王廣森

(大連市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 大連 116001)

1 研究背景

小型水庫(kù)是攔蓄和調(diào)節(jié)天然徑流的控制性水利工程，具有防洪、灌溉和水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合效益。水庫(kù)主體工程一般由攔河壩(土壩居多)、溢洪道(大多數(shù)是開(kāi)敞式溢洪道)和輸水洞等組成。

大連地區(qū)現(xiàn)有注冊(cè)總庫(kù)容大于10萬(wàn)m3的小型水庫(kù)共計(jì)181座。小型水庫(kù)具有數(shù)量多、分布廣、匯流時(shí)間短和調(diào)蓄作用小等特點(diǎn)，水庫(kù)防汛任務(wù)繁重，且小型水庫(kù)大多由鄉(xiāng)鎮(zhèn)進(jìn)行管理，防汛技術(shù)力量薄弱。

現(xiàn)有小型水庫(kù)尚無(wú)一套既適合防汛決策、又適合鄉(xiāng)鎮(zhèn)和水庫(kù)管理人員使用的抗雨能力計(jì)算成果和工具。已有小型水庫(kù)抗雨能力計(jì)算方法未考慮水庫(kù)通過(guò)泄洪提高其抗雨能力這種情況，在歷年汛期受到強(qiáng)降雨影響時(shí)，無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確掌握水庫(kù)當(dāng)前水位抵御洪水的能力，水庫(kù)防洪安全和調(diào)度運(yùn)用壓力極大。因此，建立適合本地區(qū)實(shí)際情況的小型水庫(kù)抗雨能力計(jì)算方法，并完成實(shí)時(shí)有效的抗雨能力計(jì)算成果是十分必要的。

2 防汛決策支持系統(tǒng)基本要素

2.1 水庫(kù)抗雨能力概念及其影響因素

水庫(kù)抗雨能力就是水庫(kù)在某一特定水位下，能安全抗御暴雨洪水的實(shí)際能力。習(xí)慣上常把水庫(kù)所能攔蓄洪水量換算成流域平均降雨量(mm)，稱之為水庫(kù)允許最大降雨量。

特定水位通常指汛限水位、水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位和水庫(kù)校核洪水位。

影響水庫(kù)抗雨能力的主要因素包括：

(1)抗雨能力與流域當(dāng)前下墊面情況密切相關(guān)。如果流域前期降水較少，土壤飽和度低，產(chǎn)流量少，水庫(kù)就可以容納較多的降雨量，水庫(kù)抗雨能力就大；反之，如果流域前期降水較多，土壤相對(duì)飽和，產(chǎn)流量多，水庫(kù)抗雨能力就小。

(2)抗雨能力與剩余防洪庫(kù)容密切相關(guān)。如果水庫(kù)水位低，則剩余防洪庫(kù)容大，就能夠容納更多的降雨量，水庫(kù)抗雨能力就大；反之，水庫(kù)水位高，則剩余防洪庫(kù)容小，水庫(kù)抗雨能力就小。

(3)抗雨能力與水庫(kù)溢洪道的泄流能力密切相關(guān)。在其他條件相同的情況下，如果溢洪道泄流能力大，出庫(kù)水量多，則水庫(kù)凈增蓄量小，水庫(kù)抗雨能力就大；反之，如果溢洪道泄流能力小，出庫(kù)水量少，則水庫(kù)凈增蓄量大，水庫(kù)抗雨能力就小。

(4)抗雨能力與降雨時(shí)程分配也密切相關(guān)。對(duì)于一段時(shí)間內(nèi)同樣的降雨總量，不同的降雨時(shí)程分配會(huì)導(dǎo)致不同的產(chǎn)流過(guò)程。對(duì)于高強(qiáng)度、短歷時(shí)的強(qiáng)降雨，土壤可能來(lái)不及飽和即開(kāi)始產(chǎn)流，而對(duì)于長(zhǎng)歷時(shí)均勻性降雨過(guò)程，大部分降雨可能下滲或者蒸發(fā)掉，形不成有效徑流。降雨過(guò)程不同將導(dǎo)致入庫(kù)洪水過(guò)程不同，間接影響到水庫(kù)出庫(kù)流量變化，因此計(jì)算的抗雨能力也會(huì)不同。

