小型水库防汛抗雨能力计算方法研究

于 雷

(大连市普兰店区生态环境事务服务中心，辽宁 大连 116200)

0 引 言

小型水库是指对天然径流起调节和拦蓄作用的水利工程，一般具有水产养殖、农田灌溉、防洪排涝等多种功能，其主体工程主要包括输水洞、溢洪道和拦河坝等。大连市普兰店区主要有大盛、大高屯、墨盘、老虎洞沟、高沟、双山、珍珠河、佘屯等12座小型水库，水库具有调蓄作用小、汇流时间段、分布范围广和数量众多等特点，防汛任务繁重且大多由乡镇管理，现状防汛力量非常薄弱。

现有小型水库尚无既适合水库和乡镇管理人员、又适合防汛决策的抗雨能力计算工具与成果，对于水库泄洪提升其抗雨能力已有计算方法考虑较少，历年汛期受强降雨影响时水库现状水位抵御洪水的能力无法及时准确的计算，大大增加了水库调度运行和安全防洪压力。因此，结合区域实际情况建立适用性较强的抗雨能力计算方法，并对小型水库抗雨能力进行实时有效的计算就显得非常重要。

1 防汛决策支持系统构成

1.1 水库抗雨能力影响因素

在特定水位条件下，水库能够抵御暴雨洪水的实际能力称为水库抗雨能力。一般地，将流域平均降雨量(mm)换算的水库所能拦蓄的洪水量称为最大允许降雨量。特定水位主要指水库校核洪水位、设计洪水位和讯限水位，水库抗雨能力主要有以下影响因素：

1)流域下垫面条件与抗雨能力相关。若流域前期降水较少、产流量少且土壤饱和度低，水库能够容纳的降雨量就较多，其抗雨能力也越大；反之，若流域前期降水多、产流量多且土壤相对饱和，水库能够容纳的降雨量较少，相应的抗雨能力就越小。

2)剩余防洪库容与抗雨能力相关。若水库水位偏低则剩余防洪库容就大，水库可容纳的降雨量较多，相应的抗雨能力就越强；反之，水库水位偏高则剩余防洪库容就小，相应的抗雨能力就越弱。

3)溢洪道泄流能力与抗雨能力相关。保持其他条件不变时，若溢洪道具有较大的泄流能力则出库水量增多，水库净增蓄量小其抗雨能力就越大；反之，若溢洪道具有较小的泄流能力则出库水量减少，水库净增蓄量大其抗雨能力就越小。

4)降雨时程分配与抗雨能力相关。特定时间内降雨总量相同的情况下，降雨时程分配会改变产流过程，对于短历时、高强度的强降雨土壤来不及饱和就可能开始产流，而均匀性、长历时降雨时不易形成有效径流，降雨大部分会被蒸发掉或者下渗。因此，不同的降雨过程会使得入库洪水过程出现明显差异，对出库流量产生间接影响，并进一步改变抗雨能力计算结果。

1.2 抗雨能力图表编制的作用

抗雨能力图表是以最大允许降雨量表示水库各级蓄水位以上的抗洪能力，并将其编制成图表，数据计算的基础是水库水位-库容曲线。水库水文预报测报以编制的抗雨能力图表为根本依据，水库实时库水位下的最大允许降雨量可通过查找抗雨能力图表确定，以便在防汛调度运行过程中掌握主动权，做到心中有数。根据天气预报、水情或雨情等因素可确定汛期水库抗洪安全程度，为管理和防汛部门及时采取有效的措施提供决策依据。

发生超标洪水时可以提前采取临时加高坝顶或降低水位腾出部分库容等措施，有效应对洪水，保证下游和水库安全度汛。由此以来，既能使水库有足够的蓄水供兴利之用又能保证水库安全，有效解决水库兴利与防洪相互矛盾的问题。

1.3 抗雨能力计算流程

水库所在地的降雨-径流经验相关图和水库水量平衡方程是计算抗雨能力的主要依据，其计算流程见图1。

图1 抗雨能力计算流程

1.4 降雨-径流相关图及其应用

将统计相关与成因分析相结合利用每次降雨产生的径流深和流域平均降雨量，并考虑各影响因素作用建立的定量相关图即为降雨径流经验相关图，其中P+Pa-R属于工程中最常用的相关图。

将大连市普兰店区12座小型水库所在水文分区按中小河流设计暴雨洪水计算方法划分成Ⅳ区或Ⅲ2区，并运用P+Pa-R相关图确定降雨径流关系，按照该方法计算的相关图数据见表1，生成的Ⅳ区和Ⅲ2区降雨径流相关图见图2。

图2 降雨径流经验相关图

表1 降雨径流经验相关图数据 mm

在计算抗雨能力时径流深R按照水库能够抵御的水量W确定，然后将P、P+Pa利用P+Pa-R关系图确定，应用流程如下：

1)P+Pa-R关系图在径流深R超过50mm的条件下为直线，通过原点的45°线与P+Pa-R关系图平行，流域最大蓄水量Im为P+Pa-R轴交点与其延长线的截距，符合P=R+Im-Pa的要求，经计算确定Ⅳ区Im=140、Ⅲ2区Im=120。

2)P+Pa-R关系图在径流深R不超过50mm的条件下为曲线，若水库控制水位接近其起始水位则径流深R值较小，在前期影响雨量Pa值很大的情况下按曲线差值会产生R≤P的错误，为了简化计算以及防止出现以上情况，在径流深R2≤50mm时降雨量仍利用公式P=R+Im-Pa计算。

