不同抗暴雨能力計算方法在區域中小型水庫抗暴雨能力計算中的應用

胡曉松

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000)

水庫抗暴雨能力計算是汛期防洪調度的關鍵支撐，對于流域防洪科學調度十分重要。[1]當前，大型水庫防洪能力體系建設已經逐步趨于完善，但是中小水庫的抗暴雨能力分析還較少，而近些年來，中小水庫上游發生洪水的概率和頻次呈現逐步增多的變化趨勢，如何有效保障中小水庫的防洪安全，是當前社會關注和研究的熱點問題[2]。目前國內外關于水庫抗暴雨能力研究取得一定成果[3- 10]，但相對較少。陳鴻文2014年對中小型水庫最大納雨能力估算進行了研究認為抗暴雨能力是考慮水庫工程參數、泄水設施運行調度、集雨區土壤含水量和產流特性等因素，在防洪安全情況下一段時間內水庫允許容納的最大降雨量，反應了一段時間內水庫的防洪能力[11]。侯愛中等2017年提出了中小型水庫抗暴雨能力的概念與計算方法，認為水庫的抗暴雨能力是指在流域當前下墊面以及水庫調度方式情況下，水庫目前剩余防洪庫容所能容納的降雨量；并基于洪水預報模型及水庫調度規則，建立了抗暴雨能力計算方法[12]。王鶴翔2017年基于水庫設計標準及徑流系數，提出了一種水庫抗暴雨能力計算方法[13]。但這些方法在遼寧地區中小水庫還未得到相關應用，為此本文提出3種水庫抗暴雨能力計算方法，分別對遼河流域中小型水庫抗暴雨能力進行計算，研究成果對于鞍山地區中小水庫防洪調度具有重要的參考價值，對于其他流域中小水庫抗暴雨能力計算也具有較高的借鑒意義。

1 水庫抗暴雨能力計算方法

結合水庫抗暴雨能力概念及內涵，針對水庫調度運用方式，提出了3種抗暴雨能力計算方法。

1.1 不考慮放水的抗暴雨能力計算方法

對于有閘門的水庫，在暴雨中心處于水庫下游時，為保障防洪安全，希望水庫盡量放水較小或不放水。為此建立不考慮放水的抗暴雨能力計算方法，即在只蓄不放的調度規則下，計算水庫能承擔的入庫水量，并折算為凈雨量，依據此計算水庫抗暴雨能力。

1.2 基于設計洪水的水庫抗暴雨能力計算方法

考慮到實際水庫運用特征，暴雨來臨時水庫水位(現時水位)可能低于汛限水位。本文按不利情況考慮，假定：現時水位至汛限水位之間，水庫不放水；汛限水位至設計洪水位之間，水庫按照設計情況調度。基于該假定，水庫能承擔的凈雨量為：

P凈=(VZ汛-VZ0)/F+W設/F

(1)

式中，P凈—水庫能容納的凈雨量；VZ汛—汛限水位對應庫容；VZ0—現時水位對應庫容；W設—水庫設計洪量；F—流域集水面積。

對于飽和產流區，考慮到計算水庫抗暴雨能力時面臨的均為較大降雨，流域產流以全面產流為主，凈雨量主要與降雨、下墊面前期蓄水量直接相關，凈雨量可用以下方式計算。

P凈=R=P-(Im-Pa)

(2)

則水庫抗暴雨能力為：

P抗=P凈+(Im-Pa)

(3)

式中，P抗—水庫抗暴雨能力，mm；P凈—水庫能容納的凈雨量，mm；Im—流域蓄水容量，mm；Pa—前期影響雨量，mm。

1.3 基于預報調度模型的水庫抗暴雨能力計算方法

對于有預報方案，且調度規則復雜的重要水庫，為得到更精準的抗暴雨能力成果，本文建立了基于預報調度模型的水庫抗暴雨能力計算方法。即假定不同等級降水，依據預設或預報的雨型，采用預報模型計算入庫洪水過程，基于調度模型明確水庫來水-蓄水-放水過程，確定各種降水條件水庫最高蓄水位。繪制水庫抗暴雨能力查算圖表，實現抗暴雨能力精準計算。