2.2 抗雨能力圖表編制及其作用

抗雨能力圖表的編制是在水庫(kù)水位—庫(kù)容曲線數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，計(jì)算水庫(kù)各級(jí)蓄水位以上的抗洪能力，以允許最大降雨量表示并制成圖表。

編制抗雨能力圖表是水庫(kù)水文預(yù)報(bào)測(cè)報(bào)工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容。通過(guò)抗雨能力圖表查得水庫(kù)實(shí)時(shí)庫(kù)水位下的允許最大降雨量，就能在水庫(kù)防汛調(diào)度運(yùn)用中做到心中有數(shù)，掌握主動(dòng)權(quán)。汛期時(shí)可以根據(jù)當(dāng)時(shí)的雨情、水情或天氣預(yù)報(bào)，確定水庫(kù)抗洪的安全程度，為有關(guān)防汛和管理部門提供決策依據(jù)，并及時(shí)采取相應(yīng)措施。

在發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，就可以提前采取降低水庫(kù)水位騰出部分庫(kù)容或臨時(shí)加高壩頂?shù)却胧┯雍樗?，確保水庫(kù)和下游安全度汛。這樣既能保證水庫(kù)安全，又使水庫(kù)有足夠的蓄水供興利之用，從而解決防洪與興利的矛盾。

2.3 抗雨能力編制的流程

抗雨能力計(jì)算主要根據(jù)水庫(kù)水量平衡方程和水庫(kù)所在地區(qū)的降雨—徑流經(jīng)驗(yàn)相關(guān)圖。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

2.4 降雨—徑流相關(guān)圖

降雨徑流經(jīng)驗(yàn)相關(guān)圖是在成因分析與統(tǒng)計(jì)相關(guān)相結(jié)合的基礎(chǔ)上，用每次降雨的流域平均雨量和相應(yīng)產(chǎn)生的徑流深以及影響它們的主要因素所建立起來(lái)的一種定量相關(guān)圖，其中最常用的是P+Pa～R相關(guān)圖。

根據(jù)《遼寧省中小河流(無(wú)資料地區(qū))設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法》，以下簡(jiǎn)稱《計(jì)算方法》，莊河市31座小型水庫(kù)所在水文分區(qū)為Ⅲ2區(qū)或Ⅳ區(qū)，其降雨徑流關(guān)系按《計(jì)算方法》附圖(2-5)中的P+Pa～R相關(guān)圖確定。

利用《計(jì)算方法》附圖(2-5)，得到降雨徑流經(jīng)驗(yàn)相關(guān)圖數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，生成Ⅲ2、Ⅳ區(qū)降雨徑流經(jīng)驗(yàn)相關(guān)圖，如圖2—3所示。

圖2 Ⅲ2、Ⅳ區(qū)降雨～徑流經(jīng)驗(yàn)相關(guān)圖

圖3 Ⅲ2、Ⅳ區(qū)降雨徑流經(jīng)驗(yàn)相關(guān)圖(低水放大部分)

表1 Ⅲ2、Ⅳ區(qū)降雨～徑流經(jīng)驗(yàn)相關(guān)圖數(shù)據(jù) 單位：mm

2.5 降雨—徑流相關(guān)圖的應(yīng)用

在抗雨能力計(jì)算時(shí)，根據(jù)水庫(kù)所能抵御的水量W計(jì)算徑流深R，再由P+Pa～R相關(guān)圖確定P+Pa和P。

(1)當(dāng)徑流深R>50mm時(shí)，P+Pa～R相關(guān)圖是直線。

P+Pa～R相關(guān)圖與通過(guò)原點(diǎn)的45°線平行，其延長(zhǎng)線與P+Pa軸交點(diǎn)的截距為流域最大蓄水量Im，滿足P=R+Im-Pa。

