水庫抗暴雨能力研究
——以溧水方便水庫為例

白 丹

(上海勘測設計研究院有限公司，上海 200335)

1 引言

我國降水量時間和空間分布不均，長期以來頻繁發生的旱澇災害嚴重威脅了人類生命和財產[1]。新中國成立以來，為控制和解決洪澇災害帶來的問題，開始興建水庫、大壩等水利工程設施。到目前為止，據水利部數據統計，2017年，全國已建成的水庫共有98795座，總庫容9035億m3。其中：大型水庫732座，總庫容7210億m3，占全部總庫容的79.8%；中型水庫3934座，總庫容111億m3；小型水庫數量居多，有94129座，占總水庫的95%[2]。

隨著近幾年防汛抗洪工作及水利工程設施的不斷完善，一些大型水庫存在的問題已經得到了有效的解決，但是數量眾多的中小型水庫依然存在出險致災、洪水預報預警能力薄弱等問題[3]。大多數中小型水庫修建于新中國成立之初，工程設計標準低，無法抵御特大洪水，建設方式缺乏科學性和規范性[7]，所以一直以來出現的中小河流災害嚴重的問題，不但與區域內突發性高強度暴雨、洪水來水洶涌有關，更多的與中小河流自身的防洪能力不夠有關[4～7]。

抗暴雨能力是近幾年提出的概念，相關研究相對較少，通常認為抗暴雨能力是指：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最大降雨量[8]。對其的研究也大多停留在靜態計算，但是水庫都是動態變化的，所以靜態計算具有局限性；另外對降雨的預報只是基于所獲取的地面降雨，對預報降雨沒有考慮降雨的時程分配和空間分布[9～15]，本文將以方便水庫為例，從該水庫的動態變化、降雨時程分布等方面進行研究。

2 研究方法

對于水庫的抗暴雨能力計算，其計算流程圖如圖1所示，具體步驟如下。

(1)設定若干不同量級降雨：假定n個降雨量Pi(i=1，2，3…n)，根據水庫實際降雨，這里假定不同量級降雨量分別為25 mm、50 mm、100 mm、200 mm、250 mm、300 mm、400 mm、500 mm、1000 mm。由于未來降雨過程未知，在實際計算時，不同雨型的典型降雨通過同倍比縮放得到n個降雨過程。

(2)模型預報得出入庫洪水過程：基于水庫流域參數構建新安江入庫洪水預報方案，將通過假定的量級降雨按時程分配得到的降雨過程輸入構建的入庫洪水預報方案中，即可計算得到n個降雨過程對應的n個入庫洪水過程Ii(i=1，2，3…n)。

(3)設定水庫調度模式：在文中方便水庫按照防洪調度規則計算。

(4)出庫流量的計算。方便水庫的調度方式是規則調度，要計算出庫流量可根據水庫的防洪調度規則進行推算。同時根據新安江洪水預報所得的入庫洪水，通過水量平衡公式計算可得到出庫洪水過程Qi(i=1，2，3…n)。

基于水庫水量平衡，在某一段時間里，入庫的水量減去出庫水量等于這段時間里水庫增加或減少的水量，當入庫水量大于出庫水量時為增加量；入庫水量小于庫水量時為減少量。水量平衡方程如下：

(1)

(2)

(5)計算并繪制P～W曲線：剛開始降雨時，僅有入庫流量，出庫流量為零，隨著降雨增大，水庫水位不斷上漲，出庫流量也逐漸增大，在出庫流量和入庫流量達到相等時，即水位處于動態平衡，此時庫水位對應的凈增蓄量達到最大值，認為在此時水庫處于最危險的狀態，此時水庫能抵御洪水的能力，就是此狀態下水庫的抗暴雨能力。

