中小型水庫抗暴雨能力分析

車云竹，張亞芳

（河北省保定水文水資源勘測局，河北保定071051）

摘要：以福建官昌水庫為例，通過3 d實(shí)際降雨資料，將其同倍比縮放得出幾種降雨情景，利用降雨情境下的出、入流過程繪制降雨－最大凈增蓄量曲線圖，推求出未來3 d水庫所能承載的最大抗暴雨能力，為防汛部門和水庫預(yù)先采取調(diào)度措施提供有效信息，使防洪減災(zāi)效果達(dá)到最大化，最終減少人民群眾生命財(cái)產(chǎn)損失。

關(guān)鍵詞：中小型水庫；抗暴雨能力；水庫調(diào)度

水庫抗暴雨能力是指在流域當(dāng)前下墊面以及水庫調(diào)度方式情況下，水庫目前剩余防洪庫容所能容納的降雨量。從抗暴雨能力的概念可以看出，一座水庫的抗暴雨能力是一個(gè)動(dòng)態(tài)值，與水庫所處流域當(dāng)前下墊面情況、當(dāng)前庫水位及調(diào)度方式、水庫防洪特征值以及降雨時(shí)空分布等因素均密切相關(guān)［1］。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展，我國中小型水庫數(shù)量迅猛增加，尤其南方地區(qū)中小型水庫及堤壩工程數(shù)量越來越多、分布越來越廣，部分水庫納雨能力低，為了在未來降雨中預(yù)防其可能超過設(shè)計(jì)防洪限制水位，對其最大抗暴雨能力及時(shí)預(yù)判，為水庫和防汛部門預(yù)先采取調(diào)度措施提供及時(shí)有效的參考數(shù)據(jù)［2-3］，以福建官昌水庫為例，在統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)上，利用分布式水文模型VIC［4］構(gòu)建水庫的入庫洪水計(jì)算方案并結(jié)合水文調(diào)度模型推算出其所能容納的最大降雨量。

1 水庫概況

福建省屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，熱量豐富，雨量充沛，年平均降雨量1 400～2 000 mm，氣候區(qū)域差異較大，各氣候帶內(nèi)水熱條件的垂直分異也較明顯。全省河流眾多，閩江為省內(nèi)最大河流，其中沙溪是閩江重要支流之一，在沙縣境內(nèi)，河長53 km，由西向東流向，水流湍急，水量季節(jié)性變化大。

官昌水庫位于福建省沙縣西南部沙溪支流豆士溪上游的官昌村，是一座以供水、灌溉為主兼顧發(fā)電的中型水庫，集水面積79.55 km2，設(shè)計(jì)洪水位444.5 m，總庫容2 442萬m3，供水設(shè)計(jì)流量5.25 m3/s，近期流量2.665 m3/s，灌溉面積2 700 hm2，具有流域面積小、匯流時(shí)間短、預(yù)見期短等特點(diǎn)。主汛期受降水、臺(tái)風(fēng)等氣候條件影響，水庫防汛壓力大。

2 水庫抗暴雨能力計(jì)算方法

抗暴雨能力計(jì)算與降雨產(chǎn)匯流計(jì)算相比是個(gè)逆過程，由于水文過程具有非線性特征，因此不能直接用過程求逆的方法計(jì)算，需要用試算的方法來反推［5］。具體而言，某座水庫當(dāng)前水位下的抗暴雨能力計(jì)算步驟如下：

（1）構(gòu)建預(yù)報(bào)調(diào)度模型?；谒哪Ｐ蜆?gòu)建水庫入庫水量計(jì)算方案，并基于水庫調(diào)度方式設(shè)定水庫調(diào)度模型。

（2）計(jì)算剩余防洪庫容。通過查詢水位－庫容曲線得到水庫當(dāng)前水位Z對應(yīng)的庫容，計(jì)算其與防洪高水位Z洪對應(yīng)的庫容之差，得到當(dāng)前水位下的剩余防洪庫容ΔW。