計(jì)算結(jié)果，Ⅲ2區(qū)Im=110mm，Ⅳ區(qū)Im=130mm。

(2)當(dāng)徑流深R≤50mm時(shí)，P+Pa～R相關(guān)圖為曲線。

如果水庫(kù)起始水位與水庫(kù)控制水位十分接近，徑流深R值很小，且前期影響雨量Pa值又很大時(shí)，按曲線插值就會(huì)出現(xiàn)R≤P的錯(cuò)誤，為了避免這種情況的出現(xiàn)，同時(shí)為簡(jiǎn)化計(jì)算，當(dāng)徑流深R≤50mm時(shí)，降雨量也按P=R+Im-Pa計(jì)算。

2.6 前期影響雨量Pa的確定

小型水庫(kù)通常采用前期影響雨量Pa作為反映土壤含水量大小的一種指標(biāo)。前期影響雨量Pa一般用降雨前逐日雨量按相隔天數(shù)連續(xù)打折扣的辦法計(jì)算。

由于大多數(shù)小型水庫(kù)不具備單獨(dú)計(jì)算前期影響雨量Pa的條件，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以參考水文部門計(jì)算的附近的大中型水庫(kù)的Pa值。

實(shí)驗(yàn)從收斂性、平均傳輸速率及歸一化網(wǎng)絡(luò)滿意度來(lái)衡量算法的性能.對(duì)比算法主要為幾種常見(jiàn)的分配算法.(1)本文所提隨機(jī)學(xué)習(xí)博弈算法(Stochastic Learning Game, SLG).(2)完全信息動(dòng)態(tài)博弈(Complete Information of Dynamic Game,CIDG)，利用公式(2)為目標(biāo)函數(shù)的一種最佳響應(yīng)博弈模型.(3)本地博弈(Local Game)，利用式(2)為目標(biāo)函數(shù)的隨機(jī)學(xué)習(xí)算法.(4)隨機(jī)選擇算法(Random Selection).

本項(xiàng)目按土壤很干(Pa=0)，土壤半飽和(Pa=Im/2)，土壤飽和(Pa=Im)三種情況分別計(jì)算每座小型水庫(kù)的抗雨能力。

3 抗雨能力計(jì)算方法的探究

水庫(kù)各種起始水位的允許最大降雨量分為兩部分：①洪水來(lái)臨時(shí)水庫(kù)水位不超過(guò)溢洪道頂?shù)牟糠?即水庫(kù)不溢洪情況)；②洪水來(lái)臨時(shí)庫(kù)水位在溢洪道頂以上的部分(即水庫(kù)溢洪情況)。

本項(xiàng)目采用以前期影響雨量Pa作參數(shù)進(jìn)行水庫(kù)抗雨能力查算圖表的編制。

3.1 水位不超過(guò)溢洪道底的抗雨能力計(jì)算

水庫(kù)水位不超過(guò)溢洪道底又無(wú)其他放水情況時(shí)，水庫(kù)的抗雨能力就是指溢洪道底以下各級(jí)水位至溢洪道底之間抗御洪水或雨量的能力。

根據(jù)水庫(kù)水量平衡方程式：

W防=V溢-V起=V攔

(1)

(2)

具體步驟：

(1)首先假設(shè)水庫(kù)不同起漲水位，計(jì)算水庫(kù)溢洪道底至各級(jí)起漲水位水間的空余庫(kù)容V攔。

(2)將此庫(kù)容計(jì)算出徑流深R。

(4)再假定不同的Pa值，計(jì)算允許最大降雨量P。

3.2 水位超過(guò)溢洪道底的抗洪能力計(jì)算

無(wú)閘門控制的開(kāi)敞式溢洪道一次洪水的水量平衡方程式為：

W=Vm-V起+0.18qmt+0.09q起t

式中，t—溢洪歷時(shí)，一般應(yīng)取小于洪水歷時(shí)，且隨洪水大小而變?，F(xiàn)取固定值，計(jì)算出的水庫(kù)抗洪能力要偏大一些，實(shí)際應(yīng)用時(shí)需注意這種誤差。

