中小型水库抗暴雨能力分析

2017-07-21车云竹张亚芳

海河水利 2017年3期

车云竹，张亚芳

中小型水库抗暴雨能力分析

车云竹，张亚芳

（河北省保定水文水资源勘测局，河北保定071051）

以福建官昌水库为例，通过3 d实际降雨资料，将其同倍比缩放得出几种降雨情景，利用降雨情境下的出、入流过程绘制降雨－最大净增蓄量曲线图，推求出未来3 d水库所能承载的最大抗暴雨能力，为防汛部门和水库预先采取调度措施提供有效信息，使防洪减灾效果达到最大化，最终减少人民群众生命财产损失。

中小型水库；抗暴雨能力；水库调度

水库抗暴雨能力是指在流域当前下垫面以及水库调度方式情况下，水库目前剩余防洪库容所能容纳的降雨量。从抗暴雨能力的概念可以看出，一座水库的抗暴雨能力是一个动态值，与水库所处流域当前下垫面情况、当前库水位及调度方式、水库防洪特征值以及降雨时空分布等因素均密切相关［1］。

随着经济社会的迅速发展，我国中小型水库数量迅猛增加，尤其南方地区中小型水库及堤坝工程数量越来越多、分布越来越广，部分水库纳雨能力低，为了在未来降雨中预防其可能超过设计防洪限制水位，对其最大抗暴雨能力及时预判，为水库和防汛部门预先采取调度措施提供及时有效的参考数据［2-3］，以福建官昌水库为例，在统计分析基础上，利用分布式水文模型VIC［4］构建水库的入库洪水计算方案并结合水文调度模型推算出其所能容纳的最大降雨量。

1 水库概况

福建省属于亚热带海洋性季风气候，热量丰富，雨量充沛，年平均降雨量1 400～2 000 mm，气候区域差异较大，各气候带内水热条件的垂直分异也较明显。全省河流众多，闽江为省内最大河流，其中沙溪是闽江重要支流之一，在沙县境内，河长53 km，由西向东流向，水流湍急，水量季节性变化大。

官昌水库位于福建省沙县西南部沙溪支流豆士溪上游的官昌村，是一座以供水、灌溉为主兼顾发电的中型水库，集水面积79.55 km2，设计洪水位444.5 m，总库容2 442万m3，供水设计流量5.25 m3/s，近期流量2.665 m3/s，灌溉面积2 700 hm2，具有流域面积小、汇流时间短、预见期短等特点。主汛期受降水、台风等气候条件影响，水库防汛压力大。

2 水库抗暴雨能力计算方法

抗暴雨能力计算与降雨产汇流计算相比是个逆过程，由于水文过程具有非线性特征，因此不能直接用过程求逆的方法计算，需要用试算的方法来反推［5］。具体而言，某座水库当前水位下的抗暴雨能力计算步骤如下：

（1）构建预报调度模型。基于水文模型构建水库入库水量计算方案，并基于水库调度方式设定水库调度模型。

（2）计算剩余防洪库容。通过查询水位－库容曲线得到水库当前水位Z对应的库容，计算其与防洪高水位Z洪对应的库容之差，得到当前水位下的剩余防洪库容ΔW。

（3）设定降雨时程。由于未来降雨过程未知，在实际计算时，假定实际降雨的时程分配比例与数值降雨预报的时程分配比例相同，设定n个降雨量Pi（i=1，2，…，n），获取未来一段时间（本文设定为3 d）数值降雨预报的时程分配比例，采用同倍比缩放的方式得到n个降雨过程。

（4）计算入库洪水过程。将n个降雨过程分别输入水文模型得到n个入库洪水过程Qi（i=1，2，…，n）。

（5）计算出库洪水过程。将n个入库过程分别输入水库调度模型得到n个出库洪水过程qi（i=1，2，…，n）。

（6）计算降雨—最大净增蓄量曲线。当入库流量大于出库流量时，水库水位持续上涨，当出入库平衡时水库水位最高，此时水库净增蓄量最大，即水库最危险。根据入库洪水Qi和出库洪水qi计算n个降雨过程对应的水库最大净增蓄量Wi（i=1，2，…，n），这样就得到一条降雨—最大净增蓄量曲线。

