遼寧省小型水庫(kù)抗暴雨洪水能力計(jì)算方法分析

邢 亮

(昌圖縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 鐵嶺 112599)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，遼寧省已建小型水庫(kù)共673座，其中小(1)型、小(2)型水庫(kù)269座和404座，庫(kù)容7.86億m3和1.26億m3，總庫(kù)容9.12億m3。20世紀(jì)50-80年代屬小型水庫(kù)集中興建時(shí)期，受當(dāng)時(shí)管理水平、施工技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件等因素限制建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)普遍偏低，難以保證工程質(zhì)量[1-3]。目前，經(jīng)過(guò)五六十年的服役運(yùn)行這些水庫(kù)的一些先天問(wèn)題，始終難以從根本上得以系統(tǒng)修復(fù)，汛期遇強(qiáng)降雨水庫(kù)運(yùn)行存在較大風(fēng)險(xiǎn)，極易發(fā)生險(xiǎn)情[4]。此外，遼寧省大多數(shù)小型水庫(kù)建于山區(qū)，其中50%以上的集雨面積不超過(guò)5km2，強(qiáng)降雨期間洪水入庫(kù)急、匯流時(shí)間短、水位快速上漲，加之缺少溢洪道閘門(mén)，絕大多數(shù)小型水庫(kù)短時(shí)間內(nèi)難以騰庫(kù)迎洪。因此，小型水庫(kù)面臨著嚴(yán)峻的防汛形勢(shì)，如何精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)水庫(kù)防洪能力逐漸成為強(qiáng)降雨防御工作的關(guān)鍵。近年來(lái)，為科學(xué)決策水庫(kù)防汛調(diào)度，領(lǐng)域內(nèi)學(xué)者積極探索抗暴雨能力計(jì)算方法，并為水庫(kù)防汛工作提供重要支持[5-8]。2021年汛期，遼寧省經(jīng)歷了多輪強(qiáng)降雨和臺(tái)風(fēng)“煙花”降雨過(guò)程，其間發(fā)出各類(lèi)預(yù)警信息近4600余條，計(jì)算抗暴雨能力500余座次，為小型水庫(kù)的安全運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的保障。

1 抗暴雨洪水計(jì)算方法

1.1 基本思路

水庫(kù)抗暴雨能力是指在現(xiàn)有調(diào)度方式和流域下墊面條件下，水庫(kù)剩余庫(kù)容可以承納的降雨量多少，所以水庫(kù)抗暴雨能力與剩余庫(kù)容、調(diào)度方式、流域下墊面條件密切相關(guān)[9]。其中，水庫(kù)水位越高則剩余庫(kù)容越小，其所能承納的降雨量及抗暴雨能力就越小，為提高水庫(kù)抗暴雨能力要嚴(yán)密監(jiān)視汛期水位確保在強(qiáng)降雨前騰出足夠的庫(kù)容；水庫(kù)泄洪能力主要取決于調(diào)度方式，水庫(kù)抗暴雨能力隨泄洪速度的加快而增強(qiáng)，考慮到大多數(shù)小型水庫(kù)缺少溢洪道閘門(mén)的實(shí)際情況，故水庫(kù)的降雨承納能力直接取決于溢洪道泄流量；實(shí)際上，土壤飽和度與前期降雨量即流域下墊面條件，土壤承納的降雨越多則匯入水庫(kù)的雨量就越小，相應(yīng)的水庫(kù)抗暴雨能力越強(qiáng)[10]。遼東山地丘陵區(qū)植被覆蓋率整體偏高，土壤具有較好的保水性，遼西低山丘陵區(qū)土壤水分蒸發(fā)快，植被覆蓋相對(duì)較低，降雨量相同情況下遼西地區(qū)的水庫(kù)抗暴雨能力高于遼東低山丘陵區(qū)。

1.2 計(jì)算方法

1)不考慮泄洪的計(jì)算方法。對(duì)于無(wú)溢洪道的小型水庫(kù)無(wú)需考慮其泄流量，將水庫(kù)起始水位與設(shè)計(jì)洪水位之間的庫(kù)容差所對(duì)應(yīng)的降水量，即水庫(kù)集水區(qū)剩余土壤含水量與水庫(kù)能夠抵御的最大凈雨量之和作為設(shè)計(jì)洪水位對(duì)應(yīng)的抗暴雨能力[11]，其計(jì)算式為：

(1)

P抗=f(R凈·Pa)

(2)