（3）設(shè)定降雨時(shí)程。由于未來降雨過程未知，在實(shí)際計(jì)算時(shí)，假定實(shí)際降雨的時(shí)程分配比例與數(shù)值降雨預(yù)報(bào)的時(shí)程分配比例相同，設(shè)定n個(gè)降雨量Pi（i=1，2，…，n），獲取未來一段時(shí)間（本文設(shè)定為3 d）數(shù)值降雨預(yù)報(bào)的時(shí)程分配比例，采用同倍比縮放的方式得到n個(gè)降雨過程。

（4）計(jì)算入庫洪水過程。將n個(gè)降雨過程分別輸入水文模型得到n個(gè)入庫洪水過程Qi（i=1，2，…，n）。

（5）計(jì)算出庫洪水過程。將n個(gè)入庫過程分別輸入水庫調(diào)度模型得到n個(gè)出庫洪水過程qi（i=1，2，…，n）。

（6）計(jì)算降雨—最大凈增蓄量曲線。當(dāng)入庫流量大于出庫流量時(shí)，水庫水位持續(xù)上漲，當(dāng)出入庫平衡時(shí)水庫水位最高，此時(shí)水庫凈增蓄量最大，即水庫最危險(xiǎn)。根據(jù)入庫洪水Qi和出庫洪水qi計(jì)算n個(gè)降雨過程對應(yīng)的水庫最大凈增蓄量Wi（i=1，2，…，n），這樣就得到一條降雨—最大凈增蓄量曲線。

（7）計(jì)算水庫抗暴雨能力?；诓襟E（6）得到的P－W曲線，根據(jù)步驟（2）得到的當(dāng)前剩余防洪庫容ΔW，即可通過查線方法得到與之對應(yīng)的降雨量，即為水庫當(dāng)前水位下的抗暴雨能力C［6］?？贡┯昴芰τ?jì)算流程，如圖1所示。

圖1 水庫抗暴雨能力計(jì)算流程

3 水庫通用調(diào)度模塊計(jì)算原理

（1）水量平衡原理。平均出庫和入庫流量，用時(shí)段初、末時(shí)刻流量均值表示，方程式為：

式中：Q1、Q2分別表示時(shí)段初和時(shí)段末入庫流量（m3/s）；q1、q2分別表示時(shí)段初和時(shí)段末出庫流量（m3/s）；V1、V2分別表示時(shí)段末和時(shí)段初對應(yīng)的水庫蓄水量（m3）；Δt表示計(jì)算時(shí)段，一般為1～6 h，需化為秒數(shù)。

（2）能量守恒原理（圣維南方程組）。在水庫調(diào)度計(jì)算中，可簡化為水庫的蓄泄關(guān)系，方程式為：

式中：q表示水庫下泄流量（m3/s）；H表示水庫的庫水位（m）；V表示水庫的蓄水量（m3）。

4 水庫抗暴雨能力計(jì)算

以官昌水庫為例，將2016年9月6日17時(shí)—9日16時(shí)的降雨同倍比縮放得出6種降雨情景，利用6種降雨情境下官昌水庫的出、入流過程繪制降雨—最大凈增蓄量曲線圖，推求其未來3 d抗暴雨能力。

4.1 計(jì)算時(shí)段選定

2016年9月6日17時(shí)—9日16時(shí)，受臺(tái)風(fēng)影響，官昌水庫流域出現(xiàn)一次較強(qiáng)降雨過程，累計(jì)降雨量126 mm。根據(jù)前文描述，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)長為3 d，模擬起止時(shí)間為10日8時(shí)—13日8時(shí)。6日17時(shí)，官昌水庫水位440 m，蓄水量1 557萬m3，低于設(shè)計(jì)洪水位（444.45 m）4.45 m，對應(yīng)的庫容差為651萬m3。流域內(nèi)逐小時(shí)實(shí)測降雨過程，如圖2所示。

