東港市水庫洪水調度方案編制技術研究

李 祿

(遼寧省水利水電科學研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110003)

水庫是防洪工作的重點，遼寧省擁有水庫792座，在防洪抗旱、水資源高效利用等方面發揮了重要作用[1]。據統計，1954—2006年全國共有3495座水庫發生垮壩事故，由此可見，加強對各類水庫安全運行的監管尤為重要[2]。2019年，水利部辦公廳文件“關于開展2019年水庫(群)洪水調度方案全面修訂完善工作的通知”(防辦[2019]23號)指出：為深入貫徹落實鄂竟平部長1月15日在2019年全國水利工作會議上的重要講話精神，進一步強化對水庫汛期洪水調度運用的監管，經研究，決定在全國范圍內開展水庫以及水庫群汛期洪水調度(運用)方案的全面梳理和修訂工作，以提高方案的科學合理性和可操作性，確保水庫運行安全，充分發揮水庫(群)防洪減災效益。

1 現狀分析

東港市為遼寧省轄縣級市，由丹東市代管。位于遼寧省東南部，地處丹東市西南部，南臨黃海，北、西北接鳳城市、岫巖滿族自治縣，西與莊河市毗鄰，東北和丹東市振安區相連，擁有沿海、沿江、沿邊地理優勢，是中國海岸線上最北端的縣級市。東港市屬北溫帶濕潤地區大陸性季風氣候。受黃海影響，具有海洋性氣候特點。冬無嚴寒，夏無酷暑，四季分明，雨熱同季。東港市共有40座水庫，其中1座大型水庫、7座中型水庫、13座小(1)型水庫，19座小(2)型水庫。

2 研究內容

按照國家及遼寧省關于水庫洪水調度方案編制的要求，根據歷史水文資料和水文條件，編制東港市1座大型水庫、7座中型水庫、32座小型水庫洪水調度方案，要保障方案的科學合理性和可操作性，確保水庫運行安全，充分發揮水庫(群)防洪減災效益，為東港市水庫洪水調度工作提供方案支撐，進一步完善東港市防洪體系建設。

主要建設任務為：資料調查收集與梳理制作、水文資料整理與分析、特征水位及防洪標準復核、大中型水庫模擬洪水預報方案編制、中小型水庫抗雨能力分析、汛期調度計劃及防洪調度方案編制。

3 研究方法

3.1 資料調查收集與梳理制作

調查收集水庫庫區現狀資料，內容主要包括自然地理資料、水文氣象資料、工程現狀資料，以及其他與水庫調度管理相關的基本資料。

(1)自然地理資料。包括土地利用、土壤類型、植被、地形地貌、流域面積、河長、坡度等。

(2)水文氣象資料。包括相關站的雨量、蒸發、水位、流量、設計洪水計算成果、歷史洪水資料及其他水文特征數據等。重點調研流域暴雨洪水造成的災害等級及暴雨強度和暴雨量級、洪水頻率標準等。

(3)工程現狀資料。對流域內水利工程查勘與調研，包括堰閘以及其他蓄水工程的基本情況及調度規則、水土保持工程等基本情況。

針對不同的收集內容，采取不同的方法開展調查收集。充分利用已有基礎資料，收集其他部門統計資料、檔案、設計報告、批復文件、遙感影像等，遵循內外業相結合的原則，積極開展部門之間交流協作。數據調查收集工作主要采用會議交流、檔案查閱、現場勘查、普查等方法。

(1)會議交流。通過開會座談的形式與數據收集單位進行交流，初步掌握所收集數據的整體情況，明確每類數據的采集方式、現有數據形式等內容，為下一步工作開展做好準備。

(2)檔案查閱。收集工程批復文件、工程復核報告、工程設計報告、相關統計資料、巡查記錄、遼寧省水利基礎信息集、遼寧省水利圖集、遼寧省小型水庫復核等資料。

(3)現場查勘。獲取水利工程信息，同時可以對內業完善的數據進行外業復核。

(4)普查。對于無資料參考，通過下發調查表的方式對數據進行補充完善，同時對已存在數據進行復核。

收集的資料清單如下：《中華人民共和國防洪法》(中華人民共和國主席令第88號)、《中華人民共和國防汛條例》(中華人民共和國國務院令第86號)、《水庫大壩安全管理條例》(中華人民共和國國務院令第77號)、《小型水庫安全管理辦法》(水安監[2010]200號)、SL252—2000《水利水電工程等級劃分及洪水標準》、SL 706—2015《水庫調度規程編制導則》、《綜合利用水庫調度通則》(水管[1993]61號)、GB/T 50587—2010《水庫調度設計規范》、SL224—98《水庫洪水調度考評規定》、各水庫大壩安全鑒定報告、各水庫除險加固初步設計報告、各水庫2018—2019水庫大壩安全管理應急預案、各水庫2018—2019水庫防汛搶險應急預案、各水庫2018—2019水庫控制運用計劃、遼寧省小型水庫工程特性匯編(基于省水利廳2012—2013年開展的全省小型水庫復核工作)。

