水库抗雨能力计算模式探讨

袁敬雯

一、问题提出

在水库实际防洪调度中，当预报有降雨过程时，为了提高防汛的主动性，增加预判的准确性，除了降雨开始后进行实时洪水预报外，还需要在降雨开始前，根据预报信息进行假拟预报，提前做好各方面准备预报洪水过程，制定调度方案。而当水库较多、人力资源有限的情况下，需要大批量掌握水库的防洪状态，是一个工作难点。目前我省注册大中小型水库共792座，最多的大连市206座，其次抚顺市114座，如何迅速掌握水库的抵抗暴雨能力，为决策者提供科学准确的决策信息具有在重要意义。

二、调洪演算方法

1.龙格库塔法。当水库的下泄流量随着库水位的变化而变化时，已知时段内的平均入流量、时段初的库水位与出库流量，求解水库时段末水位和出库流量的方法有图解法、试算法和数值解法。其中数值解法无需作图和试算，适用于多泄流设备、变泄流方式、变计算时段等复杂情况下的调洪计算，便于应用计算机进行求解。

2.试算法。有些中小型水库，由于对下游河道或水库闸坝等水利工程的防洪运用具有重要作用，不仅需要预报出最高水位和最大泄洪流量，而且还要求预报出库水位和出库流量的变化过程。

利用水量平衡原理采用试算法演算水库的水位变化过程及出库流量变化过程，并统计出调度的特征值，结果可进行维护和保存。水量平衡原理方程如下：

（1）

其中：Q1、q1――分别为时段初入库、出库流量

Q2、q2――分别为时段末入库、出库流量

V1、V2――分别为时段初、时段末水库库容

三、抵抗暴雨能力计算模式

近年来，极端恶劣天气频发，为了在防汛时快速便捷的查算水库在不同土壤含水量、不同起调水位、不同防护标准下的抗雨能力，制作了水库抗御暴雨能力对照图，对大批量水库抗雨能力的计算进行快速计算，作为水库防洪调度新思路和新方法。在发生暴雨前后，可以通过对照图清晰的查出水库状态，为调度决策提供科学依据。主要研究了各水库下游保护标准下和设计标准下两种条件的抗御暴雨能力对照表，各水库标准如表1所示。

表 1 水库下游保护目标和设计标准成果表

水库 保护目标 设计标准

标准 水位 标准 水文

年 米 年 米

大伙房 100 134.54 1000 136.63

观音阁 100 262.8 1000 263.9

葠窝 100 99.97 300 100.22

汤河 50 110.81 100 111.44

清河 100 133.63 500 135.1

柴河 20 110.53 100 112

闹德海 50 188.16 100 189.56

白石 50 124.44 500 131.12

1.抗雨能力计算方法。在常规情况下，汛期水库水位低于汛限水位，将抗雨能力计算分为汛限水位以下部分和汛限水位以上部分（即汛限水位与防洪标准之间）。

（1）汛限水位以下部分抗雨能力P下

（2）

式中，为汛限水位相应库容；实际水位相应库容；F为水库控制流域面积；α为当前水库径流系数最大值。

（2）汛限水位以上部分抗雨能力P上

（3）

式中，Wf为水库不同设计频率对应洪量；F同上；α同上。

（3）水库实时可抗御暴雨能力P

（4）

需要特殊指出的是，当水库水位为汛限水位以上时，P下的计算结果为负值，即抗雨能力扣除超汛限水位部分。计算值上限为流域可能最大降雨值，下限为考虑下垫面情况下的流域蒸散发及截留能力。

2.径流系数计算。径流系数α的计算是本方法的一个关键环节，以水库历史场次洪水为样本，统计每场洪水的前期土壤含水量、降雨、凈雨等历史资料，建立土壤含水量和降雨的相关关系，画出两者的外包线，即为面临时刻径流系数的最高值。从防洪偏安全角度考虑，取径流系数最大值用于抗雨能力分析计算。

图1 大伙房水库径流系数外包线图

通过计算散点图拟合，计算大伙房水库产流系数外包线多项式为： ，假设面临时刻土壤含水量为70mm时，大伙房水库最大径流系数为0.83。各水库产流系数如表2所示。

表2水库产流系数计算表

水库 计算公式 测试 最大土壤含水量

产流系数 假拟土含

大伙房 y = -8E-05x2 + 0.016x + 0.1011 0.51 30 110

观音阁 y = -0.0002x2 + 0.0375x - 0.8514 0.90 100 100

葠窝 y = -0.0002x2 + 0.0375x - 0.8514 0.68 60 105

汤河 y = -5E-05x2 + 0.0111x + 0.2588 0.74 60 140

清河 y = -0.0001x2 + 0.024x - 0.4919 0.93 105 130

柴河 y = -0.0001x2 + 0.024x - 0.4919 0.86 90 140

闹德海 y =0.00142857x+0.6 0.87 190 220

白石 y =0.00142857x+0.6 0.89 200 210

在水库设计阶段和实际运行调度中，需要考虑的一个重要指标是下游保护目标，图2为计算的下游保护目标标准情况下水库的抗雨能力曲线图。

图2 大伙房水库下游保护标准下抗雨能力曲线图

四、结语

针对实际工作需要对多座水库同时进行抗雨能力分析计算的需求，本文大伙房水库为例建立了基于下游保护目标标准和设计标准情况下水库的抵抗暴雨能力查算曲线，对水库工程的抗御暴雨洪水能力进行了科学分析，其结果为我省经济社会防洪保安全领导决策提供重要技术支持。endprint