大连市小型水库防汛决策支持系统研究与应用

王广森

(大连市水务事务服务中心，辽宁 大连 116001)

1 研究背景

小型水库是拦蓄和调节天然径流的控制性水利工程，具有防洪、灌溉和水产养殖等综合效益。水库主体工程一般由拦河坝(土坝居多)、溢洪道(大多数是开敞式溢洪道)和输水洞等组成。

大连地区现有注册总库容大于10万m3的小型水库共计181座。小型水库具有数量多、分布广、汇流时间短和调蓄作用小等特点，水库防汛任务繁重，且小型水库大多由乡镇进行管理，防汛技术力量薄弱。

现有小型水库尚无一套既适合防汛决策、又适合乡镇和水库管理人员使用的抗雨能力计算成果和工具。已有小型水库抗雨能力计算方法未考虑水库通过泄洪提高其抗雨能力这种情况，在历年汛期受到强降雨影响时，无法及时准确掌握水库当前水位抵御洪水的能力，水库防洪安全和调度运用压力极大。因此，建立适合本地区实际情况的小型水库抗雨能力计算方法，并完成实时有效的抗雨能力计算成果是十分必要的。

2 防汛决策支持系统基本要素

2.1 水库抗雨能力概念及其影响因素

水库抗雨能力就是水库在某一特定水位下，能安全抗御暴雨洪水的实际能力。习惯上常把水库所能拦蓄洪水量换算成流域平均降雨量(mm)，称之为水库允许最大降雨量。

特定水位通常指汛限水位、水库设计洪水位和水库校核洪水位。

影响水库抗雨能力的主要因素包括：

(1)抗雨能力与流域当前下垫面情况密切相关。如果流域前期降水较少，土壤饱和度低，产流量少，水库就可以容纳较多的降雨量，水库抗雨能力就大；反之，如果流域前期降水较多，土壤相对饱和，产流量多，水库抗雨能力就小。

(2)抗雨能力与剩余防洪库容密切相关。如果水库水位低，则剩余防洪库容大，就能够容纳更多的降雨量，水库抗雨能力就大；反之，水库水位高，则剩余防洪库容小，水库抗雨能力就小。

(3)抗雨能力与水库溢洪道的泄流能力密切相关。在其他条件相同的情况下，如果溢洪道泄流能力大，出库水量多，则水库净增蓄量小，水库抗雨能力就大；反之，如果溢洪道泄流能力小，出库水量少，则水库净增蓄量大，水库抗雨能力就小。

(4)抗雨能力与降雨时程分配也密切相关。对于一段时间内同样的降雨总量，不同的降雨时程分配会导致不同的产流过程。对于高强度、短历时的强降雨，土壤可能来不及饱和即开始产流，而对于长历时均匀性降雨过程，大部分降雨可能下渗或者蒸发掉，形不成有效径流。降雨过程不同将导致入库洪水过程不同，间接影响到水库出库流量变化，因此计算的抗雨能力也会不同。

2.2 抗雨能力图表编制及其作用

抗雨能力图表的编制是在水库水位—库容曲线数据的基础上，计算水库各级蓄水位以上的抗洪能力，以允许最大降雨量表示并制成图表。

编制抗雨能力图表是水库水文预报测报工作的一项重要内容。通过抗雨能力图表查得水库实时库水位下的允许最大降雨量，就能在水库防汛调度运用中做到心中有数，掌握主动权。汛期时可以根据当时的雨情、水情或天气预报，确定水库抗洪的安全程度，为有关防汛和管理部门提供决策依据，并及时采取相应措施。

在发生超标准洪水时，就可以提前采取降低水库水位腾出部分库容或临时加高坝顶等措施迎接洪水，确保水库和下游安全度汛。这样既能保证水库安全，又使水库有足够的蓄水供兴利之用，从而解决防洪与兴利的矛盾。

2.3 抗雨能力编制的流程

抗雨能力计算主要根据水库水量平衡方程和水库所在地区的降雨—径流经验相关图。技术路线如图1所示。

图1 技术路线图

2.4 降雨—径流相关图

降雨径流经验相关图是在成因分析与统计相关相结合的基础上，用每次降雨的流域平均雨量和相应产生的径流深以及影响它们的主要因素所建立起来的一种定量相关图，其中最常用的是P+Pa～R相关图。

根据《辽宁省中小河流(无资料地区)设计暴雨洪水计算方法》，以下简称《计算方法》，庄河市31座小型水库所在水文分区为Ⅲ2区或Ⅳ区，其降雨径流关系按《计算方法》附图(2-5)中的P+Pa～R相关图确定。

