基于预报调度模型的辽宁地区水库抗暴雨能力计算分析

辛宏章

(辽宁巨隆达建设工程管理咨询有限公司，沈阳 110003)

一个完善的防洪减灾非工程体系在国内外尚没有先例，因而，如何利用系统论和科学的方法进行防洪减指挥系统灾关键技术研究，形成完备的辽宁省防洪减灾决策体系，充分发挥水利防洪工程体系的综合最大化作用，就成为一个全新的课题。近些年来，对于水库抗暴雨能力取得一定研究成果，但基于预报调度模型的水库抗暴雨能力的研究还较少，为此文章从水库安全度汛的角度出发，结合预报调度模型，以辽宁铁岭地区水库为计算实例，对区域内两个水库进行基于预报调度模型的水库抗暴雨能力力的研究，研究成果对合理制定水库防洪调度方案，确定流域防洪减灾决策具有重要的积极意义[1-3]。

1 研究思路

1.1 抗暴雨能力计算原理

水库抗暴雨能力，表示为在当前防洪库容条件下通过预报调度可以承受的最大降雨量。当水库不承担下游防洪任务或预报降水量较大、按最不利情况考虑时，设计标准洪水是维持水库正常运用能抵御的最高标准洪水[4-6]。设计标准洪水对应的降水量可作为水库能够抵御的最大净雨量。这部分净雨量与水库集水区能够存蓄降水之和，即为水库抗暴雨能力。

在暴雨来之前，水库实际情况下水位可能低于汛限水位。按照最不利情形进行假定：当实时库水位低于汛限水位，水库不泄流；当库水位处于设计高水位和汛限水位之间时，按照预报调度规则进行水库能够抵抗的最大暴雨量：

P净=(VZ汛-VZ0)/F+W设/F

(1)

式中：P净为表示为水库能够抵抗的净雨最大值，mm；VZ讯为防洪库容，万m3；VZ0为实时库水位对应的水库库容，万m3;W设为设计洪水总量，万m3;F为坝址以上控制面积，km2。

饱和产流区水库抗暴雨能力以全面产流为主，净雨量与前期土壤含水量以及降水量相关，其计算方程为：

P净=R=P-(Im-Pd)

(2)

则水库抗暴雨能力为：

P抗=P净+(Im-Pa)

(3)

式中：P抗为水库抗暴雨能力，mm；P净为水库能容纳的净雨量，mm，Im为流域蓄水容量，mm；Pa为前期影响雨量，mm。

对于非饱和产流域，净雨量除与降水、前期影响雨量有关外，还与下渗能力有关。净雨形成量及过程需用水文模型计算。为计算简单，本节引入径流系数，对计算方式进行简化。

超渗产流区净雨量计算公式为：

P净=P×φ

(4)

式中：P净为水库能容纳的净雨量，P为降水量；φ为径流系数。则超渗产流区抗暴雨能力计算公式为：

P抗=P净/φ

(5)

各参数意义同前。

1.2 计算步骤

1)入库预报和调洪演算：基于水文模型对入库洪水进行计算，并结合调度模型对水库进行调洪要素。

2)防洪库容剩余量计算：基于实时库水位和水位-库容曲线对当前水位下的库容(W0)进行确定，并分析其与设计库容(Z设)和防洪高库容(Z洪)之间的差值，确定防洪库容剩余量(ΔW)。

3)结合气象预报降雨过程，根据历史典型暴雨选择偏不利雨型或者按气象预报降雨分配过程进行雨量分配，结合分配比例采用同倍比得到模拟的降雨过程。

4)结合步骤(1)对入库水量和n 场降雨过程下的洪水过程程QINi(i=1,2,…,n)进行计算。

5)调洪演算：将步骤(4)的洪水过程进行调洪演算，得到不同入库条件下的洪水出库过程QOUTi(i=1,2,…,n)。

6)确定降雨对应的蓄水量变化的最大值：当出库流量高于入库流量，库水位递增，库水位最大值为水库出入水量平衡，此时水库蓄水变化最高。结合出、入库洪水过程对其降雨对应的蓄水量最大值进行分析，确定确定降雨对应的蓄水量变化的最大值。

7)水库抗暴雨能力计算：结合步骤(6)及步骤(2)得到蓄水变化最大值对应的降水以及防洪库容防洪库容剩余量(ΔW)，确定对应的降水量最大值，即为当前库水位条件下水库能抵抗的最大暴雨量(C)。

