不同抗暴雨能力计算方法在区域中小型水库抗暴雨能力计算中的应用
2020-05-31胡晓松
胡晓松
(辽宁省鞍山水文局,辽宁 鞍山 114000)
水库抗暴雨能力计算是汛期防洪调度的关键支撑,对于流域防洪科学调度十分重要。[1]当前,大型水库防洪能力体系建设已经逐步趋于完善,但是中小水库的抗暴雨能力分析还较少,而近些年来,中小水库上游发生洪水的概率和频次呈现逐步增多的变化趋势,如何有效保障中小水库的防洪安全,是当前社会关注和研究的热点问题[2]。目前国内外关于水库抗暴雨能力研究取得一定成果[3- 10],但相对较少。陈鸿文2014年对中小型水库最大纳雨能力估算进行了研究认为抗暴雨能力是考虑水库工程参数、泄水设施运行调度、集雨区土壤含水量和产流特性等因素,在防洪安全情况下一段时间内水库允许容纳的最大降雨量,反应了一段时间内水库的防洪能力[11]。侯爱中等2017年提出了中小型水库抗暴雨能力的概念与计算方法,认为水库的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;并基于洪水预报模型及水库调度规则,建立了抗暴雨能力计算方法[12]。王鹤翔2017年基于水库设计标准及径流系数,提出了一种水库抗暴雨能力计算方法[13]。但这些方法在辽宁地区中小水库还未得到相关应用,为此本文提出3种水库抗暴雨能力计算方法,分别对辽河流域中小型水库抗暴雨能力进行计算,研究成果对于鞍山地区中小水库防洪调度具有重要的参考价值,对于其他流域中小水库抗暴雨能力计算也具有较高的借鉴意义。
1 水库抗暴雨能力计算方法
结合水库抗暴雨能力概念及内涵,针对水库调度运用方式,提出了3种抗暴雨能力计算方法。
1.1 不考虑放水的抗暴雨能力计算方法
对于有闸门的水库,在暴雨中心处于水库下游时,为保障防洪安全,希望水库尽量放水较小或不放水。为此建立不考虑放水的抗暴雨能力计算方法,即在只蓄不放的调度规则下,计算水库能承担的入库水量,并折算为净雨量,依据此计算水库抗暴雨能力。
1.2 基于设计洪水的水库抗暴雨能力计算方法
考虑到实际水库运用特征,暴雨来临时水库水位(现时水位)可能低于汛限水位。本文按不利情况考虑,假定:现时水位至汛限水位之间,水库不放水;汛限水位至设计洪水位之间,水库按照设计情况调度。基于该假定,水库能承担的净雨量为:
P净=(VZ汛-VZ0)/F+W设/F
(1)
式中,P净—水库能容纳的净雨量;VZ汛—汛限水位对应库容;VZ0—现时水位对应库容;W设—水库设计洪量;F—流域集水面积。
对于饱和产流区,考虑到计算水库抗暴雨能力时面临的均为较大降雨,流域产流以全面产流为主,净雨量主要与降雨、下垫面前期蓄水量直接相关,净雨量可用以下方式计算。
P净=R=P-(Im-Pa)
(2)
则水库抗暴雨能力为:
P抗=P净+(Im-Pa)
(3)
式中,P抗—水库抗暴雨能力,mm;P净—水库能容纳的净雨量,mm;Im—流域蓄水容量,mm;Pa—前期影响雨量,mm。
1.3 基于预报调度模型的水库抗暴雨能力计算方法
对于有预报方案,且调度规则复杂的重要水库,为得到更精准的抗暴雨能力成果,本文建立了基于预报调度模型的水库抗暴雨能力计算方法。即假定不同等级降水,依据预设或预报的雨型,采用预报模型计算入库洪水过程,基于调度模型明确水库来水-蓄水-放水过程,确定各种降水条件水库最高蓄水位。绘制水库抗暴雨能力查算图表,实现抗暴雨能力精准计算。
