于梅艷

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院,遼寧 沈陽 100013)

基于四象限法的中小型水庫防洪預(yù)警方法研究

于梅艷

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院,遼寧 沈陽 100013)

中小型水庫防洪預(yù)警對于保障水庫自身安全，以及下游保護(hù)區(qū)的生命財(cái)產(chǎn)安全有著重要的意義。然而，由于中小型水庫產(chǎn)匯流面積小，河道坡降大，匯流時(shí)間短，不宜采用復(fù)雜的方法進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警。針對該問題，提出了用四象限圖進(jìn)行快速預(yù)報(bào)預(yù)警的方法，并以實(shí)例證明了該方法的有效性。該方法能夠通過預(yù)報(bào)降雨進(jìn)行防洪預(yù)警，可最大限度地增加預(yù)見期，爭取防洪有利時(shí)間。

中小型水庫；防洪預(yù)警；預(yù)警級別；綜合洪水預(yù)報(bào)圖

遼寧省共有水庫921座，其中小型水庫808座，占水庫總數(shù)的87.7%。大部分水庫是在1958—1976年期間建設(shè)，受當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件等方面的限制，工程質(zhì)量差，并且長期以來工程管理粗放、老化失修，存在大量病險(xiǎn)隱患。據(jù)統(tǒng)計(jì)近20 a來，遼寧省75%的洪水災(zāi)害發(fā)生在中小水庫流域，垮壩27座，造成了嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失，小型水庫的防洪形勢相當(dāng)嚴(yán)峻。遼寧省小型水庫庫容小、量大、面廣，且多數(shù)處于缺少水文監(jiān)測站的偏遠(yuǎn)山區(qū)，目前不可能完全通過工程措施或者先進(jìn)的技術(shù)手段消除安全隱患。在此背景下，研究中小型水庫預(yù)警方案對于保障水庫自身安全，以及下游保護(hù)區(qū)的生命財(cái)產(chǎn)安全意義重大。

隨著氣象站網(wǎng)的加密建設(shè)，覆蓋范圍越來越廣[1]，利用水庫所在流域或鄰近流域的降雨資料或預(yù)報(bào)降雨資料進(jìn)行防洪預(yù)報(bào)，則可以彌補(bǔ)缺乏庫區(qū)水文監(jiān)測資料的不足。由于預(yù)報(bào)庫水位早于實(shí)測水位，預(yù)報(bào)洪水位早于預(yù)報(bào)庫水位，預(yù)報(bào)凈雨早于預(yù)報(bào)洪水，降雨(或預(yù)報(bào)降雨)早于預(yù)報(bào)凈雨，利用降雨(或預(yù)報(bào)降雨)進(jìn)行防洪預(yù)警還能夠最大限度的增加預(yù)見期，便于及時(shí)采取有效應(yīng)對措施。本次研究的主要目的是利用降雨(或預(yù)報(bào)降雨)結(jié)合洪水預(yù)報(bào)模型，以及防洪調(diào)度模型等對缺少水文測站流域的中小型水庫進(jìn)行預(yù)警。

1 洪水預(yù)報(bào)、防洪調(diào)度與綜合洪水預(yù)報(bào)圖

對降雨形成的洪水過程進(jìn)行預(yù)報(bào)稱洪水預(yù)報(bào)[2]。它是防洪非工程措施的重要內(nèi)容之一，直接為防汛搶險(xiǎn)、水利工程建設(shè)和調(diào)度運(yùn)用管理服務(wù)。它包括流域內(nèi)一次暴雨徑流量(降雨產(chǎn)流預(yù)報(bào))及其徑流過程(流域匯流預(yù)報(bào))。預(yù)報(bào)項(xiàng)目一般包括洪峰水位或洪峰流量及其出現(xiàn)時(shí)間、洪水漲落過程及洪水總量。洪水預(yù)報(bào)方法可以用新安江模型、遼寧指數(shù)模型、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。對于小型水庫，產(chǎn)匯流面積小，河道坡降大，匯流時(shí)間短，不宜采用復(fù)雜的預(yù)報(bào)方法，宜采用在產(chǎn)流、匯流理論基礎(chǔ)上的經(jīng)驗(yàn)性方法，如降雨～徑流關(guān)系曲線、徑流深～峰量關(guān)系曲線預(yù)報(bào)洪水總量與峰值，用概化三角形法預(yù)報(bào)流量過程線。水庫的防洪調(diào)度是根據(jù)洪水預(yù)報(bào)成果，結(jié)合水庫的調(diào)度措施，模擬計(jì)算水庫某種調(diào)度模式下可能發(fā)生的最高水位、最大泄洪流量[3]。

