大中型水库抗暴雨能力计算方法

马云峰

辽宁省河库管理服务中心(辽宁省水文局)，辽宁 沈阳 110003

1 基本情况

1.1 大中型水库防汛作用

辽宁省现有大中型水库106座，总库容173.10亿m3，总调洪库容84.60亿m3，兴利库容93.70亿m3。这些水库与下游河道堤防相结合形成的防洪体系，在各个流域的防洪中发挥着重要作用，可基本保证城市和重要河段的防洪安全。例如：浑河上的大伙房水库，观音阁水库、葠窝水库，大凌河上的阎王鼻子水库等，均对下游城市汛期防洪减灾起着重要作用。

1.2 大中型水库抗暴雨能力计算的必要性

1.2.1 防汛形势新要求

随着经济社会的发展，许多河流两岸的保护对象越来越集中、越来越重要，流域防洪体系在保护人民生命财产安全中发挥的作用也越来越大。近些年辽宁省对防洪薄弱环节加大投资，开展了一大批水库除险加固、河道整治工程建设，流域防洪能力得到了明显提升。但如何更有效地发挥防洪工程特别是大中型水库的防洪效益，对水库防汛工作提出了新的要求。另外，近几年辽宁省汛期台风频发，2020年甚至出现了10日内3次台风来袭的极端天气，防汛形势越发严峻。开展大中型水库抗暴雨能力计算，提高精准防汛能力，是利用现代化手段进行科学研判和正确决策的重要手段。

1.2.2 水库调度的重要参考

目前，中国气象部门3日内降雨预报精度已较高，对水库而言，如果能在强降雨来临前就计算出当前剩余防洪库容能够滞纳的降雨量，再对比气象部门发布的降雨预报，尽早发布预警并适当调整水库调洪方式，从而最大限度地减少水库由于调度不及时而出现的溃坝或上下游淹没等问题。通过系统分析全省大中型水库的抗暴雨能力，为各水库防汛调度提供参考，可提高防汛决策的科学性和时效性。特别是对于一些中型水库，由于水库经济效益不高，管理经费不足，而且没有国家专项资金支持，维修养护不及时，更需要参考抗暴雨能力控制运行。

2 大中型水库抗暴雨能力影响因素

2.1 流域当前下垫面情况

水库所在流域下垫面情况，即前期降雨量和土壤饱和度，土壤能够承纳的降雨越多，则汇入水库的降雨量越小，水库的抗暴雨能力就越大。辽宁省东部山区属长山白余脉，植被覆盖率较高，土壤保水性好，而辽西山区植被覆盖差，土壤水分蒸发快，同等降雨量辽东山区水库抗暴雨能力小于辽西地区。

2.2 当前库水位

水库水位越高，剩余库容越小，所能承纳的降雨量越小，抗暴雨能力就越小。因此，汛期要严密监视水库水位，在强降雨前采取措施降低水位，腾出足够库容，提高水库抗暴雨能力。

2.3 水库调度方式

调度方式决定了水库的泄洪能力，泄洪越快则抗暴雨能力越大。但与小型水库不同，大中型水库最大特点是大多具有溢洪道闸门，汛限水位一般高于堰顶高程，汛期需要重点考虑调度方式和起调水位。另外，水库的下泄流量需要考虑下游河道的行洪能力，溢洪道泄量直接决定水库降雨承纳能力。

2.4 降雨过程

由于不同流域下垫面的植被保水率、土壤特性及含水率不同，不同的降雨过程和降雨量会导致不同的产流过程和产流量。例如：在辽西地区，一些地方虽然土壤含水低较低，但若遇高强度短历时降雨，土壤可能形成“土盖”，土壤未饱和便开始产流，形成较大的产流量；而遇长历时较均匀的降雨过程，则大部分的降雨可能会下渗或蒸发，反而产生较少的径流量。