3.2 水文資料整理與分析

在資料收集與查勘調研的基礎上，完成40座水庫典型暴雨洪水場次資料整理與分析。

(1)整理資料主要包括洪水摘錄資料、流量日資料、降水摘錄資料、降水日資料和蒸發日資料。分析流域降雨徑流關系、產匯流特征參數及流域洪水災害調查等資料。

(2)整理資料包含1956年以來各測站的相關資料，保證資料系列的完整性，同時考慮歷史暴雨洪水調查資料。

從一致性、完整性、合理性、正確性等方面進行整理，具體為：①數據合理性及一致性，檢查和控制數據的合理性，各類各級要素的一致性；②數據完整性、一致性，檢查和控制數據的完整性、一致性；③數據值的正確性，檢查和控制業務數據值的正確性，包括計量單位、長度、精度等。

3.3 特征水位及防洪標準復核

(1)特征水位復核。復核水庫防洪高水位、正常蓄水位、汛期限制水位、死水位等各種特征水位是否符合設計標準，若不符合，是否進行了充分論證，并按照法定程序進行審批。

(2)防洪標準復核。復核水庫防洪標準是否符合初步設計及除險加固后設計標準，若不符合，是否進行了充分論證，并按照法定程序進行審批，除險加固水庫是否已按防洪標準進行，正在進行除險加固的水庫是否按照施工期度汛方案進行。汛期分期是否合理，復核主汛期泄流方式是否批復。

3.4 大中型水庫模擬洪水預報調度方案編制

3.4.1洪水預報方案的編制與修編

根據歷史的水文資料和水文條件，在已有洪水預報方案的基礎上，根據近10a的洪水資料，修訂已有的大型水庫洪水預報方案，對中型水庫進行洪水預報方案編制，以滿足洪水作業預報的精度要求。降雨徑流預報是利用流域降雨量經過產流計算和匯流計算，預報流域出口斷面的徑流過程。因此，降雨徑流預報主要包括2個方面的內容：第一是由降雨量推求凈雨量；第二是由凈雨過程推求流域出口斷面的徑流過程。

3.4.2單庫模擬洪水預報和洪水調度成果圖表

建立各控制節點所控制流域面積不同時間點流域蓄水量計算模型，確立不同條件下的流域包氣帶蓄水量。分6個降雨級別(降雨為50、100、150、200、250、300mm)，建立各站模擬洪水預報和洪水調度成果圖表。

3.4.3庫群聯合模擬洪水預報和洪水調度成果圖表

根據各水庫、水文站和堤防的防洪標準與抗洪能力，按不同條件，分別按流域包氣帶蓄水量(飽和、半飽和)情況分6個降雨級別(降雨為50、100、150、200、250、300mm)，建立河流從上游到下游河庫聯合模擬洪水預報和洪水調度成果圖表。

3.5 中小型水庫抗雨能力分析

小型水庫具有流域面積小、河道比降大、匯流時間短、洪水來勢兇猛等特點，導致水庫預報的預見期很短，且小型水庫管護人員能力參差不齊。因此，不宜采用大型水庫的產匯流模型來進行復雜的預報和調度。為提高小型水庫預報的時效性，基于水庫水量平衡基本原理，提出適合小型水庫洪水預報預警的抗雨能力概念。所謂水庫抗暴雨能力，就是根據水庫當前的蓄水狀態，分析計算水庫未來還能承擔多少降雨的能力，也稱為水庫允許最大降雨量[3- 4]。

(1)方法建立與適應條件論證。結合遼寧省小型水庫特點、基礎資料情況和泄流方式不同，建立多種滿足不同條件的抗暴雨能力算法，并對抗雨能力計算方法及其適應條件進行論證。對分析方法與計算結果進行評估，分別從計算方法的科學性、基礎資料的準確性、關鍵指標的可靠性、計算結果的合理性等方面進行全面分析，找出影響分析計算結果的可能原因。最終制定出一種或多種適應遼寧省小型水庫特點的，切實可行的抗暴雨能力計算方法[6]。主要抗暴雨能力分析方法分類：①按照水庫現有基本資料不同分類為是否考慮降雨徑流關系的抗雨能力計算，是否考慮土壤含水量的抗雨能力計算，是否考慮泄洪情況的抗雨能力計算；②按照考慮水庫不同泄流方式分類為開敞式溢洪道的水庫水位不超過溢洪道底的抗雨能力計算和水位超過溢洪道底的抗雨能力計算，溢洪道(或泄洪洞)有閘控制的水庫閘門全關情況下的水庫抗雨能力計算和溢洪道(或泄洪洞)不同泄量情況下的抗雨能力計算；③設有開敞式溢洪道和輸水洞聯合泄洪的情況為溢洪道底以下的水庫抗雨能力計算，允許最高水位以下的抗雨能力計算。