式中：R凈為一次洪水總量折算后的凈雨量，mm；V設(shè)為設(shè)計(jì)洪水位對(duì)應(yīng)庫(kù)容，m3；V起為水庫(kù)起始蓄水量，m3；F為集雨面積，m2；Pa為當(dāng)日前期降雨量，mm；P抗為抗暴雨能力，mm；f為表降雨徑流系數(shù)；

2)考慮設(shè)計(jì)洪量的計(jì)算方法。對(duì)于有溢洪道的小型水庫(kù)應(yīng)考慮其泄流量，將設(shè)計(jì)洪水總量與訊限水位以下可蓄水量之和減去溢洪道已放出溢洪總量所對(duì)應(yīng)的降水量，即水庫(kù)集雨面積內(nèi)剩余土壤含水量與水庫(kù)能夠抵御的最大凈雨量(降水量)之和作為水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位對(duì)應(yīng)的抗暴雨能力[12]，其計(jì)算式為：

(3)

式中：R凈為一次洪水總量折算后的凈雨量，mm；V汛為訊限水位對(duì)應(yīng)的庫(kù)容，m3；W設(shè)為設(shè)計(jì)洪水總量，m3；W起為溢洪道泄洪量，m3；P抗計(jì)算式同式(2)，其它參數(shù)同上。參照水庫(kù)所在水文分區(qū)降雨徑流關(guān)系和無(wú)資料地區(qū)河流設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法確定降雨徑流關(guān)系f()，以代表站成果計(jì)算當(dāng)日前期降雨量Pa，其表達(dá)式為：

Pa，t=K(Pa,t-1+Pt-1-Rt-1)

(4)

式中：Pa，t為前期影響雨量，mm；Pa，t-1為前一天的Pa值，mm；Pt-1為前一天降雨量，mm；Rt-1為前一天降雨量Pt-1產(chǎn)生的徑流深，mm；K為日折減系數(shù)。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 臺(tái)風(fēng)“煙花”防汛形勢(shì)

7月29日，據(jù)遼寧省氣象臺(tái)預(yù)計(jì)第6號(hào)臺(tái)風(fēng)“煙花”將于29日登陸沿海地區(qū)，預(yù)計(jì)其影響較重的地區(qū)有丹東、葫蘆島、撫順等地，雨量可以達(dá)到大暴雨(100-200mm)，個(gè)別鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)還會(huì)有特大暴雨(250-300mm)；其次錦州、阜新、本溪、朝陽(yáng)及建昌雨量也不小，會(huì)有暴雨(50-100mm)，局部有大暴雨(100-250mm)；大連、盤(pán)錦、遼中、康平、法庫(kù)、新民、臺(tái)安、岫巖有大雨(25-50mm)，局部有暴雨(50-100mm)，其他地區(qū)有中雨(10-25mm)。受前期降雨疊加效應(yīng)影響遼東地區(qū)庫(kù)水位普遍上漲，當(dāng)日超訊限水位運(yùn)行的小型水庫(kù)就有20座，此時(shí)大部分地區(qū)降雨徑流明顯，流域下店面已達(dá)到蓄水飽和狀態(tài)，水庫(kù)面臨著十分嚴(yán)峻的防臺(tái)風(fēng)形勢(shì)。對(duì)于防汛防臺(tái)風(fēng)工作遼寧省委、省政府高度重視，要求相關(guān)部門(mén)強(qiáng)化預(yù)報(bào)預(yù)警，及時(shí)會(huì)商研判，重點(diǎn)防御部署，切實(shí)做好臺(tái)風(fēng)防御各項(xiàng)工作[13-15]。

2.2 抗暴雨能力計(jì)算

遼寧省根據(jù)省防指(全稱(chēng)防汛抗旱指揮部)防汛防臺(tái)風(fēng)會(huì)商會(huì)議要求立即組織技術(shù)人員，收集各代表站流域下墊面Pa數(shù)據(jù)科學(xué)計(jì)算重點(diǎn)地區(qū)(如丹東、葫蘆島、撫順等)的小型水庫(kù)抗暴雨能力，并以氣象預(yù)報(bào)的最大降雨量為上限明確重點(diǎn)小型水庫(kù)抗暴雨能力，結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況加強(qiáng)防御部署。

丹東、本溪、撫順等地共有18座小型水庫(kù)的抗暴雨能力不超過(guò)20mm，結(jié)果見(jiàn)表1。經(jīng)計(jì)算，抗暴雨能力較小的水庫(kù)大多數(shù)已經(jīng)達(dá)到訊限水位，雖然盤(pán)龍寺、黑河、砬咀、庫(kù)倉(cāng)溝等水庫(kù)的水位距訊限水位還有一定差距，但這些水庫(kù)的抗暴雨能力均不超過(guò)20mm，并且應(yīng)特別關(guān)注抗暴雨能力已低于100mm的躍進(jìn)水庫(kù)、蘭山水庫(kù)等。

