小型水库暴雨承载能力分析模型构建思路初探

阎诗佳

(辽宁省水利事务服务中心，辽宁 沈阳 110000)

1 小型水库暴雨承载能力的概念及主要内容

1.1 小型水库暴雨承载能力概念

小型水库在降雨过程中，更多的是被动地承受暴雨和洪水，而不是主动地抗御暴雨，因此，在此定义暴雨承载能力更为恰当和准确。小型水库的暴雨承载能力是指小型水库在某一时刻库容情况下能承载的最大雨强。在分析小型水库的暴雨承载能力时，应根据小型水库在该时刻的蓄水量及预报时段内的动态泄流量，把水库在这一时刻能够拦蓄的洪水总量作为暴雨洪水承载总量Wc。通过径流量与径流深关系R=W/0.1F计算，将暴雨洪水承载总量Wc折合成径流深Rc，再运用产汇流计算方法，将其转换成该流域的降雨量Pc，即为该小型水库的在未来某时段能够承载的最大降雨量，称之为暴雨承载能力值。将暴雨承载能力值与预报降水强度Pf做对比，判断小型水库的安全程度。当气象预报的降水强度小于暴雨承载能力时，即Pf

1.2 小型水库暴雨承载能力分析主要内容

通过小型水库暴雨承载能力的概念不难看出，小型水库暴雨承载能力与水库空余库容和水库的下泄能力直接正相关。水库的空余库容越小，其能够拦蓄的洪水总量就越少，能够承载的降水强度就越小，暴雨承载能力就越差，强降雨下承受的风险就越高。水库的空余库容越大，其能够拦蓄的洪水总量就越多，能够承载的降水强度就越大，暴雨承载能力就越强，强降雨下承受的风险就越低。水库的下泄能力越强，其坝前可以调节的洪水量就越大，能够承载的降水总量就越大，暴雨承载能力就越强。水库的下泄能力越差，其坝前可以调节的洪水量就越小，能够承载的降水总量就越小，暴雨承载能力就越差。小型水库暴雨承载能力的分析计算需要分别分析预报时刻小型水库的空余库容折合的径流深和下泄流量折合的径流深，从而得到水库能够承载暴雨折合的总径流深。在分析小型水库能承载的最大雨强时，从水库所在地区的产汇流情况入手，确定不同地区水库流域的降雨径流关系，最终计算得出总径流深对应的折合降水量。综上可得出，确定小型水库暴雨承载能力主要从两方面入手，其一是要确定水库流域地区的降雨径流关系，其二是要分析计算出水库预报时刻空余库容和下泄能力所能承受的总径流深。在小型水库暴雨承载能力模型构建过程中，需要根据不同小型水库的不同流域特点具体分析。

2 水库暴雨承载能力分析研究现状

2.1 水库洪水预报的主要方法

洪水预报主要有经验相关模型和水文模型分析两个主要方法。经验相关模型主要采用降雨径流相关法和合轴相关图等。水文分析模型主要分为集总式水文模型和分布式水文模型，基于3S和计算机技术的发展以及水文信息化的不断完善，全面考虑降雨和下垫面条件的分布式模型成为水文预报的主要模型[1]。国内外根据实际工作建立了新安江模型、双超产流模型、河北雨洪模型、大伙房模型、水箱模型等，对于水库洪水预报的研究较丰富[2]。

2.1.1 模型法水库暴雨承载能力分析

对团结大型水库进行抗暴雨能力分析时，采用新安江模型进行产汇流计算，率定模型参数，并针对不同土壤饱和状态绘制的抗暴雨能力曲线，再通过内插法求得现时水位下的暴雨承载能力[3-4]。大伙房模型主要针对北方超渗产流地区，分为产流和汇流两个部分，在东北地区大型水库得到较好的应用[5]。这些模型法水库暴雨承载能力的研究都是针对基础资料比较全面准确的大型水库进行的暴雨承载能力分析，对环境复杂、基础设施薄弱的小型水库并不完全适用。

2.1.2 图解法水库暴雨承载能力分析

利用图解法分析水库暴雨承载能力时通过绘制暴雨频率—雨量、暴雨频率—洪峰及暴雨频率—洪水总量、暴雨频率—起水位—洪水位等关系曲线进行计算。在确定以径流系数为参数的洪水总量和水库暴雨承载能力分析中，一般以流域植被状况为依据，全方位、系统地对植物叶面截留、土壤含水量进行分析，确定其径流系数，并计算确定得出汇流时间及洪水总量[6]。一般基于实测法，分析水库多场次降雨过程的出入库洪水量，绘制得到降雨量—洪水总量、洪水总量—泄流量、洪水总量—最大净增蓄量关系曲线图，通过图解得到降雨量—最大净增蓄量曲线与可容纳空余防洪库容作对比，求得未来一段时间的暴雨承载能力值。图解法水库暴雨承载能力的研究对水库的基础水文数据和资料要求较高，数据缺失或实测数据有较大误差或错误都对分析计算结果有直接影响。更重要的是图解法一般仅针对某一个水库进行分析，而针对小型水库点多面广的特点，在暴雨承载能力分析时一般需要对流域内受强降水影响范围内的多个水库进行批量研判，应用图解法具有一定的局限性。

