大中型水庫抗暴雨能力計算方法

馬云峰

遼寧省河庫管理服務中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003

1 基本情況

1.1 大中型水庫防汛作用

遼寧省現有大中型水庫106座，總庫容173.10億m3，總調洪庫容84.60億m3，興利庫容93.70億m3。這些水庫與下游河道堤防相結合形成的防洪體系，在各個流域的防洪中發揮著重要作用，可基本保證城市和重要河段的防洪安全。例如：渾河上的大伙房水庫，觀音閣水庫、葠窩水庫，大凌河上的閻王鼻子水庫等，均對下游城市汛期防洪減災起著重要作用。

1.2 大中型水庫抗暴雨能力計算的必要性

1.2.1 防汛形勢新要求

隨著經濟社會的發展，許多河流兩岸的保護對象越來越集中、越來越重要，流域防洪體系在保護人民生命財產安全中發揮的作用也越來越大。近些年遼寧省對防洪薄弱環節加大投資，開展了一大批水庫除險加固、河道整治工程建設，流域防洪能力得到了明顯提升。但如何更有效地發揮防洪工程特別是大中型水庫的防洪效益，對水庫防汛工作提出了新的要求。另外，近幾年遼寧省汛期臺風頻發，2020年甚至出現了10日內3次臺風來襲的極端天氣，防汛形勢越發嚴峻。開展大中型水庫抗暴雨能力計算，提高精準防汛能力，是利用現代化手段進行科學研判和正確決策的重要手段。

1.2.2 水庫調度的重要參考

目前，中國氣象部門3日內降雨預報精度已較高，對水庫而言，如果能在強降雨來臨前就計算出當前剩余防洪庫容能夠滯納的降雨量，再對比氣象部門發布的降雨預報，盡早發布預警并適當調整水庫調洪方式，從而最大限度地減少水庫由于調度不及時而出現的潰壩或上下游淹沒等問題。通過系統分析全省大中型水庫的抗暴雨能力，為各水庫防汛調度提供參考，可提高防汛決策的科學性和時效性。特別是對于一些中型水庫，由于水庫經濟效益不高，管理經費不足，而且沒有國家專項資金支持，維修養護不及時，更需要參考抗暴雨能力控制運行。

2 大中型水庫抗暴雨能力影響因素

2.1 流域當前下墊面情況

水庫所在流域下墊面情況，即前期降雨量和土壤飽和度，土壤能夠承納的降雨越多，則匯入水庫的降雨量越小，水庫的抗暴雨能力就越大。遼寧省東部山區屬長山白余脈，植被覆蓋率較高，土壤保水性好，而遼西山區植被覆蓋差，土壤水分蒸發快，同等降雨量遼東山區水庫抗暴雨能力小于遼西地區。

2.2 當前庫水位

水庫水位越高，剩余庫容越小，所能承納的降雨量越小，抗暴雨能力就越小。因此，汛期要嚴密監視水庫水位，在強降雨前采取措施降低水位，騰出足夠庫容，提高水庫抗暴雨能力。

2.3 水庫調度方式

調度方式決定了水庫的泄洪能力，泄洪越快則抗暴雨能力越大。但與小型水庫不同，大中型水庫最大特點是大多具有溢洪道閘門，汛限水位一般高于堰頂高程，汛期需要重點考慮調度方式和起調水位。另外，水庫的下泄流量需要考慮下游河道的行洪能力，溢洪道泄量直接決定水庫降雨承納能力。

2.4 降雨過程

由于不同流域下墊面的植被保水率、土壤特性及含水率不同，不同的降雨過程和降雨量會導致不同的產流過程和產流量。例如：在遼西地區，一些地方雖然土壤含水低較低，但若遇高強度短歷時降雨，土壤可能形成“土蓋”，土壤未飽和便開始產流，形成較大的產流量；而遇長歷時較均勻的降雨過程，則大部分的降雨可能會下滲或蒸發，反而產生較少的徑流量。