針對小型水庫的特點(diǎn)，可采用洪水預(yù)報(bào)綜合相關(guān)圖來進(jìn)行最高水位、最大泄量的快速預(yù)報(bào)，以最大化的節(jié)省預(yù)報(bào)時(shí)間。四象限綜合相關(guān)圖法綜合了水庫的入庫流量預(yù)報(bào)，將與水庫調(diào)洪演算的有關(guān)曲線繪到一張圖上。

在第一象限以庫容為縱坐標(biāo)，溢洪道泄流量為橫坐標(biāo)，點(diǎn)繪V～q關(guān)系曲線。同時(shí)在其下部繪出水位～庫容曲線即H～V曲線。

在第四象限以徑流深R(也可用P+W0)為縱坐標(biāo)，入庫洪峰流量Q入m為橫坐標(biāo)，有效降雨歷時(shí)為參數(shù)點(diǎn)繪P+W0～tc～Q入m關(guān)系曲線。

在第三象限以P+W0為縱坐標(biāo)，以W為橫坐標(biāo)，點(diǎn)繪P+W0～W關(guān)系曲線。

在第二象限以一次洪水總量W為橫坐標(biāo)，以未經(jīng)調(diào)洪的最大蓄水量為縱坐標(biāo)，以起漲庫容為參數(shù)，點(diǎn)繪W～V起～Vm關(guān)系線。W～V起～Vm關(guān)系線的制作,首先根據(jù)水庫的庫容曲線，假定各種起始水位H起值，由庫容曲線查得相應(yīng)的V起，再以各種V起條件下假定不同的來水量W值，用式Vm=V起+W計(jì)算Vm值。以W為橫坐標(biāo)，以Vm為縱坐標(biāo)，以V起為參數(shù)建立第二象限關(guān)系曲線。

2 綜合洪水預(yù)報(bào)圖的預(yù)報(bào)實(shí)例

某水庫7月25日2—17時(shí)，流域平均降雨420 mm，前期影響雨量W0=90 mm，有效降雨歷時(shí)tc=10 h，水庫7月25日8時(shí)開始起漲，起漲時(shí)水位14.1 m，相應(yīng)庫容為V起=2000萬m3，繪制水庫洪水預(yù)報(bào)綜合相關(guān)圖如圖1所示。求水庫最高水位、最大溢洪流量。

(1)以P+W0=420+90=510 mm，在圖1第三象限橫坐標(biāo)查得一次洪水總量W=3000萬m3。向上引垂線交于第二象限起漲庫容V起=2000萬m3等值線上，再向右引水平線在縱坐標(biāo)上確定a點(diǎn)。

圖1 水庫綜合洪水預(yù)報(bào)圖(四象限圖)

(2)已知溢洪水位相應(yīng)庫容V溢=2500萬m3，起漲庫容為V起=2000萬m3，故：

V攔=V溢-V起=2500-2000=500萬m3;

(3)以P+W0=510 mm，有效降雨歷時(shí)tc=

(4)連接a、b兩點(diǎn)交V～q關(guān)系曲線于c點(diǎn)，則c點(diǎn)在縱橫坐標(biāo)上截取的庫容和泄量即為所求最大庫容Vm=3800萬m3和最大泄量qm=350 m3/s。再從C點(diǎn)引水平線交第一象限下部H～V關(guān)系線上查得水位即為水庫最高水位Hm=16.2 m。整個(gè)查算過程如圖1中虛線所示。