3 大中型水库抗暴雨能力计算方法

根据大中型水库抗暴雨能力影响因素，结合水库工情，抗暴雨能力计算过程分为以下5步，如图1所示。

图1 水库抗暴雨能力分析技术路线图

3.1 水库24 h设计面暴雨推求

3.1.1 直接法计算

当水库以上流域内长期雨量站分布较密，可根据水库以上流域内各年的年最大24 h面雨量系列直接进行频率分析计算，得出各重现期的24 h设计面雨量。

3.1.2 间接法计算

对于无雨量站或雨量资料短缺的大中型水库，由《辽宁省中小河流(无资料地区)设计暴雨洪水计算方法》中查得流域重心24 h暴雨均值、Cv值、点面折减系数，进而计算各重现期设计24 h面暴雨。

3.2 水库不同量级降雨对应的洪水过程线推求

3.2.1 划分暴雨量级

水库24 h面暴雨量级从50 mm开始，按50 mm逐级递增，大部分水库最大降雨量级做到500 mm，降雨高值地区的最大降雨量级可做到1 000 mm。

3.2.2 收集洪水过程线

收集水库初步设计或除险加固设计中采用的设计洪水及设计洪水过程线，补全各频率设计洪水及设计洪水过程线。

3.2.3 推求量级暴雨对应洪水过程线

假定设计暴雨与设计洪水同频，依据水库24 h设计面暴雨、各重现期设计洪水及洪水过程线成果，用内插法推求不同量级24 h面降雨对应的洪水过程线。

3.3 不同饱和情况暴雨径流相关图的绘制

统计水库站或水文站历年场次24 h面降雨、降雨开始时刻土壤含水量及三日洪量，一年可选多场，三日洪量指由本场24 h降雨形成的三日洪量，即由统计的三日洪量减去前次洪水的退水量。其中土壤含水量Pa计算按下式计算：

Pa,t=KPa,t -1+ K2Pa,t -2+ …+ KnPa,t -n

(1)

式(1)中，Pa,t为前期影响雨量；Pa,t -1为上一天的Pa值；n统一取15 d；K统一取0.85。

当所计算出来的Pa值大于Imax时，则Pa值取Imax，各水库及水文站Imax参考《辽宁省中小河流(无资料地区)设计暴雨洪水计算方法》中各水文分区数值。不同饱和情况分为三级，即降雨开始时刻的土壤含水量Pa=0 mm、Pa=0.5Imax及Pa=Imax。饱和状态下按24 h降雨全部形成三日洪量考虑，相关线为45度线。

水库资料条件好的大型水库可直接绘制本水库的降雨径流相关图，无实测流量资料或资料不足的水库，先绘制附近参证水文站的降雨径流关系图，考虑降雨及径流的地区差异性，进行相关的分析处理，转换成水库的降雨径流相关图。降雨径流相关图中的Pa等值线根据实测点据用目估内插法求出。

3.4 不同饱和情况不同量级降雨对应的洪水过程线推求

不同饱和情况不同量级的24 h降雨，由水库降雨径流相关图查得相应的三日洪量，与水库各重现期3日洪量比较，用内插法推算不同饱和状态不同量级降雨对应的洪水过程线。

3.5 水库调洪演算及抗暴雨能力分析

水库洪水调度方式采用已批复的水库设计报告、除险加固设计报告或度汛方案中确定的调度方式。对于单个水库而言，采用二分迭代法进行水库调洪演算，分别按照考虑坝体安全、考虑下游控制泄量情况下，特定工况某一起调水位下的降雨量级和最高水位关系图。为便于成果使用，抗暴雨能力分析，在可能暴雨分析基础上，采用逐级试算法，给出不同工况下的水库洪水调节成果，并给出最大抗暴雨能力级别。

4 结语

防汛决策是关系国计民生的大事，而水库防洪调度作为防汛决策的重要部分，具有很强的时效性要求，需要实时预报，滚动修正调度。大中型水库抗暴雨能力计算结果可作为水库汛期调度决策的重要参考，一定程度上弥补防汛预报调度短板。在实际应用中，一场洪水调度过程中的水库最高水位、下游最大泄量、调度期末水库水位等都需要综合考虑。