小型水库抗暴雨能力快速计算方法

耿延博

(辽宁河库管服务中心(辽宁省水文局)，沈阳 110003)

1 水库特征与指标

1.1 水库特征

小型水库结构主要为大坝、输水洞、溢洪道组成。大坝多为土质坝，输水洞多为管洞，出流较小，溢洪道多为无闸门开敞式宽顶堰。

小型水库主要为数量多、分布广、集水面积小、汇流时间短、工程质量差、防洪标准低、管理手段不到位、交通和通信不畅、观测手段短缺等特征。

1.2 设计指标

小型水库的特征指标设计主要为：校核洪水位及库容(Z校，V总)；设计洪水位及库容(Z设，V设)；正常高水位及库容(Z正，V正)，一般正常高水位与溢洪道堰顶高相一致(Z正= Z溢)；死水位及死库容(Z死，V死)；汛限水位及库容(Z汛，V汛)，一般汛限水位确定为正常高水位(溢洪道顶高程)以下(Z正≥Z限≥Z死)，大都为Z限=Z正= Z溢。

1.3 现实水位

水库现实水位及库容(Z现，V现)既为水库当前状态下的水位及库容。当水库V现越小，其空余的库容就越大，能够拦蓄的洪水就越多，转换成承载的暴雨强就越大。反之，就越小。可谓水库的暴雨承载能力与空库容正相关。

2 水库抗暴雨能力概念

2.1 基本概念

水库的抗暴雨能力P是指在流域当前下垫面及水库调度方式情况下，现实库容V现以上剩余防洪库容能承载的最大雨强。即为：在某一蓄水位下，能够安全防御多大洪水不出险。从基本概念可以看出，一座水库的抗暴雨能力是一个动态值，与水库所处流域当前下垫面情况、库水位、调度方式、防洪特征值以及降雨时空分布等因素均有密切关联。

2.2 目标定义

依照水库的校核洪水(Z校，V总)、设计洪水(Z设，V设)指标，抗暴雨能力可有两种定义，一是相对映于校核洪水指标的定义为最大抗暴雨能力P最大抗；二是相对映于设计洪水指标的定义为允许最大抗暴雨能力P允许抗[1]。

3 水库抗暴雨能力计算方法

3.1 水库不溢洪情景计算法(方法1)

假设某一洪水过程最大不超过正常高水位(或溢洪道顶高程),不同的现实水位Z现，由库容曲线查得相应的现实库容V现，可蓄洪的库容V蓄等于正常高库容减去现实库容。公式：

V蓄=V正-V现

(1)

则流域平均允许最大雨量为：

R净=V蓄/F*10=(V正-V现)/F*10

(2)

P允许抗=f(R净,Pa)

(3)

式中：R净为抵御的最大净雨量，以mm计；V蓄为蓄洪的库容，104m3；F为流域面积，km2；Pa为流域前期影响雨量，mm；其它同上。

公式(3)可通过流域水文模型、降雨径流关系、径流系数α等方法求得。

3.2 不考虑泄流情景计算法(方法2)

假设某一洪水过程超过正常高水位(或溢洪道顶高程),水库可以蓄洪的库容V蓄可为两部分，既是正常高水位至现实水位间的库容，加上允许最高洪水位至正常高水位间的库容。公式：

V蓄=[(V正-V现)+(V设-V正)] =(V设-V现)

(4)

则流域平均允许最大雨量为：

R净=V蓄/F*10=(V设-V现)/F*10
P允许抗=f(R净,Pa)

(5)

P允许抗为设计目标的抗暴雨能力。同理，计算水库最大抗暴雨能力P最大抗，只是将V设改换V总即可。

3.3 设计情景计算法(方法3)

基于水库设计标准，考虑水库泄流，水库抵御洪水量也为蓄洪的库容V蓄可为两部分，既是正常高水位至现实水位间的库容，加上设计调洪的洪量W调p。公式：

V蓄=(V正-V现)+W调p

(6)

式中：W调p为调洪洪量，以104m3计；其它同上。

根据小型水库汇水面积小、汇流时间短等特征，在设计条件下洪水是由24h以内的短历时暴雨所形成，经洪水过程概化分析，洪水过程可采用简化三角形。考虑到水库设计调洪的需要，而参与调洪的洪量W调p是24h洪量中主峰τ时段及以前部分洪量。根据设计雨型，主峰τ时段以前的洪量为最大24h暴雨所产生的洪量W24减去主峰τ时段产生的洪量Wτ后剩余部分的2/3，概化公式：