3 大中型水庫抗暴雨能力計算方法

根據大中型水庫抗暴雨能力影響因素，結合水庫工情，抗暴雨能力計算過程分為以下5步，如圖1所示。

圖1 水庫抗暴雨能力分析技術路線圖

3.1 水庫24 h設計面暴雨推求

3.1.1 直接法計算

當水庫以上流域內長期雨量站分布較密，可根據水庫以上流域內各年的年最大24 h面雨量系列直接進行頻率分析計算，得出各重現期的24 h設計面雨量。

3.1.2 間接法計算

對于無雨量站或雨量資料短缺的大中型水庫，由《遼寧省中小河流(無資料地區)設計暴雨洪水計算方法》中查得流域重心24 h暴雨均值、Cv值、點面折減系數，進而計算各重現期設計24 h面暴雨。

3.2 水庫不同量級降雨對應的洪水過程線推求

3.2.1 劃分暴雨量級

水庫24 h面暴雨量級從50 mm開始，按50 mm逐級遞增，大部分水庫最大降雨量級做到500 mm，降雨高值地區的最大降雨量級可做到1 000 mm。

3.2.2 收集洪水過程線

收集水庫初步設計或除險加固設計中采用的設計洪水及設計洪水過程線，補全各頻率設計洪水及設計洪水過程線。

3.2.3 推求量級暴雨對應洪水過程線

假定設計暴雨與設計洪水同頻，依據水庫24 h設計面暴雨、各重現期設計洪水及洪水過程線成果，用內插法推求不同量級24 h面降雨對應的洪水過程線。

3.3 不同飽和情況暴雨徑流相關圖的繪制

統計水庫站或水文站歷年場次24 h面降雨、降雨開始時刻土壤含水量及三日洪量，一年可選多場，三日洪量指由本場24 h降雨形成的三日洪量，即由統計的三日洪量減去前次洪水的退水量。其中土壤含水量Pa計算按下式計算：

Pa,t=KPa,t -1+ K2Pa,t -2+ …+ KnPa,t -n

(1)

式(1)中，Pa,t為前期影響雨量；Pa,t -1為上一天的Pa值；n統一取15 d；K統一取0.85。

當所計算出來的Pa值大于Imax時，則Pa值取Imax，各水庫及水文站Imax參考《遼寧省中小河流(無資料地區)設計暴雨洪水計算方法》中各水文分區數值。不同飽和情況分為三級，即降雨開始時刻的土壤含水量Pa=0 mm、Pa=0.5Imax及Pa=Imax。飽和狀態下按24 h降雨全部形成三日洪量考慮，相關線為45度線。

水庫資料條件好的大型水庫可直接繪制本水庫的降雨徑流相關圖，無實測流量資料或資料不足的水庫，先繪制附近參證水文站的降雨徑流關系圖，考慮降雨及徑流的地區差異性，進行相關的分析處理，轉換成水庫的降雨徑流相關圖。降雨徑流相關圖中的Pa等值線根據實測點據用目估內插法求出。

3.4 不同飽和情況不同量級降雨對應的洪水過程線推求

不同飽和情況不同量級的24 h降雨，由水庫降雨徑流相關圖查得相應的三日洪量，與水庫各重現期3日洪量比較，用內插法推算不同飽和狀態不同量級降雨對應的洪水過程線。

3.5 水庫調洪演算及抗暴雨能力分析

水庫洪水調度方式采用已批復的水庫設計報告、除險加固設計報告或度汛方案中確定的調度方式。對于單個水庫而言，采用二分迭代法進行水庫調洪演算，分別按照考慮壩體安全、考慮下游控制泄量情況下，特定工況某一起調水位下的降雨量級和最高水位關系圖。為便于成果使用，抗暴雨能力分析，在可能暴雨分析基礎上，采用逐級試算法，給出不同工況下的水庫洪水調節成果，并給出最大抗暴雨能力級別。

4 結語

防汛決策是關系國計民生的大事，而水庫防洪調度作為防汛決策的重要部分，具有很強的時效性要求，需要實時預報，滾動修正調度。大中型水庫抗暴雨能力計算結果可作為水庫汛期調度決策的重要參考，一定程度上彌補防汛預報調度短板。在實際應用中，一場洪水調度過程中的水庫最高水位、下游最大泄量、調度期末水庫水位等都需要綜合考慮。