2.1.3 快速评估法水库暴雨承载能力分析

针对模型法和图解法的局限性，同样有部分研究针对模型进行了简化，以达到批量计算、快速评估的目的。在中小型水库抗御降雨的快速评估研究中，忽略泄量较小的泄水设施，将水库分为超汛限运行水库和正常运行水库，分别对两类水库利用现有的参数进行分析计算，以此为基础通过计算机编程即可实现大范围的批量化预报[7]。此外，结合水文基础信息库的水雨情自动测报系统，参考大型水库暴雨承载能力的分析方法，将其充分拓展至小型水库计算，也能实现批量化预报过程[8]。这些小型水库暴雨承载能力的快速评估研究方法过程虽然初步实现了批量化快速预报，但分析过程不够系统，且分析预报的结果可靠性并未得到有效的验证。

2.2 小型水库暴雨承载能力研究方法总结

通过以上分析可以发现，面对小型水库复杂的特点，现有的模型法、图解法、快速评估法等水库暴雨承载能力分析方法对小型水库的分析和研究都具有局限性。对基础资料差、范围广、情况复杂的小型水库，还需要加强暴雨承载能力分析的系统性，强化模型构建的针对性，提高研究的可靠性。因此，要在总结全国各地大、中、小型水库暴雨承载能力分析方法的基础上，理清小型水库暴雨承载能力研究方法，梳理分析模型构建思路。

3 小型水库暴雨承载能力模型构建基本思路

针对小型水库地理分布广、自动化水雨情监测设备不完备、流域数据资料准确性不够高等特点，在构建小型水库暴雨承载能力分析计算模型的过程中应按照不同水库的流域区域特性对其进行分区分类。通过实时数据资料分析计算小型水库暴雨承载能力，构建小型水库暴雨承载能力模型，从而得出预报时段小型水库暴雨承载能力。

3.1 确定计算分区

在分析小型水库地理流域和水文地质分布条件等特点的基础上，考虑小型水库规模小、分布广、水文信息不全等特点，在建立模型时参照产汇流情况，对小型水库进行分类，主要按照当地水文分区原则，分区域、分空间、分特点研究。

3.2 确定计算方法

将各个水文分区的降雨径流参数作为主要计算基础，确定不同水文分区的计算方法，计算不同类型分区的降雨径流关系，分析降雨径流深关系，建立不同分区的暴雨承载能力模型。参考饱和产流地区产流计算方法，可利用流域系数α、降水量P、流域实际蓄水量Pa，采用径流计算公式计算降雨径流关系，如式(1)：

R=P-(1/α-Pa)(1-e-αP)

(1)

式中：R为径流深，mm；P为降雨量，mm；a为流域系数；Pa为流域实际蓄水量，104m3;C为计算常数，取2.71828。

(2)

部分流域地区还需要结合降雨径流经验相关图综合分析计算。

3.3 模型分析计算及精度验证

以实测数据为基础，以计算机技术为辅助，分别计算每座小型水库预报时段的空余库容和下泄能力折合的总径流深Rt。以分区为基础，分析不同类型分区的降雨径流关系，计算得出小型水库总径流深Rt所对应的时段降雨强度，即求得小型水库的暴雨承载能力值Pc。

3.4 模型精度验证

分别按照模型计算分区、降雨级别等不同方式，对模型的精度进行验证，确定模型应用的可行性。

3.5 建立暴雨承载能力预警

对比每座小型水库的暴雨承载能力值Pc与时段预报的降雨量Pf，提前分析研判预报时段内小型水库的安全运行状态，并根据预报的降雨强度与暴雨承载能力值的差值大小发布不同等级的暴雨承载能力预警。

4 结 语

本文分析了小型水库暴雨承载能力的概念，探索了暴雨承载能力分析模型构建的思路，针对小型水库点多、面广、管理体系不健全的特点，即保障了暴雨承载能力分析的批量化，减小了单一水库逐个预报的限制，又提高了暴雨承载能力分析的准确性。通过加强小型水库暴雨承载能力分析，不断完善小型水库的暴雨承载能力预报预警，为提高小型水库安全运行、科学合理防汛调度决策、保障人民群众生命财产安全提供了技术支持。在模型应用上，需要结合地区实际情况进行具体分析构建，并对模型的精度进行校验，以不断优化完善模型。在此基础上，还需要构建小型水库暴雨承载能力分析预警体系，建立运行保障机制，健全小型水库暴雨承载能力分析体系。