基于預報調度模型的遼寧地區水庫抗暴雨能力計算分析

辛宏章

(遼寧巨隆達建設工程管理咨詢有限公司，沈陽 110003)

一個完善的防洪減災非工程體系在國內外尚沒有先例，因而，如何利用系統論和科學的方法進行防洪減指揮系統災關鍵技術研究，形成完備的遼寧省防洪減災決策體系，充分發揮水利防洪工程體系的綜合最大化作用，就成為一個全新的課題。近些年來，對于水庫抗暴雨能力取得一定研究成果，但基于預報調度模型的水庫抗暴雨能力的研究還較少，為此文章從水庫安全度汛的角度出發，結合預報調度模型，以遼寧鐵嶺地區水庫為計算實例，對區域內兩個水庫進行基于預報調度模型的水庫抗暴雨能力力的研究，研究成果對合理制定水庫防洪調度方案，確定流域防洪減災決策具有重要的積極意義[1-3]。

1 研究思路

1.1 抗暴雨能力計算原理

水庫抗暴雨能力，表示為在當前防洪庫容條件下通過預報調度可以承受的最大降雨量。當水庫不承擔下游防洪任務或預報降水量較大、按最不利情況考慮時，設計標準洪水是維持水庫正常運用能抵御的最高標準洪水[4-6]。設計標準洪水對應的降水量可作為水庫能夠抵御的最大凈雨量。這部分凈雨量與水庫集水區能夠存蓄降水之和，即為水庫抗暴雨能力。

在暴雨來之前，水庫實際情況下水位可能低于汛限水位。按照最不利情形進行假定：當實時庫水位低于汛限水位，水庫不泄流；當庫水位處于設計高水位和汛限水位之間時，按照預報調度規則進行水庫能夠抵抗的最大暴雨量：

P凈=(VZ汛-VZ0)/F+W設/F

(1)

式中：P凈為表示為水庫能夠抵抗的凈雨最大值，mm；VZ訊為防洪庫容，萬m3；VZ0為實時庫水位對應的水庫庫容，萬m3;W設為設計洪水總量，萬m3;F為壩址以上控制面積，km2。

飽和產流區水庫抗暴雨能力以全面產流為主，凈雨量與前期土壤含水量以及降水量相關，其計算方程為：

P凈=R=P-(Im-Pd)

(2)

則水庫抗暴雨能力為：

P抗=P凈+(Im-Pa)

(3)

式中：P抗為水庫抗暴雨能力，mm；P凈為水庫能容納的凈雨量，mm，Im為流域蓄水容量，mm；Pa為前期影響雨量，mm。

對于非飽和產流域，凈雨量除與降水、前期影響雨量有關外，還與下滲能力有關。凈雨形成量及過程需用水文模型計算。為計算簡單，本節引入徑流系數，對計算方式進行簡化。

超滲產流區凈雨量計算公式為：

P凈=P×φ

(4)

式中：P凈為水庫能容納的凈雨量，P為降水量；φ為徑流系數。則超滲產流區抗暴雨能力計算公式為：

P抗=P凈/φ

(5)

各參數意義同前。

1.2 計算步驟

1)入庫預報和調洪演算：基于水文模型對入庫洪水進行計算，并結合調度模型對水庫進行調洪要素。

2)防洪庫容剩余量計算：基于實時庫水位和水位-庫容曲線對當前水位下的庫容(W0)進行確定，并分析其與設計庫容(Z設)和防洪高庫容(Z洪)之間的差值，確定防洪庫容剩余量(ΔW)。

3)結合氣象預報降雨過程，根據歷史典型暴雨選擇偏不利雨型或者按氣象預報降雨分配過程進行雨量分配，結合分配比例采用同倍比得到模擬的降雨過程。

4)結合步驟(1)對入庫水量和n 場降雨過程下的洪水過程程QINi(i=1,2,…,n)進行計算。

5)調洪演算：將步驟(4)的洪水過程進行調洪演算，得到不同入庫條件下的洪水出庫過程QOUTi(i=1,2,…,n)。

6)確定降雨對應的蓄水量變化的最大值：當出庫流量高于入庫流量，庫水位遞增，庫水位最大值為水庫出入水量平衡，此時水庫蓄水變化最高。結合出、入庫洪水過程對其降雨對應的蓄水量最大值進行分析，確定確定降雨對應的蓄水量變化的最大值。

7)水庫抗暴雨能力計算：結合步驟(6)及步驟(2)得到蓄水變化最大值對應的降水以及防洪庫容防洪庫容剩余量(ΔW)，確定對應的降水量最大值，即為當前庫水位條件下水庫能抵抗的最大暴雨量(C)。