公式的推導(dǎo)如下：

假定水庫(kù)入流過(guò)程為三角形ABC，如圖4所示。D點(diǎn)為溢洪道以上水位回漲點(diǎn)，溢洪總水量等于四邊形ADEC的面積，即等于ΔADE與ΔAEC面積之和。

圖 4 出、入庫(kù)洪水過(guò)程示意圖

又知：

ΔAEC=qm×t/2

(3)

ΔADE=DF×AE/2

(4)

設(shè)AE=tDF=1/2q起

則 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

其制作原理為：

(1)假定不同的現(xiàn)時(shí)水位和相應(yīng)庫(kù)容，算出各級(jí)水位至允許最高水位之間的庫(kù)容差值，即ΔV=Vm-V起。

(2)計(jì)算允許最高水位下溢洪道最大泄量相應(yīng)的ΔV1=1/2×qm×t值和溢洪道底以上不同q起相應(yīng)的ΔV2=1/4×q起×t。

(3)計(jì)算防御水量W防和相應(yīng)的徑流深R值。

(4)根據(jù)降雨徑流相關(guān)圖，查出R所相應(yīng)的P+Pa值，假定不同的Pa值，計(jì)算允許最大降雨量P。

(5)制作水庫(kù)抗雨計(jì)算表。

(6)根據(jù)水庫(kù)抗雨計(jì)算表繪制抗雨能力圖。

3.3 示例的驗(yàn)證與應(yīng)用

3.3.1與設(shè)計(jì)采用洪水調(diào)節(jié)計(jì)算方法比較

小匯水面積的洪水是由24h以內(nèi)的短歷時(shí)暴雨所形成，其洪水過(guò)程線大多為最大流量、參與調(diào)洪的洪量和洪水歷時(shí)組成的簡(jiǎn)化三角形洪水過(guò)程線。假設(shè)Qm為最大流量，W調(diào)為參與調(diào)洪的洪量為洪量，洪水歷時(shí)T=5.56W調(diào)/Qm。

假設(shè)此次降雨前土壤已經(jīng)飽和，即Pa=Im，由降雨徑流相關(guān)線可知，此時(shí)水庫(kù)的抗雨能力P=R+Im-Pa=R，即降雨全部產(chǎn)生徑流并進(jìn)入水庫(kù)中。

方法1：本次采用的抗雨能力計(jì)算公式

W=Vm-V起+0.18qmt+0.09q起t

(5)

方法2：洪水調(diào)節(jié)計(jì)算方法

當(dāng)水庫(kù)起始水位為汛限水位時(shí)，由簡(jiǎn)化三角形洪水過(guò)程線可知，水庫(kù)滯留在水庫(kù)中的水量和通過(guò)溢洪道下泄的水量之和就是參與調(diào)洪的洪量W調(diào)。則按洪水調(diào)節(jié)計(jì)算，水庫(kù)所能抵御的最大降雨量P=R=W調(diào)/(0.1F)。

采用上述2種方法對(duì)31座水庫(kù)的抗雨能力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知：

表2 兩種水庫(kù)抗雨能力計(jì)算結(jié)果比較

(1)設(shè)計(jì)洪水水位以下的抗雨能力：計(jì)算結(jié)果其誤差均在《水文預(yù)報(bào)測(cè)報(bào)》規(guī)范規(guī)定的許可誤差范圍20mm之內(nèi)，合格率100%。

(2)校核洪水位以下的抗雨能力：計(jì)算結(jié)果其誤差在《水文預(yù)報(bào)測(cè)報(bào)》規(guī)范規(guī)定的許可誤差范圍20mm之內(nèi)有27座，合格率87%。