(6)計算剩余防洪庫容。水庫起始水位對應的庫容就是設計水位下的庫容減去起始水位對應的庫容，二者的庫容差就是當前剩余防洪庫容W。

(7)計算水庫抗暴雨能力：基于P～W曲線，根據上述方法得到的剩余防洪庫容W，查找繪制的P～W曲線得到此時W對應的P，這個P就是該水庫的抗暴雨能力。

3 實例分析

本文以方便水庫為例。

方便水庫位于南京市溧水區東部的低山丘陵區，是秦淮河支流二干河的上游。庫區周邊地形起伏不大，以平原和丘陵山區為主，東蘆山、湫湖山、雙尖山等是庫區周邊主要山體，海拔高度200～270 m，山脊線起伏不大。水庫匯水區域為山丘區，其集水面積為77.1 km2，干流長度為16.86 km，干流比降為0.0023。方便水庫壩頂高程31.70 m，壩頂寬6.60 m，壩長1077 m，水庫溢洪閘為3孔×2.5 m，閘底高程23.00 m，總庫容4900萬m3，設計洪水標準是50年一遇，校核洪水標是千年一遇。

方便水庫特征水位見表1。

表1 水庫主要特征指標

本次計算選取三場典型降雨，分別選取主汛期降雨集中、雨量大的降雨場次，三場典型降雨雨峰分別位于整場降雨的前、中、后的位置。觀察所選擇的典型降雨，從典型降雨中選取起始水位作為起調水位，分別為26.09 m、25.52 m、25.76 m。場次的選擇如下。

采用同倍比縮放的計算方法來計算不同量級降雨在72 h內的降雨過程。由于三場降雨都發生在主汛期，所以在這里假設降雨過程一致。

表2 方便水庫典型降雨場次編號

從上述可知：當開始降雨時，僅有入庫流量，出庫流量為零，隨著降雨增大，水庫水位不斷上漲，出庫流量也逐漸增大，在出庫流量和入庫流量達到相等時，即水位處于動態平衡，此時庫水位對應的凈增蓄量達到最大值。計算N1、N2和N3三種不同雨型下的水庫最大凈蓄水量，繪制P～W曲線。

計算N1、N2和N3相對于設計水位下的剩余庫容分別為1500萬m3、1795萬m3和1678萬m3，相對于校核洪水位下的剩余庫容分別為2717萬m3、3012萬m3、2895萬m3，根據上述方法繪制的P～W曲線，已知W查找P，即可得到當前剩余防洪庫容對應的可容納降雨量，結果見表3。

表3 N1、N2、N3抗暴雨能力結果

由表3可知，N1起調水位為26.09 m，此時設計水位下可以容納未來三天的降雨量為400 mm，而實際降雨量為124.5 mm，可見可容納雨量遠大于實際雨量；N2起調水位為25.56 m，此時設計水位下可以容納未來三天的降雨量為384 mm，而實際降雨量為140 mm，可見可容納雨量遠大于實際雨量；N3起調水位為25.76 m，此時設計水位下可以容納未來三天的降雨量為349 mm，而實際降雨量為90.5 mm，可見可容納雨量遠大于實際雨量。三種不同雨型下可容納的雨量遠遠大于實際雨量，所以水庫及水庫下游設施是安全的。

從表3可以看出在防洪調度規則下，方便水庫N1、N2和N3產生的徑流開始入庫時未來72 h防洪高水位對應的抗暴雨能力分別為613 mm、594 mm、546 mm。由以上分析表明水庫可以抵抗這三場典型降雨。

故可知在防洪調度規則下，N1和N2當降雨量超過100 mm時才有下泄流量，N3當降雨量超過200 mm時才有下泄流量，當有泄流時入庫流量和出庫流量達到相等，這時對應的庫水位達到最大值，即達到最大凈增蓄水量；沒有下泄流量時，入庫流量增大，庫水位也隨之增大，直到降雨結束，庫水位達到最大值，得到最大凈增蓄水量。

4 結論

(1)計算不同雨型對應量級降雨的抗暴雨能力。結果表明起調水位越低，出庫流量越大，設計水位下能承受的降雨量就越大，水庫度汛就越安全。對方便水庫抗暴雨能力的計算結果遠大于實際降雨，水庫抗暴雨能力計算的合理。入庫洪水過程受雨型的影響，入庫流量變化，對應的出庫流量和庫水位也隨之變化，故得到的水庫抗暴雨能力也會不同。

(2)水庫抗暴雨能力對水庫的防洪調度非常重要，可以提前預知出庫流量的峰值及峰值出現的時間，提前給水庫管理員提供信息，讓下游需要保護的工程及設備提前做好準備，避免造成人身安全和經濟損失。