考虑到实际水库运用特征,暴雨来临时水库水位(现时水位)可能低于汛限水位。本课题按不利情况考虑,假定:现时水位至汛限水位之间,水库不放水;汛限水位至设计洪水位之间,水库按照设计情况调度。基于该假定,水库能承担的净雨量按照式(1)计算。
对于鞍山地区产流区而言,考虑到计算水库抗暴雨能力时面临的均为较大降雨,流域产流以全面产流为主,净雨量主要与降雨、下垫面前期蓄水量直接相关,净雨量可用式(2)计算。水库抗暴雨能力可用式(3)计算。
2 水库抗暴雨能力计算实例
2.1 水库概况
以鞍山地区2座中小型水库为研究实例,中型水库为黑山水库,小型水库为前营水库,水库分布如图1所示。黑山水库位于五道河上,集水面积为54km2,汛限水位为97.33m,校核洪水位为103.20m。前营水库位于大洋河支流上,集水面积为43.81km2,为小(1)型水库,汛限水位为17.40m,校核洪水位为21.17m。
图1 鞍山地区中小型水库分布
2.2 不考虑放水的水库抗暴雨能力计算
2.2.1计算条件设置
根据气象部门降雨预报,按流域包气带不同蓄水量情况,分不同标准6个等级,见表1。计算入库洪水过程,并在不考虑放水的前提下,计算水库抗暴雨能力,绘制研究水库抗暴雨能力查算图表。
表1 降雨时程分配条件
2.2.2产汇流计算
降雨径流经验相关图是根据流域的产流规律,在成因分析与统计相关的基础上,用每次降雨的流域平均雨量(P)和相应产生的径流深(R)及影响它们的主要因素(如前期影响雨量Pa)所建立起来的一种经验相关图,最常用的是P+Pa~R相关图。结合鞍山地区P+Pa~R相关图对各水库下不同降水条件下的产汇流进行计算。
2.2.3不考虑放水条件下的水库抗暴雨能力计算
结合不考虑放水的抗暴雨能力计算方法,对黑山和前营水库的抗暴雨能力进行计算,计算结果见表2—3,并绘制2个水库的不同水位下的抗暴雨能力查算图,结果如图2所示。
表2 黑山水库抗暴雨能力计算结果
表3 前营水库抗暴雨能力计算结果
图2 研究水库不考虑放水条件的抗暴雨能力查算
从表2—3中可看出,土壤饱和状态下不同水位级下各水库的抗暴雨能力在0~200mm之间,半饱和状态下不同水位级下黑山和前营水库的最大抗暴雨能力在0~300mm之间。土壤含水量饱和和半饱和状态对区域抗暴雨能力影响较大。随着水库水位的递增,其水库抗暴雨能力逐步减少,当水位达到水库的设计水位后,其抗暴雨能力最低,水库防洪安全将受到影响。
2.3 基于设计洪水的水库抗暴雨能力计算
基于黑山水库和前营水库设计洪水过程,对两个水库设计洪水条件下的水库抗暴雨能力进行分析。分析结果见表4—5,并绘制不同水库基于设计洪水条件下的抗暴雨能力查算图,如图3所示。
黑山水库和前营水库设计标准均为抵御50a一遇洪水,按照2个水库的设计洪水过程进行其抗暴雨能力计算。以黑山水库为例,其计算步骤为:根据水库设计洪水资料:黑山水库设计起调水位93.0m,低于汛限水位(99.3m)6.30m;水库蓄水量40.37万m3,低于汛限水位对应库容(548.70万m3)。设计条件下,水库能防御洪水标准为50a一遇,设计洪水入库水量为984.20万m3。按照前面介绍的计算方法,当实时水位低于汛限水位时,实时水位至汛限水位之间水库只蓄不放,相应于这部分,黑山水库可承担入库水量508.33万m3;按照设计方案调节,根据设计手册,黑山水库能承担的最大入库水量为设计洪水量,即984.20万m3。2者合计,黑山水库起调水位还能承担入库水量1492.5亿m3,折合净雨量276.4mm。
