小型水庫暴雨承載能力分析模型構建思路初探

閻詩佳

(遼寧省水利事務服務中心，遼寧 沈陽 110000)

1 小型水庫暴雨承載能力的概念及主要內容

1.1 小型水庫暴雨承載能力概念

小型水庫在降雨過程中，更多的是被動地承受暴雨和洪水，而不是主動地抗御暴雨，因此，在此定義暴雨承載能力更為恰當和準確。小型水庫的暴雨承載能力是指小型水庫在某一時刻庫容情況下能承載的最大雨強。在分析小型水庫的暴雨承載能力時，應根據小型水庫在該時刻的蓄水量及預報時段內的動態泄流量，把水庫在這一時刻能夠攔蓄的洪水總量作為暴雨洪水承載總量Wc。通過徑流量與徑流深關系R=W/0.1F計算，將暴雨洪水承載總量Wc折合成徑流深Rc，再運用產匯流計算方法，將其轉換成該流域的降雨量Pc，即為該小型水庫的在未來某時段能夠承載的最大降雨量，稱之為暴雨承載能力值。將暴雨承載能力值與預報降水強度Pf做對比，判斷小型水庫的安全程度。當氣象預報的降水強度小于暴雨承載能力時，即Pf

1.2 小型水庫暴雨承載能力分析主要內容

通過小型水庫暴雨承載能力的概念不難看出，小型水庫暴雨承載能力與水庫空余庫容和水庫的下泄能力直接正相關。水庫的空余庫容越小，其能夠攔蓄的洪水總量就越少，能夠承載的降水強度就越小，暴雨承載能力就越差，強降雨下承受的風險就越高。水庫的空余庫容越大，其能夠攔蓄的洪水總量就越多，能夠承載的降水強度就越大，暴雨承載能力就越強，強降雨下承受的風險就越低。水庫的下泄能力越強，其壩前可以調節的洪水量就越大，能夠承載的降水總量就越大，暴雨承載能力就越強。水庫的下泄能力越差，其壩前可以調節的洪水量就越小，能夠承載的降水總量就越小，暴雨承載能力就越差。小型水庫暴雨承載能力的分析計算需要分別分析預報時刻小型水庫的空余庫容折合的徑流深和下泄流量折合的徑流深，從而得到水庫能夠承載暴雨折合的總徑流深。在分析小型水庫能承載的最大雨強時，從水庫所在地區的產匯流情況入手，確定不同地區水庫流域的降雨徑流關系，最終計算得出總徑流深對應的折合降水量。綜上可得出，確定小型水庫暴雨承載能力主要從兩方面入手，其一是要確定水庫流域地區的降雨徑流關系，其二是要分析計算出水庫預報時刻空余庫容和下泄能力所能承受的總徑流深。在小型水庫暴雨承載能力模型構建過程中，需要根據不同小型水庫的不同流域特點具體分析。

2 水庫暴雨承載能力分析研究現狀

2.1 水庫洪水預報的主要方法

洪水預報主要有經驗相關模型和水文模型分析兩個主要方法。經驗相關模型主要采用降雨徑流相關法和合軸相關圖等。水文分析模型主要分為集總式水文模型和分布式水文模型，基于3S和計算機技術的發展以及水文信息化的不斷完善，全面考慮降雨和下墊面條件的分布式模型成為水文預報的主要模型[1]。國內外根據實際工作建立了新安江模型、雙超產流模型、河北雨洪模型、大伙房模型、水箱模型等，對于水庫洪水預報的研究較豐富[2]。

2.1.1 模型法水庫暴雨承載能力分析

對團結大型水庫進行抗暴雨能力分析時，采用新安江模型進行產匯流計算，率定模型參數，并針對不同土壤飽和狀態繪制的抗暴雨能力曲線，再通過內插法求得現時水位下的暴雨承載能力[3-4]。大伙房模型主要針對北方超滲產流地區，分為產流和匯流兩個部分，在東北地區大型水庫得到較好的應用[5]。這些模型法水庫暴雨承載能力的研究都是針對基礎資料比較全面準確的大型水庫進行的暴雨承載能力分析，對環境復雜、基礎設施薄弱的小型水庫并不完全適用。

2.1.2 圖解法水庫暴雨承載能力分析

利用圖解法分析水庫暴雨承載能力時通過繪制暴雨頻率—雨量、暴雨頻率—洪峰及暴雨頻率—洪水總量、暴雨頻率—起水位—洪水位等關系曲線進行計算。在確定以徑流系數為參數的洪水總量和水庫暴雨承載能力分析中，一般以流域植被狀況為依據，全方位、系統地對植物葉面截留、土壤含水量進行分析，確定其徑流系數，并計算確定得出匯流時間及洪水總量[6]。一般基于實測法，分析水庫多場次降雨過程的出入庫洪水量，繪制得到降雨量—洪水總量、洪水總量—泄流量、洪水總量—最大凈增蓄量關系曲線圖，通過圖解得到降雨量—最大凈增蓄量曲線與可容納空余防洪庫容作對比，求得未來一段時間的暴雨承載能力值。圖解法水庫暴雨承載能力的研究對水庫的基礎水文數據和資料要求較高，數據缺失或實測數據有較大誤差或錯誤都對分析計算結果有直接影響。更重要的是圖解法一般僅針對某一個水庫進行分析，而針對小型水庫點多面廣的特點，在暴雨承載能力分析時一般需要對流域內受強降水影響范圍內的多個水庫進行批量研判，應用圖解法具有一定的局限性。