（7）计算水库抗暴雨能力。基于步骤（6）得到的P－W曲线，根据步骤（2）得到的当前剩余防洪库容ΔW，即可通过查线方法得到与之对应的降雨量，即为水库当前水位下的抗暴雨能力C［6］。抗暴雨能力计算流程，如图1所示。

图1 水库抗暴雨能力计算流程

3 水库通用调度模块计算原理

（1）水量平衡原理。平均出库和入库流量，用时段初、末时刻流量均值表示，方程式为：

式中：Q1、Q2分别表示时段初和时段末入库流量（m3/s）；q1、q2分别表示时段初和时段末出库流量（m3/s）；V1、V2分别表示时段末和时段初对应的水库蓄水量（m3）；Δt表示计算时段，一般为1～6 h，需化为秒数。

（2）能量守恒原理（圣维南方程组）。在水库调度计算中，可简化为水库的蓄泄关系，方程式为：

式中：q表示水库下泄流量（m3/s）；H表示水库的库水位（m）；V表示水库的蓄水量（m3）。

4 水库抗暴雨能力计算

以官昌水库为例，将2016年9月6日17时—9日16时的降雨同倍比缩放得出6种降雨情景，利用6种降雨情境下官昌水库的出、入流过程绘制降雨—最大净增蓄量曲线图，推求其未来3 d抗暴雨能力。

4.1 计算时段选定

2016年9月6日17时—9日16时，受台风影响，官昌水库流域出现一次较强降雨过程，累计降雨量126 mm。根据前文描述，设计计算时长为3 d，模拟起止时间为10日8时—13日8时。6日17时，官昌水库水位440 m，蓄水量1 557万m3，低于设计洪水位（444.45 m）4.45 m，对应的库容差为651万m3。流域内逐小时实测降雨过程，如图2所示。

图29 月6日17时—9日16时流域降雨过程

4.2 预报调度方案构建

基于洪水预报系统，根据水库位置以及数字高程模型绘制其集水区域范围，利用分布式水文模型VIC构建官昌水库的入库洪水计算方案，水库出库基于泄流能力曲线按照最大下泄能力泄流，计算步长为1 h。

4.3 抗暴雨能力计算

根据前文提出的抗暴雨能力计算方法，需要设计多个降雨过程得到P—W曲线。假定从数值降雨预报获取未来3 d的降雨过程与实况一致，则可以计算3 d 72 h降雨的时程分配比例，并采用同倍比缩放的方式设置100、200、300、400、500、1 000 mm共6种降雨情景，根据这6种降雨情景计算水库的入库洪水过程、泄流过程和水位变化过程，如图3—5所示。

图36 种降雨情景下水库入库洪水过程

图46 种降雨情景下水库出库流量过程

图56 种降雨情景下水库水位变化过程

从图3—5可以看出，随着设定降雨的增大，入

图6300 mm降雨情景下水库入库、出库流量和库水位变化过程

表16 种降雨情景下的水库最大净增蓄量计算结果

由图7中的曲线可反查官昌水库当前（9月6日17时）水位与设计洪水位之间的库容差608万m3情况下能够滞纳529 mm的降雨，即官昌水库在水库敞泄方式情况下未来3 d的抗暴雨能力为529 mm。

4.4 实况验证

根据官昌水库上游流域降雨实测结果，9月6日17时—9日16时实际降雨量为125.5 mm，远小于水库抗暴雨能力529 mm。9日16时，官昌水库水位涨至438.72 m，低于设计洪水位（444.50 m）5.78 m。

5 结论

通过官昌水库抗暴雨能力计算可知，当出库流量增大至与入库流量相同时，水库水位达到最高值，此时水库的净增蓄量最大，即此时为水库最大纳雨库洪水也相应增加，同时库水位和泄流量也相应抬高和加大。对于1 000 mm降雨情景，水库水位已涨至最高，因此下泄流量按照最大能力泄流。

以300 mm降雨情景为例（如图6所示），给出了水库的入库流量、出库流量和水库水位的变化过程，可以看出：当出库流量增大至与入库流量相同时，水库水位达到最高值，此时水库的净增蓄量最大。6种降雨情景下的水库最大净增蓄量见表1，降雨－最大净增蓄量曲线如图7所示。能力，从而判断出水库最大抗暴雨能力，以便相关防汛部门及时采取调度措施，减少人民群众生命财产损失，同时有利于水库正常蓄水、发电等经济效益、社会效益最大化的实现。