表4 基于设计洪水的黑山水库抗暴雨能力计算结果
表5 基于设计洪水的前营水库抗暴雨能力计算结果
图3 研究水库设计洪水条件的抗暴雨能力查算
黑山水库位于III2分区,处于饱和产流(蓄满产流)地区。其抗暴雨能力按式(3)计算。水库以上集水区Im=130mm,根据逐日计算,黑山水库前期影响雨量Pa=65mm。据此计算,起调水位下水库抗暴雨能力为346.4mm。前营水库也按此计算步骤进行抗暴雨能力的分析。从图3中也可看出随着水库水位的递增,其水库抗暴雨能力逐步减少。
2.4 基于预报调度模型的水库抗暴雨能力计算
基于黑山水库的调度规则,结合水库预报调度成果对黑山水库基于预报调度模型的水库抗暴雨能力进行计算,计算结果见表6,并绘制黑山水库降雨-最高蓄水位关系图,结果如图4所示。
表6 基于预报调度模型的黑山水库抗暴雨能力计算结果
图4 黑山水库降雨-最高蓄水位关系
对于中型水库而言,可以结合水库的调度规则进行抗暴雨能力的分析,而小型水库由于无调度规则,因此该方法具有不适用性。以2019年“8·10”暴雨洪水为例,进行黑山水库抗暴雨能力计算实例研究。通过逐日计算可得Pa=70mm。基于前述方法,结合黑山水库特征,预设降雨等级P=50、100、150、200、250、300、350、400mm共计8个降水等级。降水过程按不利情况考虑,选用2010年大暴雨雨型。黑山水库位于水文分区III2区,为饱和产流区。在上述雨型分配假定下,采用辽宁饱和模型,计算不同量级降水条件下黑山水库入库洪水过程,Pa采用逐日计算,2019年8月10日黑山水库Pa=105mm。黑山水库调度规则如下:汛期限制水位定为99.3m,当水库水位超过汛限水位142.58m时,溢洪道泄洪,降低库水位,确保大坝安全。结合不同等级暴雨数据,计算各量级降雨下的入库洪峰,并结合调度规则计算其最高蓄水水位,绘制黑山水库降水~最大蓄水位查算图。
2.5 不同水库抗暴雨能力计算方法的适用性分析
本研究涉及3种抗暴雨能力计算方法,分别为不考虑放水的抗暴雨能力计算方法、基于设计洪水的水库抗暴雨能力计算方法、基于预报调度模型的水库抗暴雨能力计算方法,为明晰不同类型水库抗暴雨能力计算方法与规则,对各方法的适用条件简述见表7。
表7 抗暴雨能力各计算方法适的用范围与特点
从分析结果可看出,基于设计洪水的水库抗暴雨能力计算方法适用范围广,计算速度快可作为防汛会商决策的首选计算方法。同时考虑到该方法过于强调坝体安全,对下游考虑较少,可同时给出大中型水库(有闸门控制)不考虑放水的抗暴雨能力计算方法计算成果作为补充。如防汛决策中有更高的精度需求,可采用开敞式泄流水库抗暴雨能力计算方法即基于预报调度模型的水库抗暴雨能力计算方法取得更高的计算精度。
3 主要结论
(1)不考虑放水的水库抗暴雨能力计算方法成果偏于保守,而基于设计标准的水库抗暴雨能力计算方法对下游河道防洪安全考虑较少,但其计算时效性较高,可满足中小水库,尤其是无调度规则的应急防洪调度需求。
(2)基于预报调度模型水库抗暴雨能力计算可确定各种降水条件下水库最高蓄水位,计算精度较高,但计算时效性低于其他2种方法,适用于具备较完善调度规则的中型水库抗暴雨能力计算。
(3)本文不考虑放水条件的水库抗暴雨能力计算设置2种土壤含水状态,在以后的研究中还应对流域蓄水量进行动态分析。