圖29 月6日17時(shí)—9日16時(shí)流域降雨過程

4.2 預(yù)報(bào)調(diào)度方案構(gòu)建

基于洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，根據(jù)水庫位置以及數(shù)字高程模型繪制其集水區(qū)域范圍，利用分布式水文模型VIC構(gòu)建官昌水庫的入庫洪水計(jì)算方案，水庫出庫基于泄流能力曲線按照最大下泄能力泄流，計(jì)算步長為1 h。

4.3 抗暴雨能力計(jì)算

根據(jù)前文提出的抗暴雨能力計(jì)算方法，需要設(shè)計(jì)多個(gè)降雨過程得到P—W曲線。假定從數(shù)值降雨預(yù)報(bào)獲取未來3 d的降雨過程與實(shí)況一致，則可以計(jì)算3 d 72 h降雨的時(shí)程分配比例，并采用同倍比縮放的方式設(shè)置100、200、300、400、500、1 000 mm共6種降雨情景，根據(jù)這6種降雨情景計(jì)算水庫的入庫洪水過程、泄流過程和水位變化過程，如圖3—5所示。

圖36 種降雨情景下水庫入庫洪水過程

圖46 種降雨情景下水庫出庫流量過程

圖56 種降雨情景下水庫水位變化過程

從圖3—5可以看出，隨著設(shè)定降雨的增大，入

圖6300 mm降雨情景下水庫入庫、出庫流量和庫水位變化過程

表16 種降雨情景下的水庫最大凈增蓄量計(jì)算結(jié)果

序號(hào)降雨量/mm水庫最大凈增蓄量/萬m3123456 100 154 200 136 300 252 400 395 500 555 1 000 1 455

由圖7中的曲線可反查官昌水庫當(dāng)前（9月6日17時(shí)）水位與設(shè)計(jì)洪水位之間的庫容差608萬m3情況下能夠滯納529 mm的降雨，即官昌水庫在水庫敞泄方式情況下未來3 d的抗暴雨能力為529 mm。

4.4 實(shí)況驗(yàn)證

根據(jù)官昌水庫上游流域降雨實(shí)測結(jié)果，9月6日17時(shí)—9日16時(shí)實(shí)際降雨量為125.5 mm，遠(yuǎn)小于水庫抗暴雨能力529 mm。9日16時(shí)，官昌水庫水位漲至438.72 m，低于設(shè)計(jì)洪水位（444.50 m）5.78 m。

5 結(jié)論

通過官昌水庫抗暴雨能力計(jì)算可知，當(dāng)出庫流量增大至與入庫流量相同時(shí)，水庫水位達(dá)到最高值，此時(shí)水庫的凈增蓄量最大，即此時(shí)為水庫最大納雨庫洪水也相應(yīng)增加，同時(shí)庫水位和泄流量也相應(yīng)抬高和加大。對于1 000 mm降雨情景，水庫水位已漲至最高，因此下泄流量按照最大能力泄流。

以300 mm降雨情景為例（如圖6所示），給出了水庫的入庫流量、出庫流量和水庫水位的變化過程，可以看出：當(dāng)出庫流量增大至與入庫流量相同時(shí)，水庫水位達(dá)到最高值，此時(shí)水庫的凈增蓄量最大。6種降雨情景下的水庫最大凈增蓄量見表1，降雨－最大凈增蓄量曲線如圖7所示。能力，從而判斷出水庫最大抗暴雨能力，以便相關(guān)防汛部門及時(shí)采取調(diào)度措施，減少人民群眾生命財(cái)產(chǎn)損失，同時(shí)有利于水庫正常蓄水、發(fā)電等經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益最大化的實(shí)現(xiàn)。

圖7 降雨－最大凈增蓄量（P－W）曲線

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中圖分類號(hào)：TV697.1+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-7328（2017）03-0024-03

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2017.03.007

收稿日期：2017—02—11

作者簡介：車云竹（1990—），女，助理工程師，主要從事水文水資源技術(shù)工作。