1.5 前期影响雨量的计算

为了反映土壤含水量大小一般利用前期影响雨量Pa指标，即按相隔天数连续打折扣的办法和降雨前逐日雨量计算前期影响雨量Pa。小型水库大多数不具备前期影响雨量Pa单独计算的条件，因此实际计算时可借鉴水文部门统计的周边水库Pa值。

每座小型水库的抗雨能力按土壤饱和(Pa=Im)、土壤半饱和(Pa=Im/2)、土壤很干(Pa=0)3种情况分别计算。

2 抗雨能力计算方法分析

水库各种起始水位的最大允许降雨量分为洪水来临时水库水位在溢洪道顶以上、不超过溢洪道顶以上两部分，即水库溢洪和不溢洪两种情况，编制水库抗雨能力查算图表时以前期影响雨量Pa作参数。

2.1 水位不超溢洪道底抗雨能力计算

小型水库无其他放水情况又不超过溢洪道条件下，溢洪道底及其以下各级水位之间抵御雨量或洪水的能力就是水库抗雨能力[1-2]，采用下式建立水量平衡方程，即：

W防=V溢-V起=V拦

(1)

(2)

首先，假设水库不同起涨水位计算各级起涨水位与水库溢洪道底之间的空余库容，并按照该库容确定径流深R；然后利用径流深R值查降雨径流相关图确定相应的P+Pa值，以不同的Pa值确定最大允许降雨量P值。

2.2 水位超溢洪道底抗洪能力计算

采用以下水量平衡方程式计算开敞式无闸门控制的溢洪道一次洪水的水量[3]，即：

W=Vm-V起+0.18qmt+0.09q起t

(3)

式中：t为溢洪历时，一般随洪水大小而变且取<洪水历时。水库抗洪能力取固定值时偏大，实际计算时要合理控制计算误差。

根据以下流程推导计算公式：①以三角形ABC作为水库入流过程(如图3)，其中D点为溢洪道以上水位回涨点，四边形ADEC的面积(△AEC和ADE面积之和)等于溢流总水量。②已知△AEC=qm×t/2、△ADE=DF×A/2，设DF=1/2q起、AE=t，则△ADE=1/4×q起×t，因此△ADE+△AEC=1/2×qm×t+1/4×q起×t。③假定不同现时库容和水位计算最高允许水位与各级水位之间的库容差值，即△V=Vm-V起。④计算溢洪道底以上不同q起相应的△V2=1/4×q起×t和最高允许水位下溢洪道最大泄量所对应的△V1=1/2×qm×t。⑤计算径流深R值及其对应的防御水量W防，并结合降雨径流相关图查找R值对应的P+Pa值，按照不同的Pa值计算最大允许降雨量P，在此基础上制作水库抗雨计算表并绘制抗雨能力图[4-5]。

图3 洪水出入库过程示意图

2.3 实例验证与分析

2.3.1 设计用洪水调节计算方法

24h内的短历时暴雨形成的小汇水面积洪水，其洪水过程线为洪水历史、参与调洪的洪量和最大流量组成的简化三角形，设W调、Qm为参与调洪的洪量和最大流量，并利用公式T=5.56W调/Qm确定洪水历时。若降雨前土壤已饱和(Pa=Im)可利用降雨径流相关线确定水库抗雨能力P=R+Im-Pa=R，即降雨产生径流并汇入水库。

方法1：采用计算公式W=Vm-V起+0.18qmt+0.09q起t确定抗雨能力；方法2：洪水调节计算，若以汛前水位作为水库起始水位时，利用简化三角形洪水过程线参与调洪的洪量W调，即通过溢洪道下泄的水量与水库滞留在水库中的水量。水库抵御的最大降雨量利用洪水调节计算，P=R=W调/(0.1F)。

大连市普兰店区12座小型水库抗雨能力利用以上2种方法进行计算，见表2。从表2可以看出：①设计洪水水位以下的抗雨能力计算结果误差均在规定的许可误差范围20mm以内，合格率达到100%；②校核洪水位以下的抗雨能力计算结果误差在规定许可误差范围20mm以内的有10座，合格率为83.3%。深入分析发现，采用5a一遇泄洪历时重现期和水库设计/校核洪水泄洪历时两种不同重现期，这是导致两种方法计算结果不同的主要原因。

表2 两种方法计算的水库抗雨能力

2.3.2 实际发生的强降雨对比

采用文中所属抗雨能力计算方法，计算2020年汛期几次强降雨中各水库设计洪水位以下和讯限水位以下的抗雨能力，经检验可知：汛前水位以下抗雨能力较小的水库出现超过水库讯限水位以下抗雨能力的强降雨时，通过抗雨能力计算大多发生了溢洪，这基本符合预测结果；此外，由于未出现超过设计洪水位以下抗雨能力的强降雨暂时无法进行比较[6-9]。

3 结 语

聚焦“强监管、补短板”的时代主题，坚持解决实际问题为目的、问题为导向重点解决信息化和防洪工程建设中小型水库的两大短板。

1)通过建设防汛决策支持系统，提出考虑水库泄洪情况且适合小型水库特点的抗雨能力计算方法。水库抗雨能力计算成果是水库与乡镇管理人员、水库主管部门和防汛决策的重要依据，应结合水库实施水位掌握现状抵御洪水和暴雨能力，进一步提升水库预报准确性和预警工作效率，在水库防汛调度时掌握主动权，及时采取有效的措施最大程度的降低洪水灾害影响。

2)在2020年防汛工作中建立的小型水库抗雨能力计算成果得到了应用和检验，解决了小型水库抗雨能力实时动态掌握的难题，为采取有效的应对措施和防汛决策提供了强有力的支撑。