暴雨条件下小型水库预警模式研究

李春江，史学建，张宝森，时芳欣，汪自力

（1.黄河水利科学研究院，河南郑州450003；2.水利部堤防安全与病害防治工程技术研究中心，河南郑州450003）

据《第一次全国水利普查公报》数据［1］,全国建成各类水库98 002座,其中小型水库93 308座,占水库总数的95.2%,小型水库中小（1)型和小（2)型比例为1∶4.2。 另据统计［2］,1954—2006年全国各类溃坝水库中,小型水库占96.4%,其溃坝原因主要有洪水漫顶（占51.1%)、工程质量差（占32.0%)、运行管理不当（占10.6%)等。

为减少暴雨洪水漫顶对大坝安全及下游人员、财产的影响,应采取必要的防洪措施,包括工程措施和非工程措施,但小型水库数量大、分布广,难以形成完善的防洪工程体系,因此洪水预报、预警等非工程措施对小型水库防洪尤为重要。山洪预警模型有很多,如集总式水文模型、分布式水文模型、半分布式水文模型［3］。这些模型多应用于水文资料丰富的大中型水库流域预报,预报过程较复杂。而小型水库库容小、汇流时间短、水位上涨快,暴雨来临时,极易发生漫顶而溃坝,特别是由淤地坝改建的小型水库,淤积量较大,防洪库容更小。张大伟［4］介绍了极端强降雨条件下小型土石坝水库溃决的2个阶段及应对措施；李宏恩等［5］提出了水库工程安全监测系统与山洪灾害防治预警系统的协同预警模式；陈业华等［6］利用BP神经网络方法计算了突发洪水时水库漫坝风险概率；于梅艳［7］提出的四象限图法可以对中小型水库进行较快的防洪预警,但未提出多种预警方式,同时缺乏不同预警级别下的防洪抢险措施。

本文针对暴雨条件下气象预报-水位预警-防洪抢险三位一体的小型水库汛期预警模式进行研究。该模式高效便捷、适用性强,不仅可以最大限度增加坝前水位预见期,提前发布预警信息,还可以根据预警信息提前准备防洪调度抢险措施。

1 三位一体的小型水库预警模式

1.1 确立预警指标及阈值

小型水库存在基础资料匮乏、观测设施毁坏或缺失、无专职技术管理人员等问题［8］,不能简单地借鉴大型水库复杂的防洪预警指标体系,选取的预警指标应具有易懂、易识别、易操作等特点。水库坝前水位指标应更加直观,监测方便,只需在坝前建立观测水尺或在迎水坡上标注水位,适用于观测设备不完善的小型水库防洪预警。

水库防洪预警阈值是表征水库应对不同等级降雨而采取不同防洪调度抢险方案时的临界水位值。一般小型水库在设计初期或除险加固期都会设计汛限水位、溢洪道底板高程、坝顶高程,为便于观测及预警,笔者将这3种高程作为水位预警阈值,建立三级水位预警方案,提前发布预警信息,并采取不同的防洪调度抢险措施。

1.2 气象预报

小型水库大多数没有独立的雨水情观测设施,而汛期预测坝前水位需要观测或预报的降雨量,所以要借助水库周边气象站或雨量站监测数据,对入库洪量进行预估,进而预测坝前水位,提前掌握水库风险情况和承受能力,从而实现预警。

根据山洪灾害监测系统和气象监测系统建设成果,选取离水库最近的气象站或雨量站作为观测站,获取历史降雨资料及实时降雨资料,分析各站汛期多年平均最大降雨量与最大24 h降雨量,以做好水库长期预警和短期预警工作。

1.3 水位预测

小型水库控制流域面积小、河道坡降大、洪水入库时间短,不宜采用复杂洪量预报方法,宜在产流、汇流理论基础上,采用降雨—径流关系预估入库径流量,在初始库容基础上加上入库径流量,预测暴雨条件下水库可能发生的最高水位。

