對(duì)流域內(nèi)受強(qiáng)降水影響范圍內(nèi)的多個(gè)水庫進(jìn)行批量研判，應(yīng)用圖解法具有一定的局限性。

2.1.3 快速評(píng)估法水庫暴雨承載能力分析

針對(duì)模型法和圖解法的局限性，同樣有部分研究針對(duì)模型進(jìn)行了簡化，以達(dá)到批量計(jì)算、快速評(píng)估的目的。在中小型水庫抗御降雨的快速評(píng)估研究中，忽略泄量較小的泄水設(shè)施，將水庫分為超汛限運(yùn)行水庫和正常運(yùn)行水庫，分別對(duì)兩類水庫利用現(xiàn)有的參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，以此為基礎(chǔ)通過計(jì)算機(jī)編程即可實(shí)現(xiàn)大范圍的批量化預(yù)報(bào)[7]。此外，結(jié)合水文基礎(chǔ)信息庫的水雨情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)，參考大型水庫暴雨承載能力的分析方法，將其充分拓展至小型水庫計(jì)算，也能實(shí)現(xiàn)批量化預(yù)報(bào)過程[8]。這些小型水庫暴雨承載能力的快速評(píng)估研究方法過程雖然初步實(shí)現(xiàn)了批量化快速預(yù)報(bào)，但分析過程不夠系統(tǒng)，且分析預(yù)報(bào)的結(jié)果可靠性并未得到有效的驗(yàn)證。

2.2 小型水庫暴雨承載能力研究方法總結(jié)

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，面對(duì)小型水庫復(fù)雜的特點(diǎn)，現(xiàn)有的模型法、圖解法、快速評(píng)估法等水庫暴雨承載能力分析方法對(duì)小型水庫的分析和研究都具有局限性。對(duì)基礎(chǔ)資料差、范圍廣、情況復(fù)雜的小型水庫，還需要加強(qiáng)暴雨承載能力分析的系統(tǒng)性，強(qiáng)化模型構(gòu)建的針對(duì)性，提高研究的可靠性。因此，要在總結(jié)全國各地大、中、小型水庫暴雨承載能力分析方法的基礎(chǔ)上，理清小型水庫暴雨承載能力研究方法，梳理分析模型構(gòu)建思路。

3 小型水庫暴雨承載能力模型構(gòu)建基本思路

針對(duì)小型水庫地理分布廣、自動(dòng)化水雨情監(jiān)測設(shè)備不完備、流域數(shù)據(jù)資料準(zhǔn)確性不夠高等特點(diǎn)，在構(gòu)建小型水庫暴雨承載能力分析計(jì)算模型的過程中應(yīng)按照不同水庫的流域區(qū)域特性對(duì)其進(jìn)行分區(qū)分類。通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)資料分析計(jì)算小型水庫暴雨承載能力，構(gòu)建小型水庫暴雨承載能力模型，從而得出預(yù)報(bào)時(shí)段小型水庫暴雨承載能力。

3.1 確定計(jì)算分區(qū)

在分析小型水庫地理流域和水文地質(zhì)分布條件等特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，考慮小型水庫規(guī)模小、分布廣、水文信息不全等特點(diǎn)，在建立模型時(shí)參照產(chǎn)匯流情況，對(duì)小型水庫進(jìn)行分類，主要按照當(dāng)?shù)厮姆謪^(qū)原則，分區(qū)域、分空間、分特點(diǎn)研究。

3.2 確定計(jì)算方法

將各個(gè)水文分區(qū)的降雨徑流參數(shù)作為主要計(jì)算基礎(chǔ)，確定不同水文分區(qū)的計(jì)算方法，計(jì)算不同類型分區(qū)的降雨徑流關(guān)系，分析降雨徑流深關(guān)系，建立不同分區(qū)的暴雨承載能力模型。參考飽和產(chǎn)流地區(qū)產(chǎn)流計(jì)算方法，可利用流域系數(shù)α、降水量P、流域?qū)嶋H蓄水量Pa，采用徑流計(jì)算公式計(jì)算降雨徑流關(guān)系，如式(1)：

R=P-(1/α-Pa)(1-e-αP)

(1)

式中：R為徑流深，mm；P為降雨量，mm；a為流域系數(shù)；Pa為流域?qū)嶋H蓄水量，104m3;C為計(jì)算常數(shù)，取2.71828。

(2)

部分流域地區(qū)還需要結(jié)合降雨徑流經(jīng)驗(yàn)相關(guān)圖綜合分析計(jì)算。

3.3 模型分析計(jì)算及精度驗(yàn)證

以實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為輔助，分別計(jì)算每座小型水庫預(yù)報(bào)時(shí)段的空余庫容和下泄能力折合的總徑流深Rt。以分區(qū)為基礎(chǔ)，分析不同類型分區(qū)的降雨徑流關(guān)系，計(jì)算得出小型水庫總徑流深Rt所對(duì)應(yīng)的時(shí)段降雨強(qiáng)度，即求得小型水庫的暴雨承載能力值Pc。

3.4 模型精度驗(yàn)證

分別按照模型計(jì)算分區(qū)、降雨級(jí)別等不同方式，對(duì)模型的精度進(jìn)行驗(yàn)證，確定模型應(yīng)用的可行性。

3.5 建立暴雨承載能力預(yù)警

對(duì)比每座小型水庫的暴雨承載能力值Pc與時(shí)段預(yù)報(bào)的降雨量Pf，提前分析研判預(yù)報(bào)時(shí)段內(nèi)小型水庫的安全運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)預(yù)報(bào)的降雨強(qiáng)度與暴雨承載能力值的差值大小發(fā)布不同等級(jí)的暴雨承載能力預(yù)警。

4 結(jié) 語

本文分析了小型水庫暴雨承載能力的概念，探索了暴雨承載能力分析模型構(gòu)建的思路，針對(duì)小型水庫點(diǎn)多、面廣、管理體系不健全的特點(diǎn)，即保障了暴雨承載能力分析的批量化，減小了單一水庫逐個(gè)預(yù)報(bào)的限制，又提高了暴雨承載能力分析的準(zhǔn)確性。通過加強(qiáng)小型水庫暴雨承載能力分析，不斷完善小型水庫的暴雨承載能力預(yù)報(bào)預(yù)警，為提高小型水庫安全運(yùn)行、科學(xué)合理防汛調(diào)度決策、保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全提供了技術(shù)支持。在模型應(yīng)用上，需要結(jié)合地區(qū)實(shí)際情況進(jìn)行具體分析構(gòu)建，并對(duì)模型的精度進(jìn)行校驗(yàn)，以不斷優(yōu)化完善模型。在此基礎(chǔ)上，還需要構(gòu)建小型水庫暴雨承載能力分析預(yù)警體系，建立運(yùn)行保障機(jī)制，健全小型水庫暴雨承載能力分析體系。