W调p=2/3(W24p-Wτp)+Wτp=
0.67W24p+0.33Qmp*τ

(7)

式中：W24p为不同频率的设计洪水，104m3；Wτp为主峰τ时段的洪量，104m3；Qmp为设计洪峰流量，m3/s；τ为汇流历时，h。则

W调p=0.67W24p+0.12Qmp*τ

(8)

以设计洪水频率为例，得出流域平均允许的最大抗暴雨能力：

R净=V蓄/F*10 =(V正-V现+W调p)/F*10
=(V正-V现+0.67W24p+0.12Qmp*τ)/F*10
P允许抗=f(R净,Pa)

(9)

同理，计算水库最大抗暴雨能力P最大抗，只是将设计频率W24p、Qmp改换校核频率W24p、Qmp即可[2]。

3.4 不同预设情景计算法(方法4)

抗暴雨能力计算为洪水预报降雨产汇流计算的逆过程。本法考虑气象部门的天气预报或降雨数值预报，假定实际降雨与数值预报时程分配比例相同，设定n个降雨量级Pi(i=1,2,…,n)，获取未来一段时间(可设定24h)数值降雨数值预报的时程分配比例，可采用倍比缩放方式得到n个降雨过程；基于水库的洪水预报方案计算得n个入库洪水过程Qi(i=1,2,…,n)，按照水库调度运用方案数据和现实库水位Z现进行多次调洪演算，可以得出n个最高库水位Zi(i=1,2,3,…,n)；当Zi≤Z设时的最大降雨量级为P允许抗，当Zi≤Z校时的最大降雨量级为P最大抗。示例如下：

1)设定24h降雨量级为：50、100、150、200、250、300mm六个等级。

2)降雨量时程分配比为：24h分8时段，各雨量段占比为14%、20%、20%、14%、8%、8%、8%、8%。

3)计算各等级雨量过程，略。

4)某水库特征参数与计算成果如表1、表2：

5)从表1可看出，当流域前期影响雨量Pa=0.5Im时，Zi≤Z设时的最高水位为140.88m，则最大降雨量级为P允许抗=150mm；同理当Zi≤Z校时的最大降雨量级为P最大抗=250mm。

表1 某水库洪水情景预报调度成果表(半饱和Pa=0.5Im)

从表2可得出，当流域前期影响雨量Pa=Im时，Zi=Z设=140.13 m，则最大降雨量级为P允许抗=100mm；同理当Zi≤Z校时的最大降雨量级为P最大抗=150mm。

表2 2019年齐齐哈尔市GPM数据降尺度检验参数

表2 某水库洪水情景预报调度成果表(饱和Pa=Im)

4 抗暴雨能力相关图的建立

4.1 抗暴雨能力分析表

以某水库为例，应用上述不考虑泄流情景下计算法(方法2)，分析计算流域土壤半饱和(Pa=0.5Im)与饱和(Pa=Im)情景下的最大抗暴雨量[3-4]，如表3。

表3 某水库抗暴雨能力分析成果表(Im=180mm)

4.2 抗暴雨能力相关图建立

应用表3的分析成果，选择以库水位为纵坐标，允许最大降雨量为横坐标，采用流域土壤半饱和与饱和情景，绘制暴雨能力相关图，如图1。

图1 某水库抗暴雨能力相关图

5 结 语

提出了4种小型水库抗暴雨能力计算方法，其方法1主要预判在当前水位Z现下，再降多少雨量产生的入库洪水溢洪道能够溢洪，并对下游影响；方法2不考虑水库泄流情况，预判在当前水位Z现下，达到水库限定高度对应的抗暴雨能力；方法3主要预判在当前水位Z现下，考虑水库泄流状态，达到水库限定目标高度时的抗暴雨能力；方法4主要预判在当前水位Z现下，参考气象降雨数值预报，不同雨量级产生的洪水对水库安全影响程度。方法所需参数少，简单快捷，可纳入洪水预报预警系统模块，也可编制小程序或直接在 Excel中实现批量作业。水库抗暴雨能力图、表简单明了，应用方便，适合广大小型水库使用。