水库抗暴雨能力研究——以溧水方便水库为例

白 丹

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335)

1 引言

我国降水量时间和空间分布不均，长期以来频繁发生的旱涝灾害严重威胁了人类生命和财产[1]。新中国成立以来，为控制和解决洪涝灾害带来的问题，开始兴建水库、大坝等水利工程设施。到目前为止，据水利部数据统计，2017年，全国已建成的水库共有98795座，总库容9035亿m3。其中：大型水库732座，总库容7210亿m3，占全部总库容的79.8%；中型水库3934座，总库容111亿m3；小型水库数量居多，有94129座，占总水库的95%[2]。

随着近几年防汛抗洪工作及水利工程设施的不断完善，一些大型水库存在的问题已经得到了有效的解决，但是数量众多的中小型水库依然存在出险致灾、洪水预报预警能力薄弱等问题[3]。大多数中小型水库修建于新中国成立之初，工程设计标准低，无法抵御特大洪水，建设方式缺乏科学性和规范性[7]，所以一直以来出现的中小河流灾害严重的问题，不但与区域内突发性高强度暴雨、洪水来水汹涌有关，更多的与中小河流自身的防洪能力不够有关[4～7]。

抗暴雨能力是近几年提出的概念，相关研究相对较少，通常认为抗暴雨能力是指：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最大降雨量[8]。对其的研究也大多停留在静态计算，但是水库都是动态变化的，所以静态计算具有局限性；另外对降雨的预报只是基于所获取的地面降雨，对预报降雨没有考虑降雨的时程分配和空间分布[9～15]，本文将以方便水库为例，从该水库的动态变化、降雨时程分布等方面进行研究。

2 研究方法

对于水库的抗暴雨能力计算，其计算流程图如图1所示，具体步骤如下。

(1)设定若干不同量级降雨：假定n个降雨量Pi(i=1，2，3…n)，根据水库实际降雨，这里假定不同量级降雨量分别为25 mm、50 mm、100 mm、200 mm、250 mm、300 mm、400 mm、500 mm、1000 mm。由于未来降雨过程未知，在实际计算时，不同雨型的典型降雨通过同倍比缩放得到n个降雨过程。

(2)模型预报得出入库洪水过程：基于水库流域参数构建新安江入库洪水预报方案，将通过假定的量级降雨按时程分配得到的降雨过程输入构建的入库洪水预报方案中，即可计算得到n个降雨过程对应的n个入库洪水过程Ii(i=1，2，3…n)。

(3)设定水库调度模式：在文中方便水库按照防洪调度规则计算。

(4)出库流量的计算。方便水库的调度方式是规则调度，要计算出库流量可根据水库的防洪调度规则进行推算。同时根据新安江洪水预报所得的入库洪水，通过水量平衡公式计算可得到出库洪水过程Qi(i=1，2，3…n)。

基于水库水量平衡，在某一段时间里，入库的水量减去出库水量等于这段时间里水库增加或减少的水量，当入库水量大于出库水量时为增加量；入库水量小于库水量时为减少量。水量平衡方程如下：

(1)

(2)

(5)计算并绘制P～W曲线：刚开始降雨时，仅有入库流量，出库流量为零，随着降雨增大，水库水位不断上涨，出库流量也逐渐增大，在出库流量和入库流量达到相等时，即水位处于动态平衡，此时库水位对应的净增蓄量达到最大值，认为在此时水库处于最危险的状态，此时水库能抵御洪水的能力，就是此状态下水库的抗暴雨能力。