利用《计算方法》附图(2-5)，得到降雨径流经验相关图数据见表1。根据表1数据，生成Ⅲ2、Ⅳ区降雨径流经验相关图，如图2—3所示。

图2 Ⅲ2、Ⅳ区降雨～径流经验相关图

图3 Ⅲ2、Ⅳ区降雨径流经验相关图(低水放大部分)

表1 Ⅲ2、Ⅳ区降雨～径流经验相关图数据 单位：mm

2.5 降雨—径流相关图的应用

在抗雨能力计算时，根据水库所能抵御的水量W计算径流深R，再由P+Pa～R相关图确定P+Pa和P。

(1)当径流深R>50mm时，P+Pa～R相关图是直线。

P+Pa～R相关图与通过原点的45°线平行，其延长线与P+Pa轴交点的截距为流域最大蓄水量Im，满足P=R+Im-Pa。

计算结果，Ⅲ2区Im=110mm，Ⅳ区Im=130mm。

(2)当径流深R≤50mm时，P+Pa～R相关图为曲线。

如果水库起始水位与水库控制水位十分接近，径流深R值很小，且前期影响雨量Pa值又很大时，按曲线插值就会出现R≤P的错误，为了避免这种情况的出现，同时为简化计算，当径流深R≤50mm时，降雨量也按P=R+Im-Pa计算。

2.6 前期影响雨量Pa的确定

小型水库通常采用前期影响雨量Pa作为反映土壤含水量大小的一种指标。前期影响雨量Pa一般用降雨前逐日雨量按相隔天数连续打折扣的办法计算。

由于大多数小型水库不具备单独计算前期影响雨量Pa的条件，实际应用时可以参考水文部门计算的附近的大中型水库的Pa值。

实验从收敛性、平均传输速率及归一化网络满意度来衡量算法的性能.对比算法主要为几种常见的分配算法.(1)本文所提随机学习博弈算法(Stochastic Learning Game, SLG).(2)完全信息动态博弈(Complete Information of Dynamic Game,CIDG)，利用公式(2)为目标函数的一种最佳响应博弈模型.(3)本地博弈(Local Game)，利用式(2)为目标函数的随机学习算法.(4)随机选择算法(Random Selection).

本项目按土壤很干(Pa=0)，土壤半饱和(Pa=Im/2)，土壤饱和(Pa=Im)三种情况分别计算每座小型水库的抗雨能力。

3 抗雨能力计算方法的探究

水库各种起始水位的允许最大降雨量分为两部分：①洪水来临时水库水位不超过溢洪道顶的部分(即水库不溢洪情况)；②洪水来临时库水位在溢洪道顶以上的部分(即水库溢洪情况)。

本项目采用以前期影响雨量Pa作参数进行水库抗雨能力查算图表的编制。

3.1 水位不超过溢洪道底的抗雨能力计算

水库水位不超过溢洪道底又无其他放水情况时，水库的抗雨能力就是指溢洪道底以下各级水位至溢洪道底之间抗御洪水或雨量的能力。

根据水库水量平衡方程式：

W防=V溢-V起=V拦

(1)

(2)

具体步骤：

(1)首先假设水库不同起涨水位，计算水库溢洪道底至各级起涨水位水间的空余库容V拦。

(2)将此库容计算出径流深R。

(4)再假定不同的Pa值，计算允许最大降雨量P。

3.2 水位超过溢洪道底的抗洪能力计算

无闸门控制的开敞式溢洪道一次洪水的水量平衡方程式为：

W=Vm-V起+0.18qmt+0.09q起t

式中，t—溢洪历时，一般应取小于洪水历时，且随洪水大小而变。现取固定值，计算出的水库抗洪能力要偏大一些，实际应用时需注意这种误差。

公式的推导如下：

假定水库入流过程为三角形ABC，如图4所示。D点为溢洪道以上水位回涨点，溢洪总水量等于四边形ADEC的面积，即等于ΔADE与ΔAEC面积之和。

图 4 出、入库洪水过程示意图

又知：

ΔAEC=qm×t/2

(3)

ΔADE=DF×AE/2

(4)