考慮到實際水庫運用特征，暴雨來臨時水庫水位(現時水位)可能低于汛限水位。本課題按不利情況考慮，假定：現時水位至汛限水位之間，水庫不放水；汛限水位至設計洪水位之間，水庫按照設計情況調度。基于該假定，水庫能承擔的凈雨量按照式(1)計算。

對于鞍山地區產流區而言，考慮到計算水庫抗暴雨能力時面臨的均為較大降雨，流域產流以全面產流為主，凈雨量主要與降雨、下墊面前期蓄水量直接相關，凈雨量可用式(2)計算。水庫抗暴雨能力可用式(3)計算。

2 水庫抗暴雨能力計算實例

2.1 水庫概況

以鞍山地區2座中小型水庫為研究實例，中型水庫為黑山水庫，小型水庫為前營水庫，水庫分布如圖1所示。黑山水庫位于五道河上，集水面積為54km2，汛限水位為97.33m，校核洪水位為103.20m。前營水庫位于大洋河支流上，集水面積為43.81km2，為小(1)型水庫，汛限水位為17.40m，校核洪水位為21.17m。

圖1 鞍山地區中小型水庫分布

2.2 不考慮放水的水庫抗暴雨能力計算

2.2.1計算條件設置

根據氣象部門降雨預報，按流域包氣帶不同蓄水量情況，分不同標準6個等級，見表1。計算入庫洪水過程，并在不考慮放水的前提下，計算水庫抗暴雨能力，繪制研究水庫抗暴雨能力查算圖表。

表1 降雨時程分配條件

2.2.2產匯流計算

降雨徑流經驗相關圖是根據流域的產流規律，在成因分析與統計相關的基礎上，用每次降雨的流域平均雨量(P)和相應產生的徑流深(R)及影響它們的主要因素(如前期影響雨量Pa)所建立起來的一種經驗相關圖，最常用的是P+Pa～R相關圖。結合鞍山地區P+Pa～R相關圖對各水庫下不同降水條件下的產匯流進行計算。

2.2.3不考慮放水條件下的水庫抗暴雨能力計算

結合不考慮放水的抗暴雨能力計算方法，對黑山和前營水庫的抗暴雨能力進行計算，計算結果見表2—3，并繪制2個水庫的不同水位下的抗暴雨能力查算圖，結果如圖2所示。

表2 黑山水庫抗暴雨能力計算結果

表3 前營水庫抗暴雨能力計算結果

圖2 研究水庫不考慮放水條件的抗暴雨能力查算

從表2—3中可看出，土壤飽和狀態下不同水位級下各水庫的抗暴雨能力在0～200mm之間，半飽和狀態下不同水位級下黑山和前營水庫的最大抗暴雨能力在0～300mm之間。土壤含水量飽和和半飽和狀態對區域抗暴雨能力影響較大。隨著水庫水位的遞增，其水庫抗暴雨能力逐步減少，當水位達到水庫的設計水位后，其抗暴雨能力最低，水庫防洪安全將受到影響。

2.3 基于設計洪水的水庫抗暴雨能力計算

基于黑山水庫和前營水庫設計洪水過程，對兩個水庫設計洪水條件下的水庫抗暴雨能力進行分析。分析結果見表4—5，并繪制不同水庫基于設計洪水條件下的抗暴雨能力查算圖，如圖3所示。

黑山水庫和前營水庫設計標準均為抵御50a一遇洪水，按照2個水庫的設計洪水過程進行其抗暴雨能力計算。以黑山水庫為例，其計算步驟為：根據水庫設計洪水資料：黑山水庫設計起調水位93.0m，低于汛限水位(99.3m)6.30m；水庫蓄水量40.37萬m3，低于汛限水位對應庫容(548.70萬m3)。設計條件下，水庫能防御洪水標準為50a一遇，設計洪水入庫水量為984.20萬m3。按照前面介紹的計算方法，當實時水位低于汛限水位時，實時水位至汛限水位之間水庫只蓄不放，相應于這部分，黑山水庫可承擔入庫水量508.33萬m3；按照設計方案調節，根據設計手冊，黑山水庫能承擔的最大入庫水量為設計洪水量，即984.20萬m3。2者合計，黑山水庫起調水位還能承擔入庫水量1492.5億m3，折合凈雨量276.4mm。