(2)抗暴雨能力查算圖表制作。完成全省502座小型水庫抗暴雨能力查算圖表的制作，在水庫集水面積、水位—庫容關系曲線、降雨徑流相關圖等特征信息基礎上，確定了水庫允許最高洪水位后，計算水庫各級水位與不同前期影響雨量情況下的允許最大降雨量，即水庫抗暴雨能力，水庫抗暴雨能力分析計算包括抗暴雨能力計算表和抗暴雨能力計算圖2種體現形式。最終形成工程特性及抗暴雨能力查算圖表手冊，便于防汛人員快速查詢，及時采取措施，確保水庫及下游安全度汛[7]。

3.6 汛期調度計劃及防洪調度方案編制

水庫控制運用與調度的目的，就是根據洪水預報成果，結合水庫的調度措施，模擬計算水庫某種調度模式下可能發生的最高水位、最大泄洪流量[10]。重要的大中型水庫，要求預報出水庫水位和出庫流量的變化過程，以便進行科學的調度運用，正確處理好蓄泄關系，以確保水庫工程和下游河道的安全，并合理攔蓄洪水，以滿足灌溉、發電和水產養殖等興利事業的要求，充分發揮工程效益。

4 方案分析

4.1 洪水預報方案編制

本文重點是針對大中型水庫進行洪水預報方案編制，鐵甲水庫預報方案精度在乙級以上，可以用于水庫的洪水預報。大部分中型水庫由于觀測資料少，以及部分觀測資料精度有限，所以編制的部分方案有待今后逐步完善修訂。其中產流模型主要采用蓄滿產流方法。匯流模型中，鐵甲水庫采用單位線，中型水庫降雨徑流P+Pa相關圖、洪峰流量徑流深相關圖；預報方案提供各中型水庫四象限圖，供預報作業使用。

4.2 抗雨能力分析計算

(1)大、中型水庫抗雨能力計算。不考慮泄洪情況下的抗雨能力計算，通過將不同前期影響雨量情況下空余庫容折算成徑流深計算可允許最大降水量。考慮泄洪情況下的抗雨能力計算，通過假定不同泄洪條件計算可允許最大降水量。

(2)大部分小型水庫無降水觀測資料和溢洪道控制閘門，所以小型水庫抗雨能力計算采用不同防洪水位，根據水位、庫容與水庫匯流面積計算不同水位下空余庫容允許最大降水量，在水庫調度運用過程中，可根據不同水位級查算允許最大降水量值，為水庫防洪做參考。

4.3 模擬預報查算圖表

對大、中型水庫進行分析計算模擬預報查算圖表供防洪調度參考使用。

(1)采用假設降雨量：50、100、150、200、250、300mm 6個等級。

(2)降雨時程分為24h，時段分為8個時段，每段為3h，每時段所占比例為：14%、20%、20%、14%、8%、8%、8%、8%。

(3)選取飽和、半飽和狀態下Pa值做模擬預報計算，通過流域面積計算產生洪量和洪峰流量。

(4)在水庫入庫洪水模擬預報及調洪中，大型水庫按照汛限水位、死水位與汛限水位平均值進行調洪；中型水庫按照汛限水位、死水位2種水位進行調洪。按照模擬預報計算成果，繪制模擬預報降水-洪峰流量相關圖，水庫模擬預報降水-洪量相關圖。

5 結語

本文按照國家及遼寧省關于水庫洪水調度方案編制的要求，以東港市為實例研究區域，根據歷史水文資料和水文條件，開展東港市40座水庫洪水調度方案編制技術研究與實施工作。制定完成了一整套水庫洪水調度方案編制技術體系，完成東港市1座大型水庫、7座中型水庫、32座小型水庫洪水調度方案編制工作。方案具有科學合理性和可操作性，確保水庫運行安全，充分發揮水庫防洪減災效益，為東港市水庫洪水調度工作提供方案支撐，進一步完善東港市防洪體系建設，對其他相似地區水庫洪水調度方案編制工作具有指導意義。