设AE=tDF=1/2q起

则 ΔADE=1/2×1/2×q起×t=1/4 ×q起×t

故ΔAEC+ΔADE=1/2×qm×t+1/4×q起×t

其制作原理为：

(1)假定不同的现时水位和相应库容，算出各级水位至允许最高水位之间的库容差值，即ΔV=Vm-V起。

(2)计算允许最高水位下溢洪道最大泄量相应的ΔV1=1/2×qm×t值和溢洪道底以上不同q起相应的ΔV2=1/4×q起×t。

(3)计算防御水量W防和相应的径流深R值。

(4)根据降雨径流相关图，查出R所相应的P+Pa值，假定不同的Pa值，计算允许最大降雨量P。

(5)制作水库抗雨计算表。

(6)根据水库抗雨计算表绘制抗雨能力图。

3.3 示例的验证与应用

3.3.1与设计采用洪水调节计算方法比较

小汇水面积的洪水是由24h以内的短历时暴雨所形成，其洪水过程线大多为最大流量、参与调洪的洪量和洪水历时组成的简化三角形洪水过程线。假设Qm为最大流量，W调为参与调洪的洪量为洪量，洪水历时T=5.56W调/Qm。

假设此次降雨前土壤已经饱和，即Pa=Im，由降雨径流相关线可知，此时水库的抗雨能力P=R+Im-Pa=R，即降雨全部产生径流并进入水库中。

方法1：本次采用的抗雨能力计算公式

W=Vm-V起+0.18qmt+0.09q起t

(5)

方法2：洪水调节计算方法

当水库起始水位为汛限水位时，由简化三角形洪水过程线可知，水库滞留在水库中的水量和通过溢洪道下泄的水量之和就是参与调洪的洪量W调。则按洪水调节计算，水库所能抵御的最大降雨量P=R=W调/(0.1F)。

采用上述2种方法对31座水库的抗雨能力进行计算，结果见表2。由表2可知：

表2 两种水库抗雨能力计算结果比较

(1)设计洪水水位以下的抗雨能力：计算结果其误差均在《水文预报测报》规范规定的许可误差范围20mm之内，合格率100%。

(2)校核洪水位以下的抗雨能力：计算结果其误差在《水文预报测报》规范规定的许可误差范围20mm之内有27座，合格率87%。

分析其原因：方法1采用重现期为5年一遇的泄洪历时，而方法2采用重现期是该水库设计/校核洪水重现期的泄洪历时。

3.3.2用实际发生的强降雨进行对比

在2020年汛期的几次强降雨中，利用本项目采用的抗雨能力计算方法，分别计算各座水库在汛限水位以下的抗雨能力和设计洪水位以下的抗雨能力(考虑溢洪道泄洪情况)。经检验得出：

(1)降雨发生前通过抗雨能力计算查明的汛限水位以下抗雨能力较小的水库，当出现超过水库汛限水位以下抗雨能力的强降雨时，大多发生了溢洪，与预测结果基本相符。

(2)由于没有出现超过各水库设计洪水位以下的抗雨能力(考虑溢洪道泄洪情况)的强降雨，暂时无法进行比较。

4 成果与展望

聚焦“水利工程补短板、水利行业强监管”这一时代主题，坚持问题导向，以解决实际问题为目的，重点解决小型水库在防洪工程和信息化建设中两大短板。

(1)通过大连市小型水库防汛决策支持系统的建设，提出了适合小型水库特点的、考虑水库泄洪情况下的抗雨能力计算方法，通过分析计算来确定小型水库的抗雨能力，从而实现了小型水库抗雨能力计算方法上从无到有的突破。

(2)小型水库抗雨能力计算成果是防汛决策和水库主管部门、乡镇和水库管理人员的得力工具，可以根据水库实时水位，提前掌握水库当前抵御暴雨和洪水的能力，提高了水库预报预警工作的效率和预报准确性，在水库防汛调度运用中能够做到心中有数，掌握主动权，通过及时采取相应措施，将洪水灾害影响降到最低。

(3)本成果有静态图表和实时时态计算水库抗雨能力两种形式，两种方法相得益彰。填补了大连地区没有小型水库抗雨能力支持系统的空白，是一项具有开创性和实用性的工作，此方法在实践中得到检验、完善成熟后，继而覆盖到大连市全部小水库，也可为辽宁省其他地区提供借鉴和参考，因此本项研究推广应用前景十分广阔。

(4)建立的小型水库抗雨能力计算方法和成果在2020年的防汛工作中已得到实际应用和检验，解决了实时动态掌握小型水库抗雨能力的难题，在防汛工作中发挥了重要作用，为防汛决策提供了有力支撑，为采取应对措施赢得了宝贵时间，工作取得了实际成效。