2 計算實例

2.1 水庫概況

文章選擇榛子嶺水庫為例，進行飽和產流區水庫抗暴雨能力計算實例研究，選擇紅山水庫為例，進行非飽和產流區抗暴雨能力計算實例研究。榛子嶺水庫位于遼河一級支流凡河上，為飽和產流區。水庫建成于1979年，壩址位于鐵嶺市鐵嶺縣大甸子鎮，壩上集水面積369km2。總庫容1.8622億m3，為多年調節大型水庫。榛子嶺水庫死水位175.60m，汛限水位192.60m，正常高水位193.80m，設計洪水位196.61m，校核洪水位197.87m。水庫死庫容7.0百萬m3，興利庫容124百萬m3，調洪庫容86.6百萬m3，設計庫容175百萬m3。 水庫按照100a一遇設計，5000a一遇校核。設計洪峰流量1960 m3/s，設計洪水總量1.23億m3。水庫為開敞式溢洪道，堰頂高程190.0m，最大泄量1805 m3/s。

紅山水庫位于遼河支流招蘇臺河流域，處于招蘇臺河二級支流紅山河上，為非飽和產流區。紅山水庫建成于1970年，壩址位于鐵嶺市昌圖縣泉頭鎮紅山堡村，壩上集水區面積105km2，總庫容27.48百萬m3，為多年調節中型水庫。紅山水庫死水位138.66m，汛限水位142.58m，正常高水位142.58m，設計洪水位146.03m，校核洪水位147.55m。水庫死庫容2.0百萬m3，調洪庫容18.43百萬m3，設計庫容27.48百萬m3。紅山水庫按100a一遇設計，1000a一遇校核。設計洪峰流量790m3/s，設計洪水總量2643萬m3。汛期限制水位定為142.58m，汛期輸水洞參與調洪，當水庫水位超過汛限水位142.58m時，輸水洞開閘泄洪，已降低庫水位，確保大壩安全。

2.2 設計雨型的選擇

榛子嶺水庫為飽和產流區。洪水預報模型中，產流采用蓄滿產流模型，匯流采用單位線匯流。產流參數Im=150，b=0.30。以2012年典型暴雨過程為例對榛子嶺水庫抗暴雨能力進行分析，結合水庫抗暴雨能力計算步驟和水庫特性，設定9個降水等級(每隔50mm遞增一級)，按照最不利條件對榛子嶺水庫抗暴雨能力進行計算[7-9]。

以2012年典型暴雨過程為例對紅山水庫抗暴雨能力進行分析。前期影響雨量Pa為95mm。結合水庫抗暴雨能力計算步驟和水庫特性(每隔50mm遞增一級)。降水過程按不利情況考慮，兩個水庫雨型分配如圖1所示。

圖1 設計雨型過程

2.3 飽和產流區榛子嶺水庫抗暴雨能力計算結果

在上述雨型分配假定下，采用新安江模型計算8個降水等級的水庫入庫洪水過程，榛子嶺水庫調度規則如下：

1)庫水位高于108.0m，下游遼河有錯峰要求時，關閘錯峰；無錯峰要求時，輸水洞泄量200 m3/s。

2)庫水位高于110.5m時，停止錯峰，輸水洞全開泄流。

3)庫水位高于111.8m時，開輸水洞和2孔溢洪道泄流。

4)庫水位高于112.0m時，開輸水洞和4孔溢洪道泄流。

結合水位-庫容關系曲線、水位-泄量關系曲線及調度規則，對榛子嶺水庫在不同降水量級入庫洪水條件下進行模擬調度調節，確定各降水條件的水庫最高蓄水位，分析降水-最大蓄水位關系圖，其中水庫起調水位為2019年8月10日8時水位。結合調度規則和入庫洪水計算結果對榛子嶺水庫抗暴雨能力進行計算，結果見表1。

表1 預報調度下榛子嶺水庫抗暴雨能力計算結果

2.4 非飽和產流區紅山水庫抗暴雨能力計算結果

紅山水庫調度規則如下：汛期限制水位定為142.58m，汛期輸水洞參與調洪，庫水位高于汛限水位142.58m時，快速降低水庫水位以保證水庫安全。以水庫入庫過程為基礎，結合水位-庫容關系曲線、水位-泄量關系曲線及調度規則，對柴河水庫在不同降水量級入庫洪水條件下進行模擬調度調節，確定各降水條件的水庫最高蓄水位，分析降水-最大蓄水位關系圖[10-12]。其中水庫起調水位為2019年8月10日8時水位。結合調度規則和入庫洪水計算結果對紅山水庫水庫抗暴雨能力進行計算，結果見表2。

表2 預報調度下紅山水水庫抗暴雨能力計算結果

3 應用結論

不考慮水庫調洪的抗暴雨能力計算結果一般偏小，而以水庫設計值抗暴雨能力計算不利于下游河道的防洪安全。為此文章建立的基于預報調度模型的抗暴雨能力計算可解決上訴兩種的抗暴雨能力計算的局限，通過模擬不同水庫來水量，結合水庫調度規則，充分考慮下游河道防洪安全的前提下，優化水庫出庫過程，得到不同降水量下水庫蓄水位最高值，并確定其對應的最大降雨量，從而精準確定水庫抗暴雨能力。該方法適用于有預報方案，且調度規則復雜的重要水庫。