(6)计算剩余防洪库容。水库起始水位对应的库容就是设计水位下的库容减去起始水位对应的库容，二者的库容差就是当前剩余防洪库容W。

(7)计算水库抗暴雨能力：基于P～W曲线，根据上述方法得到的剩余防洪库容W，查找绘制的P～W曲线得到此时W对应的P，这个P就是该水库的抗暴雨能力。

3 实例分析

本文以方便水库为例。

方便水库位于南京市溧水区东部的低山丘陵区，是秦淮河支流二干河的上游。库区周边地形起伏不大，以平原和丘陵山区为主，东芦山、湫湖山、双尖山等是库区周边主要山体，海拔高度200～270 m，山脊线起伏不大。水库汇水区域为山丘区，其集水面积为77.1 km2，干流长度为16.86 km，干流比降为0.0023。方便水库坝顶高程31.70 m，坝顶宽6.60 m，坝长1077 m，水库溢洪闸为3孔×2.5 m，闸底高程23.00 m，总库容4900万m3，设计洪水标准是50年一遇，校核洪水标是千年一遇。

方便水库特征水位见表1。

表1 水库主要特征指标

本次计算选取三场典型降雨，分别选取主汛期降雨集中、雨量大的降雨场次，三场典型降雨雨峰分别位于整场降雨的前、中、后的位置。观察所选择的典型降雨，从典型降雨中选取起始水位作为起调水位，分别为26.09 m、25.52 m、25.76 m。场次的选择如下。

采用同倍比缩放的计算方法来计算不同量级降雨在72 h内的降雨过程。由于三场降雨都发生在主汛期，所以在这里假设降雨过程一致。

表2 方便水库典型降雨场次编号

从上述可知：当开始降雨时，仅有入库流量，出库流量为零，随着降雨增大，水库水位不断上涨，出库流量也逐渐增大，在出库流量和入库流量达到相等时，即水位处于动态平衡，此时库水位对应的净增蓄量达到最大值。计算N1、N2和N3三种不同雨型下的水库最大净蓄水量，绘制P～W曲线。

计算N1、N2和N3相对于设计水位下的剩余库容分别为1500万m3、1795万m3和1678万m3，相对于校核洪水位下的剩余库容分别为2717万m3、3012万m3、2895万m3，根据上述方法绘制的P～W曲线，已知W查找P，即可得到当前剩余防洪库容对应的可容纳降雨量，结果见表3。

表3 N1、N2、N3抗暴雨能力结果

由表3可知，N1起调水位为26.09 m，此时设计水位下可以容纳未来三天的降雨量为400 mm，而实际降雨量为124.5 mm，可见可容纳雨量远大于实际雨量；N2起调水位为25.56 m，此时设计水位下可以容纳未来三天的降雨量为384 mm，而实际降雨量为140 mm，可见可容纳雨量远大于实际雨量；N3起调水位为25.76 m，此时设计水位下可以容纳未来三天的降雨量为349 mm，而实际降雨量为90.5 mm，可见可容纳雨量远大于实际雨量。三种不同雨型下可容纳的雨量远远大于实际雨量，所以水库及水库下游设施是安全的。

从表3可以看出在防洪调度规则下，方便水库N1、N2和N3产生的径流开始入库时未来72 h防洪高水位对应的抗暴雨能力分别为613 mm、594 mm、546 mm。由以上分析表明水库可以抵抗这三场典型降雨。

故可知在防洪调度规则下，N1和N2当降雨量超过100 mm时才有下泄流量，N3当降雨量超过200 mm时才有下泄流量，当有泄流时入库流量和出库流量达到相等，这时对应的库水位达到最大值，即达到最大净增蓄水量；没有下泄流量时，入库流量增大，库水位也随之增大，直到降雨结束，库水位达到最大值，得到最大净增蓄水量。

4 结论

(1)计算不同雨型对应量级降雨的抗暴雨能力。结果表明起调水位越低，出库流量越大，设计水位下能承受的降雨量就越大，水库度汛就越安全。对方便水库抗暴雨能力的计算结果远大于实际降雨，水库抗暴雨能力计算的合理。入库洪水过程受雨型的影响，入库流量变化，对应的出库流量和库水位也随之变化，故得到的水库抗暴雨能力也会不同。

(2)水库抗暴雨能力对水库的防洪调度非常重要，可以提前预知出库流量的峰值及峰值出现的时间，提前给水库管理员提供信息，让下游需要保护的工程及设备提前做好准备，避免造成人身安全和经济损失。