分析其原因：方法1采用重現(xiàn)期為5年一遇的泄洪歷時(shí)，而方法2采用重現(xiàn)期是該水庫(kù)設(shè)計(jì)/校核洪水重現(xiàn)期的泄洪歷時(shí)。

3.3.2用實(shí)際發(fā)生的強(qiáng)降雨進(jìn)行對(duì)比

在2020年汛期的幾次強(qiáng)降雨中，利用本項(xiàng)目采用的抗雨能力計(jì)算方法，分別計(jì)算各座水庫(kù)在汛限水位以下的抗雨能力和設(shè)計(jì)洪水位以下的抗雨能力(考慮溢洪道泄洪情況)。經(jīng)檢驗(yàn)得出：

(1)降雨發(fā)生前通過(guò)抗雨能力計(jì)算查明的汛限水位以下抗雨能力較小的水庫(kù)，當(dāng)出現(xiàn)超過(guò)水庫(kù)汛限水位以下抗雨能力的強(qiáng)降雨時(shí)，大多發(fā)生了溢洪，與預(yù)測(cè)結(jié)果基本相符。

(2)由于沒(méi)有出現(xiàn)超過(guò)各水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位以下的抗雨能力(考慮溢洪道泄洪情況)的強(qiáng)降雨，暫時(shí)無(wú)法進(jìn)行比較。

4 成果與展望

聚焦“水利工程補(bǔ)短板、水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”這一時(shí)代主題，堅(jiān)持問(wèn)題導(dǎo)向，以解決實(shí)際問(wèn)題為目的，重點(diǎn)解決小型水庫(kù)在防洪工程和信息化建設(shè)中兩大短板。

(1)通過(guò)大連市小型水庫(kù)防汛決策支持系統(tǒng)的建設(shè)，提出了適合小型水庫(kù)特點(diǎn)的、考慮水庫(kù)泄洪情況下的抗雨能力計(jì)算方法，通過(guò)分析計(jì)算來(lái)確定小型水庫(kù)的抗雨能力，從而實(shí)現(xiàn)了小型水庫(kù)抗雨能力計(jì)算方法上從無(wú)到有的突破。

(2)小型水庫(kù)抗雨能力計(jì)算成果是防汛決策和水庫(kù)主管部門、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和水庫(kù)管理人員的得力工具，可以根據(jù)水庫(kù)實(shí)時(shí)水位，提前掌握水庫(kù)當(dāng)前抵御暴雨和洪水的能力，提高了水庫(kù)預(yù)報(bào)預(yù)警工作的效率和預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性，在水庫(kù)防汛調(diào)度運(yùn)用中能夠做到心中有數(shù)，掌握主動(dòng)權(quán)，通過(guò)及時(shí)采取相應(yīng)措施，將洪水災(zāi)害影響降到最低。

(3)本成果有靜態(tài)圖表和實(shí)時(shí)時(shí)態(tài)計(jì)算水庫(kù)抗雨能力兩種形式，兩種方法相得益彰。填補(bǔ)了大連地區(qū)沒(méi)有小型水庫(kù)抗雨能力支持系統(tǒng)的空白，是一項(xiàng)具有開(kāi)創(chuàng)性和實(shí)用性的工作，此方法在實(shí)踐中得到檢驗(yàn)、完善成熟后，繼而覆蓋到大連市全部小水庫(kù)，也可為遼寧省其他地區(qū)提供借鑒和參考，因此本項(xiàng)研究推廣應(yīng)用前景十分廣闊。

(4)建立的小型水庫(kù)抗雨能力計(jì)算方法和成果在2020年的防汛工作中已得到實(shí)際應(yīng)用和檢驗(yàn)，解決了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)掌握小型水庫(kù)抗雨能力的難題，在防汛工作中發(fā)揮了重要作用，為防汛決策提供了有力支撐，為采取應(yīng)對(duì)措施贏得了寶貴時(shí)間，工作取得了實(shí)際成效。