3 防洪預(yù)警與預(yù)警級別

水庫防洪預(yù)警應(yīng)該起到洪水防御警示與危險(xiǎn)程度告之雙重作用，缺少其中任何一項(xiàng)都會(huì)影響洪水預(yù)警響應(yīng)的質(zhì)量與效果，降低防洪減災(zāi)效益。防洪預(yù)警也應(yīng)采取多級制，根據(jù)危險(xiǎn)程度進(jìn)行分級。本文以降雨(或預(yù)報(bào)降雨)為參數(shù)，以預(yù)報(bào)的庫水位為預(yù)警條件，水庫常用的調(diào)度指標(biāo)(汛限水位、設(shè)計(jì)水位、校核水位)為依據(jù)劃分預(yù)警等級如表1所示。根據(jù)當(dāng)前庫水位以及降雨量，利用四象限圖查找最高庫水位，當(dāng)預(yù)報(bào)最高庫水位達(dá)到汛限水位，則進(jìn)行黃色預(yù)警；當(dāng)預(yù)報(bào)最高庫水位達(dá)到設(shè)計(jì)水位，則進(jìn)行橙色預(yù)警；當(dāng)預(yù)報(bào)最高庫水位達(dá)到校核水位，則進(jìn)行紅色預(yù)警。

表1 預(yù)警級別劃分

結(jié)合本文中的預(yù)報(bào)實(shí)例，如果該水庫的汛限水位低于16.2 m，根據(jù)預(yù)報(bào)的最高洪水位16.2 m，對該水庫進(jìn)行黃色防洪預(yù)警，相關(guān)管理部門與管理人員根據(jù)黃色預(yù)警信息采取相應(yīng)的措施。

4 結(jié) 論

針對中小型水庫水文監(jiān)測資料不足、流域面積小，匯流時(shí)間短，洪水來勢猛等提出了利用綜合洪水預(yù)報(bào)圖法，基于預(yù)報(bào)降雨量進(jìn)行防洪洪水預(yù)警，根據(jù)預(yù)報(bào)最高水位劃分預(yù)警級別，當(dāng)預(yù)報(bào)最高庫水位達(dá)到警戒水位時(shí)，則進(jìn)行相應(yīng)預(yù)警，并以應(yīng)用實(shí)例證明了該方法的有效與快速。

利用降雨(或預(yù)報(bào)降雨)進(jìn)行防洪預(yù)警能夠最大限度的增加預(yù)見期，更大限度地爭取防洪時(shí)間，但由于預(yù)報(bào)模型的精確度、降雨的復(fù)雜性等問題，利用降雨(或預(yù)報(bào)降雨)進(jìn)行防洪預(yù)警也增加了風(fēng)險(xiǎn)性和不確定性。

[1] 劉曉偉，周延彤，于楊，等.遼寧省中小尺度加密自動(dòng)氣象站網(wǎng)系統(tǒng)[J]. 網(wǎng)絡(luò)與信息，2010(7)：28-29.

[2] 張有,汪濤,黃龍全.非工程防洪措施在防洪中的重要性[J]. 黑龍江水利科技, 2010, 38(5):185-186.

[3] 黃文松. 中小型水庫防洪調(diào)度探析[J]. 陜西水利, 2008(Z1):77-78.

Study on flood early warning method of small and medium-sizedreservoir based on integrated flood forecasting figure

YU Meiyan

(LiaoningProvincialResearchInstituteofWaterResourcesandHydropower,Shenyang110003，China)

Flood early warning of Small and medium-sized reservoir is of great significance to protect the safety of the reservoir and the life and property of the downstream area. However, complex methods for forecast and warning are not suitable for small and medium-sized reservoirs because of their small runoff area, large channel slope and short concentration time. this paper presents a fast forecasting and early warning method by integrated flood forecasting figure to prove its validity. This method can be used for flood early warning by predicted rainfall to maximize foreseeable period and make time for flood control.

small and medium-sized reservoirs; flood warning; warning level; integrated flood forecasting figure

于梅艷(1981-)，女，山東煙臺人，高級工程師，主要從事防洪減災(zāi)方面的研究。E-mail：yumeiyan123@163.com。

P338

A

2096-0506(2017)04-0044-03