（1)计算入库径流量。由于不同土地利用类型的径流系数不同,产生的径流量也不同,因此设置不同土地利用类型面积比例,计算不同降雨条件下流域内的径流量,计算公式为

式中：w为径流量,m3；P为降雨量,mm；A为控制流域面积,m2；αi为第i类土地利用类型的径流系数；βi为第i类土地利用类型所占面积比例。

（2)拟合库容曲线函数。为便于快速自动推求相应蓄水量下的坝前水位,根据库容散点图拟合库容曲线,即

式中：h为坝前水位,m；v为蓄水量,m3。

（3)推求坝前水位。根据入库径流量计算暴雨时的坝前水位,计算公式为

式中：v0为初始蓄水量。

1.4 三级预警及防洪措施

利用国家或地区气象台预报、水库周边气象站或雨量站雨量监测、坝前自动水位计监测等3种方式,预测预报暴雨条件下的坝前水位。当水位达到预警阈值时,通过预设信息渠道（如手机APP、短信、微信、QQ)自动向水库责任单位及相关人员发送预警信息,同时提示准备相应的便携式防洪设备,及时疏散下游人员,具体见表1。

表1 三级预警及防洪应对方案

2 实例应用

花果山水库始建于1960年,位于泾河支流蒲河左岸一级支沟南小河沟小流域内,距庆阳市13 km,控制流域面积25 km2,主要由土坝、排水卧管和溢洪道组成。初建坝高20 m,后经过多次加高,目前最大坝高45.9 m,坝顶宽5 m,汛限水位1 189.00 m,溢洪道底板高程1 192.80 m,坝顶高程1 197.30 m,总库容524万m3,是一座集防洪、拦泥、保护科研试验基地和水土保持观测站以及向观测站供水等功能于一体的小（1)型水库。

2.1 相关数据及参数

根据需要,收集到花果山水库周边杨家沟雨量站和西峰气象站的降雨数据。杨家沟雨量站位于花果山水库所在的南小河沟流域内,为该流域内唯一的雨量站,其数据有1964—2017年年最大24 h降雨量与1990—2017年年降雨量。由于缺乏汛期降水资料,因此在对不同降水情景下的工况进行计算时,汛期多年平均降水量采用距花果山水库较近的西峰气象站汛期数据（1961—2009年)。花果山水库管理单位提供的水库径流场内相关径流参数见表2。2018年3月29日现状坝前水位为1 187.35 m。

表2 径流场年浑水径流系数

2.2 三种暴雨指标

（1)正常设计暴雨。根据杨家沟雨量站54 a最大24 h降雨量数据,绘制显著性水平α＝0.05的降水频率曲线（见图1),查询不同重情况下最大24 h降雨量（工况1),作为花果山水库正常设计暴雨,见图2。

图1 显著性水平α=0.05的降水频率曲线

（2)大尺度预报的极端暴雨。根据国家气象部门大尺度预报,2018年汛期黄河流域降雨可能比往年偏多2～5成［9］。基于水库防洪最不利条件考虑,以短时强降雨（工况2)和汛期长时降雨（工况3)两种工况为基础,选取杨家沟雨量站历年最大24 h降雨量中最大值作为工况2基准降雨量,西峰气象站汛期多年平均降雨量为工况3基准降雨量,分析这两种工况条件下的极端暴雨,见表3。

图2 不同重现期最大24 h降雨量（工况1）

表3 两种工况条件下的极端降雨量

（3)基于灰色理论的小尺度预报暴雨。灰色系统理论是一种研究“少数据”“贫信息”等不确定性问题的现代方法,广泛应用于水文预报。本文采用的灰色聚类-周期外延预测模型既能反映时间序列的变化趋势,也能对其周期性有较好的适用性［10］。

基于杨家沟雨量站28 a（1990—2017年)年降雨量预测2018年花果山水库汛期降雨量,采用灰色聚类-周期外延模型进行预测的结果见图3。结果表明：经过模型率定和验证后,实测序列和预测序列相关性为0.7,纳什系数为0.49,证明该方法适用于花果山水库区域,根据以上模型预测2018年降水量为520 mm。经查花果山水库设计资料［11］,汛期降雨量占全年降水量为56.2%,由此推求2018年汛期花果山水库预测降雨量为292.24 mm（工况4)。

