中小型水庫抗暴雨能力分析

車云竹，張亞芳

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）

以福建官昌水庫為例，通過3 d實際降雨資料，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先采取調度措施提供有效信息，使防洪減災效果達到最大化，最終減少人民群眾生命財產損失。

中小型水庫；抗暴雨能力；水庫調度

水庫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。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動態值，與水庫所處流域當前下墊面情況、當前庫水位及調度方式、水庫防洪特征值以及降雨時空分布等因素均密切相關［1］。

隨著經濟社會的迅速發展，我國中小型水庫數量迅猛增加，尤其南方地區中小型水庫及堤壩工程數量越來越多、分布越來越廣，部分水庫納雨能力低，為了在未來降雨中預防其可能超過設計防洪限制水位，對其最大抗暴雨能力及時預判，為水庫和防汛部門預先采取調度措施提供及時有效的參考數據［2-3］，以福建官昌水庫為例，在統計分析基礎上，利用分布式水文模型VIC［4］構建水庫的入庫洪水計算方案并結合水文調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氣候，熱量豐富，雨量充沛，年平均降雨量1 400～2 000 mm，氣候區域差異較大，各氣候帶內水熱條件的垂直分異也較明顯。全省河流眾多，閩江為省內最大河流，其中沙溪是閩江重要支流之一，在沙縣境內，河長53 km，由西向東流向，水流湍急，水量季節性變化大。

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、灌溉為主兼顧發電的中型水庫，集水面積79.55 km2，設計洪水位444.5 m，總庫容2 442萬m3，供水設計流量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、匯流時間短、預見期短等特點。主汛期受降水、臺風等氣候條件影響，水庫防汛壓力大。

2 水庫抗暴雨能力計算方法

抗暴雨能力計算與降雨產匯流計算相比是個逆過程，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算，需要用試算的方法來反推［5］。具體而言，某座水庫當前水位下的抗暴雨能力計算步驟如下：

（1）構建預報調度模型。基于水文模型構建水庫入庫水量計算方案，并基于水庫調度方式設定水庫調度模型。

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

（3）設定降雨時程。由于未來降雨過程未知，在實際計算時，假定實際降雨的時程分配比例與數值降雨預報的時程分配比例相同，設定n個降雨量Pi（i=1，2，…，n），獲取未來一段時間（本文設定為3 d）數值降雨預報的時程分配比例，采用同倍比縮放的方式得到n個降雨過程。

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

（5）計算出庫洪水過程。將n個入庫過程分別輸入水庫調度模型得到n個出庫洪水過程qi（i=1，2，…，n）。

（6）計算降雨—最大凈增蓄量曲線。當入庫流量大于出庫流量時，水庫水位持續上漲，當出入庫平衡時水庫水位最高，此時水庫凈增蓄量最大，即水庫最危險。根據入庫洪水Qi和出庫洪水qi計算n個降雨過程對應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）計算水庫抗暴雨能力。基于步驟（6）得到的P－W曲線，根據步驟（2）得到的當前剩余防洪庫容ΔW，即可通過查線方法得到與之對應的降雨量，即為水庫當前水位下的抗暴雨能力C［6］。抗暴雨能力計算流程，如圖1所示。

圖1 水庫抗暴雨能力計算流程

3 水庫通用調度模塊計算原理

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

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

（2）能量守恒原理（圣維南方程組）。在水庫調度計算中，可簡化為水庫的蓄泄關系，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 水庫抗暴雨能力計算

以官昌水庫為例，將2016年9月6日17時—9日16時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 計算時段選定

2016年9月6日17時—9日16時，受臺風影響，官昌水庫流域出現一次較強降雨過程，累計降雨量126 mm。根據前文描述，設計計算時長為3 d，模擬起止時間為10日8時—13日8時。6日17時，官昌水庫水位440 m，蓄水量1 557萬m3，低于設計洪水位（444.45 m）4.45 m，對應的庫容差為651萬m3。流域內逐小時實測降雨過程，如圖2所示。

圖29 月6日17時—9日16時流域降雨過程

4.2 預報調度方案構建

基于洪水預報系統，根據水庫位置以及數字高程模型繪制其集水區域范圍，利用分布式水文模型VIC構建官昌水庫的入庫洪水計算方案，水庫出庫基于泄流能力曲線按照最大下泄能力泄流，計算步長為1 h。

4.3 抗暴雨能力計算

根據前文提出的抗暴雨能力計算方法，需要設計多個降雨過程得到P—W曲線。假定從數值降雨預報獲取未來3 d的降雨過程與實況一致，則可以計算3 d 72 h降雨的時程分配比例，并采用同倍比縮放的方式設置100、200、300、400、500、1 000 mm共6種降雨情景，根據這6種降雨情景計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算結果

由圖7中的曲線可反查官昌水庫當前（9月6日17時）水位與設計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 實況驗證

根據官昌水庫上游流域降雨實測結果，9月6日17時—9日16時實際降雨量為125.5 mm，遠小于水庫抗暴雨能力529 mm。9日16時，官昌水庫水位漲至438.72 m，低于設計洪水位（444.50 m）5.78 m。

5 結論

通過官昌水庫抗暴雨能力計算可知，當出庫流量增大至與入庫流量相同時，水庫水位達到最高值，此時水庫的凈增蓄量最大，即此時為水庫最大納雨庫洪水也相應增加，同時庫水位和泄流量也相應抬高和加大。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：當出庫流量增大至與入庫流量相同時，水庫水位達到最高值，此時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，以便相關防汛部門及時采取調度措施，減少人民群眾生命財產損失，同時有利于水庫正常蓄水、發電等經濟效益、社會效益最大化的實現。

圖7 降雨－最大凈增蓄量（P－W）曲線

[1]劉冰.小型水庫抗雨能力分析預測[J].吉林水利，2015（5）: 59-62.

[2]陳鴻文.中小型水庫最大納雨能力快速估算研究[J].廣東水利水電，2014（1）:33-34.

[3]張立明.淺析不同預設條件下的水庫抗暴雨能力計算[J].內蒙古水利，2016（1）:18-19.

[4]詹道江，葉守澤.工程水文學[M].北京:中國水利水電出版社，2000.

[5]潘丕元，王欽.海城市中小型水庫抗洪能力計算方法的對比分析[J].水利科技與經濟，2008，14（5）:402.

[6]莊稼.小型水庫抗洪能力復核及處理方案分析[J].湖南水利水電，2009（3）:55-57.

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1004-7328（2017）03-0024-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.03.007

2017—02—11

車云竹（1990—），女，助理工程師，主要從事水文水資源技術工作。