表1 設(shè)計(jì)水位下小型水庫(kù)的抗暴雨能力計(jì)算表

表1 設(shè)計(jì)水位下小型水庫(kù)的抗暴雨能力計(jì)算表

2.3 成果應(yīng)用

對(duì)丹東、葫蘆島、撫順等重點(diǎn)降雨地區(qū)遼寧省防指進(jìn)行電話連線，要求防指負(fù)責(zé)同志加強(qiáng)會(huì)商研判，緊盯死守抗暴雨能力低于200mm且超訊限的水庫(kù)，為盡快將水位降低至訊限水位以下監(jiān)督水庫(kù)管理單位采取行之有效的措施，特殊情況下還要提前做好群眾轉(zhuǎn)移工作。

遼寧省防指下發(fā)防御臺(tái)風(fēng)“煙花”強(qiáng)降雨的通知，要求水庫(kù)責(zé)任人強(qiáng)化監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，全程堅(jiān)守崗位，對(duì)于抗暴雨能力較小和超訊限水位的水庫(kù)必須全部打開(kāi)輸水洞閘門(mén)、溢洪道實(shí)行泄洪，無(wú)有效泄流設(shè)施的小型水庫(kù)也要采取有效措施降低水位；針對(duì)抗暴雨能力較小的水庫(kù)要加強(qiáng)對(duì)重要部位的檢查，如消力池、底板、邊墻、溢洪道邊坡、背水坡腳和前后壩坡等。

遼寧省河庫(kù)中心向丹東、葫蘆島、撫順等地所有抗暴雨能力較小和超訊限水位水庫(kù)的臨時(shí)庫(kù)管理員、庫(kù)管員、“三個(gè)責(zé)任人”發(fā)送了預(yù)警短信，要求各類(lèi)人員加強(qiáng)巡查，24h堅(jiān)守崗位實(shí)施掌握水庫(kù)的水工險(xiǎn)情；要求庫(kù)管員每2h報(bào)訊一次，加密報(bào)訊頻次直至降雨結(jié)束，要求加大巡查頻次，第一時(shí)間上報(bào)發(fā)現(xiàn)的險(xiǎn)情；此外，實(shí)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電話督導(dǎo)重點(diǎn)水庫(kù)，抽查庫(kù)管員和“三個(gè)責(zé)任人”值守情況，確保水庫(kù)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)督以及防汛責(zé)任的貫徹落實(shí)。

2.4 工作成效

通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)水位下小型水庫(kù)的抗暴雨能力，為遼寧省防指及時(shí)掌握防御重點(diǎn)，尤其是發(fā)現(xiàn)抗洪能力有限但水位不高的水庫(kù)提供數(shù)據(jù)支持，為市縣兩級(jí)防汛工作提供科學(xué)的指導(dǎo)。各級(jí)水庫(kù)工作者連續(xù)作戰(zhàn)、堅(jiān)守崗位，順利完成了此次強(qiáng)降雨的防御工作，所有水庫(kù)未出現(xiàn)人員傷亡和任何險(xiǎn)情，強(qiáng)降雨地區(qū)小型水庫(kù)均平穩(wěn)運(yùn)行。

3 結(jié) 論

小型水庫(kù)抗暴雨能力計(jì)算在遼寧省水庫(kù)防汛實(shí)踐中取得了較好的應(yīng)用成效，受到各級(jí)防汛工作者的普遍認(rèn)可，為水庫(kù)抵御降雨能力的科學(xué)評(píng)判提供了重要支撐。然而，實(shí)際應(yīng)用時(shí)該計(jì)算方法和理念還存在一些不足，這主要體現(xiàn)在默認(rèn)流域?yàn)樾顫M產(chǎn)流、設(shè)計(jì)洪水總量難以精準(zhǔn)反映真實(shí)泄洪總量和降雨過(guò)程等，抗暴雨能力計(jì)算精度受到一定的影響。因此，為提高水庫(kù)防汛技術(shù)力量，未來(lái)仍需進(jìn)一步優(yōu)化該計(jì)算方法，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)逐一復(fù)核水庫(kù)的暴雨能力和修正已有計(jì)算成果開(kāi)發(fā)更加高效便捷的抗暴雨能力計(jì)算平臺(tái)。