2 计算实例

2.1 水库概况

文章选择榛子岭水库为例，进行饱和产流区水库抗暴雨能力计算实例研究，选择红山水库为例，进行非饱和产流区抗暴雨能力计算实例研究。榛子岭水库位于辽河一级支流凡河上，为饱和产流区。水库建成于1979年，坝址位于铁岭市铁岭县大甸子镇，坝上集水面积369km2。总库容1.8622亿m3，为多年调节大型水库。榛子岭水库死水位175.60m，汛限水位192.60m，正常高水位193.80m，设计洪水位196.61m，校核洪水位197.87m。水库死库容7.0百万m3，兴利库容124百万m3，调洪库容86.6百万m3，设计库容175百万m3。 水库按照100a一遇设计，5000a一遇校核。设计洪峰流量1960 m3/s，设计洪水总量1.23亿m3。水库为开敞式溢洪道，堰顶高程190.0m，最大泄量1805 m3/s。

红山水库位于辽河支流招苏台河流域，处于招苏台河二级支流红山河上，为非饱和产流区。红山水库建成于1970年，坝址位于铁岭市昌图县泉头镇红山堡村，坝上集水区面积105km2，总库容27.48百万m3，为多年调节中型水库。红山水库死水位138.66m，汛限水位142.58m，正常高水位142.58m，设计洪水位146.03m，校核洪水位147.55m。水库死库容2.0百万m3，调洪库容18.43百万m3，设计库容27.48百万m3。红山水库按100a一遇设计，1000a一遇校核。设计洪峰流量790m3/s，设计洪水总量2643万m3。汛期限制水位定为142.58m，汛期输水洞参与调洪，当水库水位超过汛限水位142.58m时，输水洞开闸泄洪，已降低库水位，确保大坝安全。

2.2 设计雨型的选择

榛子岭水库为饱和产流区。洪水预报模型中，产流采用蓄满产流模型，汇流采用单位线汇流。产流参数Im=150，b=0.30。以2012年典型暴雨过程为例对榛子岭水库抗暴雨能力进行分析，结合水库抗暴雨能力计算步骤和水库特性，设定9个降水等级(每隔50mm递增一级)，按照最不利条件对榛子岭水库抗暴雨能力进行计算[7-9]。

以2012年典型暴雨过程为例对红山水库抗暴雨能力进行分析。前期影响雨量Pa为95mm。结合水库抗暴雨能力计算步骤和水库特性(每隔50mm递增一级)。降水过程按不利情况考虑，两个水库雨型分配如图1所示。

图1 设计雨型过程

2.3 饱和产流区榛子岭水库抗暴雨能力计算结果

在上述雨型分配假定下，采用新安江模型计算8个降水等级的水库入库洪水过程，榛子岭水库调度规则如下：

1)库水位高于108.0m，下游辽河有错峰要求时，关闸错峰；无错峰要求时，输水洞泄量200 m3/s。

2)库水位高于110.5m时，停止错峰，输水洞全开泄流。

3)库水位高于111.8m时，开输水洞和2孔溢洪道泄流。

4)库水位高于112.0m时，开输水洞和4孔溢洪道泄流。

结合水位-库容关系曲线、水位-泄量关系曲线及调度规则，对榛子岭水库在不同降水量级入库洪水条件下进行模拟调度调节，确定各降水条件的水库最高蓄水位，分析降水-最大蓄水位关系图，其中水库起调水位为2019年8月10日8时水位。结合调度规则和入库洪水计算结果对榛子岭水库抗暴雨能力进行计算，结果见表1。

表1 预报调度下榛子岭水库抗暴雨能力计算结果

2.4 非饱和产流区红山水库抗暴雨能力计算结果

红山水库调度规则如下：汛期限制水位定为142.58m，汛期输水洞参与调洪，库水位高于汛限水位142.58m时，快速降低水库水位以保证水库安全。以水库入库过程为基础，结合水位-库容关系曲线、水位-泄量关系曲线及调度规则，对柴河水库在不同降水量级入库洪水条件下进行模拟调度调节，确定各降水条件的水库最高蓄水位，分析降水-最大蓄水位关系图[10-12]。其中水库起调水位为2019年8月10日8时水位。结合调度规则和入库洪水计算结果对红山水库水库抗暴雨能力进行计算，结果见表2。

表2 预报调度下红山水水库抗暴雨能力计算结果

3 应用结论

不考虑水库调洪的抗暴雨能力计算结果一般偏小，而以水库设计值抗暴雨能力计算不利于下游河道的防洪安全。为此文章建立的基于预报调度模型的抗暴雨能力计算可解决上诉两种的抗暴雨能力计算的局限，通过模拟不同水库来水量，结合水库调度规则，充分考虑下游河道防洪安全的前提下，优化水库出库过程，得到不同降水量下水库蓄水位最高值，并确定其对应的最大降雨量，从而精准确定水库抗暴雨能力。该方法适用于有预报方案，且调度规则复杂的重要水库。