表4 基于設計洪水的黑山水庫抗暴雨能力計算結果

表5 基于設計洪水的前營水庫抗暴雨能力計算結果

圖3 研究水庫設計洪水條件的抗暴雨能力查算

黑山水庫位于III2分區，處于飽和產流(蓄滿產流)地區。其抗暴雨能力按式(3)計算。水庫以上集水區Im=130mm，根據逐日計算，黑山水庫前期影響雨量Pa=65mm。據此計算，起調水位下水庫抗暴雨能力為346.4mm。前營水庫也按此計算步驟進行抗暴雨能力的分析。從圖3中也可看出隨著水庫水位的遞增，其水庫抗暴雨能力逐步減少。

2.4 基于預報調度模型的水庫抗暴雨能力計算

基于黑山水庫的調度規則，結合水庫預報調度成果對黑山水庫基于預報調度模型的水庫抗暴雨能力進行計算，計算結果見表6，并繪制黑山水庫降雨-最高蓄水位關系圖，結果如圖4所示。

表6 基于預報調度模型的黑山水庫抗暴雨能力計算結果

圖4 黑山水庫降雨-最高蓄水位關系

對于中型水庫而言，可以結合水庫的調度規則進行抗暴雨能力的分析，而小型水庫由于無調度規則，因此該方法具有不適用性。以2019年“8·10”暴雨洪水為例，進行黑山水庫抗暴雨能力計算實例研究。通過逐日計算可得Pa=70mm。基于前述方法，結合黑山水庫特征，預設降雨等級P=50、100、150、200、250、300、350、400mm共計8個降水等級。降水過程按不利情況考慮，選用2010年大暴雨雨型。黑山水庫位于水文分區III2區，為飽和產流區。在上述雨型分配假定下，采用遼寧飽和模型，計算不同量級降水條件下黑山水庫入庫洪水過程，Pa采用逐日計算，2019年8月10日黑山水庫Pa=105mm。黑山水庫調度規則如下：汛期限制水位定為99.3m，當水庫水位超過汛限水位142.58m時，溢洪道泄洪，降低庫水位，確保大壩安全。結合不同等級暴雨數據，計算各量級降雨下的入庫洪峰，并結合調度規則計算其最高蓄水水位，繪制黑山水庫降水～最大蓄水位查算圖。

2.5 不同水庫抗暴雨能力計算方法的適用性分析

本研究涉及3種抗暴雨能力計算方法，分別為不考慮放水的抗暴雨能力計算方法、基于設計洪水的水庫抗暴雨能力計算方法、基于預報調度模型的水庫抗暴雨能力計算方法，為明晰不同類型水庫抗暴雨能力計算方法與規則，對各方法的適用條件簡述見表7。

表7 抗暴雨能力各計算方法適的用范圍與特點

從分析結果可看出，基于設計洪水的水庫抗暴雨能力計算方法適用范圍廣，計算速度快可作為防汛會商決策的首選計算方法。同時考慮到該方法過于強調壩體安全，對下游考慮較少，可同時給出大中型水庫(有閘門控制)不考慮放水的抗暴雨能力計算方法計算成果作為補充。如防汛決策中有更高的精度需求，可采用開敞式泄流水庫抗暴雨能力計算方法即基于預報調度模型的水庫抗暴雨能力計算方法取得更高的計算精度。

3 主要結論

(1)不考慮放水的水庫抗暴雨能力計算方法成果偏于保守，而基于設計標準的水庫抗暴雨能力計算方法對下游河道防洪安全考慮較少，但其計算時效性較高，可滿足中小水庫，尤其是無調度規則的應急防洪調度需求。

(2)基于預報調度模型水庫抗暴雨能力計算可確定各種降水條件下水庫最高蓄水位，計算精度較高，但計算時效性低于其他2種方法，適用于具備較完善調度規則的中型水庫抗暴雨能力計算。

(3)本文不考慮放水條件的水庫抗暴雨能力計算設置2種土壤含水狀態，在以后的研究中還應對流域蓄水量進行動態分析。