图3 基于灰色聚类-周期外延模型预测的2018年年降水量（工况4）

2.3 水位预测及分析

根据花果山水库库容散点图,拟合库容曲线函数如下：

在不考虑调度调洪情况下,根据相关径流参数及式（1)至式（3),预测现状水位1 187.35 m条件下3种暴雨4种工况下的坝前水位,工况1结果见图4,工况2和3结果见图5,工况4预测坝前水位为1 199.80 m。

图4 正常设计暴雨条件下不同暴雨强度的预测坝前水位

图5 极端暴雨条件下预测的坝前水位

分析预测结果,可以得到以下结论。

（1)图4表示正常设计暴雨条件下,工况1条件下暴雨重现期若超过5 a一遇,则坝前水位将超过汛限水位；若超过30 a一遇,则坝前水位将超过溢洪道底板高程而溢流；若发生300 a一遇降雨,则坝前水位不超坝顶高程,无漫坝风险。

（2)图5表示大尺度预报的极端暴雨条件下,不管是工况2还是工况3,坝前水位都将超汛限水位和溢洪道底板高程而发生溢流；工况2在降雨量多50%条件下,不会超坝顶高程,无漫坝风险；工况3在基准降雨条件下就有漫坝风险。

（3)工况4是小尺度预报的降雨量,其预测坝前水位为1 199.80 m,将超坝顶高程（1 197.30 m),有漫坝风险。

（4)4种工况分析结果表明,坝前水位都有超汛限水位的可能,可在进入汛期之前搭建多组虹吸管道用于紧急排水,同时准备水泥复合材料毯用于搭建坝面临时泄洪槽。

2.4 三级水位预警示例

依据表1,建立花果山水库三级预警方案,见图6。当坝前水位达到或超过汛限水位1 189.00 m时,为蓝色预警；当坝前水位达到或超过溢洪道底板高程1 192.80 m时,为黄色预警；当坝前水位达到或超过坝顶高程1 197.30 m时,为红色预警,同时采取相应的应对方案。

图6 花果山水库三级水位预警及防洪应对方案

2.4.1 国家或地区气象预警预报

气象部门将24 h降雨量分为七个等级：微量（＜0.1 mm)、小雨（0.1～9.9 mm)、中雨（10.0～24.9 mm)、大雨（25.0～49.9 mm)、暴雨（50.0～99.9 mm)、大暴雨（100.0～249.9 mm)、特大暴雨（＞250.0 mm)。

花果山水库历史最大24 h降雨P-Ⅲ型频率曲线计算结果为：5 a一遇75.32 mm,10 a一遇90.94 mm,30 a一遇114.46 mm,100 a一遇 138.66 mm,300 a一遇160.5 mm。

当中央气象台或庆阳地区的天气预报为暴雨、大暴雨、特大暴雨时,花果山水库根据水位预测结果发出不同等级的水位预警。

2.4.2 水库周边气象站或雨量站雨量监测预警

根据监测的降雨量推求洪量和坝前水位,如当杨家沟雨量站观测到30 min降雨量达到15 mm或24 h降雨量达到75 mm时,花果山水库发出相应的水位预警。

2.4.3 自动水位计监测预警

花果山水库库区安装有自动水位计,利用现场自动水位计监测到的数据,当坝前水位达到汛限水位1 189.00 m时,发布蓝色预警；当坝前水位达到溢洪水位1 192.80 m时,发布黄色预警；当坝前水位达到或超过坝顶高程1 197.30 m时,发布红色预警。

3 结 语

（1)基于降雨—径流模型,以坝前水位为预警指标,构建了集气象预报-水位预警-防汛抢险等三位一体的小型水库安全度汛预警模式,可为小型水库度汛方案的编制提供科学依据。

（2)提出了以汛限水位、溢洪道底板高程、坝顶高程为预警阈值的三级水位预警及防洪抢险方案,可通过3种方式开展预警（天气预报、雨量监测、自动水位计监测)。

（3)依据花果山水库预测预报结果分析,汛期降雨将超汛限水位,建议汛期提前安装几组虹吸排水管道及时排水；同时存在漫顶风险,应提前准备水泥复合材料毯,以备快速铺设坝面临时泄洪槽。