2.1.3 快速評估法水庫暴雨承載能力分析

針對模型法和圖解法的局限性，同樣有部分研究針對模型進行了簡化，以達到批量計算、快速評估的目的。在中小型水庫抗御降雨的快速評估研究中，忽略泄量較小的泄水設施，將水庫分為超汛限運行水庫和正常運行水庫，分別對兩類水庫利用現有的參數進行分析計算，以此為基礎通過計算機編程即可實現大范圍的批量化預報[7]。此外，結合水文基礎信息庫的水雨情自動測報系統，參考大型水庫暴雨承載能力的分析方法，將其充分拓展至小型水庫計算，也能實現批量化預報過程[8]。這些小型水庫暴雨承載能力的快速評估研究方法過程雖然初步實現了批量化快速預報，但分析過程不夠系統，且分析預報的結果可靠性并未得到有效的驗證。

2.2 小型水庫暴雨承載能力研究方法總結

通過以上分析可以發現，面對小型水庫復雜的特點，現有的模型法、圖解法、快速評估法等水庫暴雨承載能力分析方法對小型水庫的分析和研究都具有局限性。對基礎資料差、范圍廣、情況復雜的小型水庫，還需要加強暴雨承載能力分析的系統性，強化模型構建的針對性，提高研究的可靠性。因此，要在總結全國各地大、中、小型水庫暴雨承載能力分析方法的基礎上，理清小型水庫暴雨承載能力研究方法，梳理分析模型構建思路。

3 小型水庫暴雨承載能力模型構建基本思路

針對小型水庫地理分布廣、自動化水雨情監測設備不完備、流域數據資料準確性不夠高等特點，在構建小型水庫暴雨承載能力分析計算模型的過程中應按照不同水庫的流域區域特性對其進行分區分類。通過實時數據資料分析計算小型水庫暴雨承載能力，構建小型水庫暴雨承載能力模型，從而得出預報時段小型水庫暴雨承載能力。

3.1 確定計算分區

在分析小型水庫地理流域和水文地質分布條件等特點的基礎上，考慮小型水庫規模小、分布廣、水文信息不全等特點，在建立模型時參照產匯流情況，對小型水庫進行分類，主要按照當地水文分區原則，分區域、分空間、分特點研究。

3.2 確定計算方法

將各個水文分區的降雨徑流參數作為主要計算基礎，確定不同水文分區的計算方法，計算不同類型分區的降雨徑流關系，分析降雨徑流深關系，建立不同分區的暴雨承載能力模型。參考飽和產流地區產流計算方法，可利用流域系數α、降水量P、流域實際蓄水量Pa，采用徑流計算公式計算降雨徑流關系，如式(1)：

R=P-(1/α-Pa)(1-e-αP)

(1)

式中：R為徑流深，mm；P為降雨量，mm；a為流域系數；Pa為流域實際蓄水量，104m3;C為計算常數，取2.71828。

(2)

部分流域地區還需要結合降雨徑流經驗相關圖綜合分析計算。

3.3 模型分析計算及精度驗證

以實測數據為基礎，以計算機技術為輔助，分別計算每座小型水庫預報時段的空余庫容和下泄能力折合的總徑流深Rt。以分區為基礎，分析不同類型分區的降雨徑流關系，計算得出小型水庫總徑流深Rt所對應的時段降雨強度，即求得小型水庫的暴雨承載能力值Pc。

3.4 模型精度驗證

分別按照模型計算分區、降雨級別等不同方式，對模型的精度進行驗證，確定模型應用的可行性。

3.5 建立暴雨承載能力預警

對比每座小型水庫的暴雨承載能力值Pc與時段預報的降雨量Pf，提前分析研判預報時段內小型水庫的安全運行狀態，并根據預報的降雨強度與暴雨承載能力值的差值大小發布不同等級的暴雨承載能力預警。

4 結 語

本文分析了小型水庫暴雨承載能力的概念，探索了暴雨承載能力分析模型構建的思路，針對小型水庫點多、面廣、管理體系不健全的特點，即保障了暴雨承載能力分析的批量化，減小了單一水庫逐個預報的限制，又提高了暴雨承載能力分析的準確性。通過加強小型水庫暴雨承載能力分析，不斷完善小型水庫的暴雨承載能力預報預警，為提高小型水庫安全運行、科學合理防汛調度決策、保障人民群眾生命財產安全提供了技術支持。在模型應用上，需要結合地區實際情況進行具體分析構建，并對模型的精度進行校驗，以不斷優化完善模型。在此基礎上，還需要構建小型水庫暴雨承載能力分析預警體系，建立運行保障機制，健全小型水庫暴雨承載能力分析體系。