青云河水库防洪承载力计算分析检验研究

2022-02-05于清春

黑龙江水利科技 2022年11期

于清春

(大连金普新区农业农村发展服务中心，辽宁大连 116600)

水库防洪承载力就是不泄洪能容纳洪量，在实时剩余库容条件下所对应的流域面雨量，故也称为数值表达的纳洪雨量[1-3]。因此，将雨量预报与水库防洪承载力精准预测结果结合，可以大大延长洪水预见期，对于科学制定流域减灾预案和决策具有重要作用[4]。然而，截至目前尚未形成有效计算水库防洪承载力的统一方法，相关研究也较少。因此，文章深入探讨了影响防洪承载力的因素、作用程度及其成因机理，并结合系统微分响应理论建立水库防洪承载力计算方法，以大连市青云河水库历史洪水资料为基准，对该方法的有效性、合理性和通用性进行论证分析。

1 防洪承载力计算方法

1.1 影响因素分析

原则上，影响洪水产生所涉及的所有因素和流域降雨到洪水过程的每个环节都会影响水库防洪承载力，这些因素和环节主要有上游水利工程蓄放水、洪水初始土壤含水量、流域产汇流规律、入库流量、降雨时空分布等。

1)因素1：上游水利工程蓄放水。考虑到流域面积较小的实际情况，在洪水期上游水库的放水会全部流入水库。水库防洪承载力受水利工程蓄放水的影响关系比较简单，从剩余库容中直接加减上游水库蓄放水量即可。

2)因素2：洪水初始土壤含水量。水库防洪承载力受产流量影响较大，而产流量计算与洪水初始土壤含水量相关。因此，水库防洪承载力与初始土壤含水量存在反比关系，必须重点分析。

3)因素3：流域产汇流规律。流域产汇流规律是最直接和最根本的水库防洪承载力影响因素，可以直观地反映入库洪水特征，实际计算时一般选用洪水模型。

4)因素4：入库流量。河网退水流量和流域的坡面大小体现在洪水初始时刻的入库流量上，未来洪水基流大小直接取决于河网退水流量和流域坡面，故入库流量与防洪承载力之间存在反比关系。洪水初始时刻的基流变化和时变影响均较小，水库防洪承载力计算可选用初始时刻的入库流量。

5)因素5：降雨时空分布。降雨时空变化在一定程度上影响洪量的产生，其与水流到达水库的时间和产流直接相关。一般情况下，这类因素与其它因素相比其影响程度较低，可以忽略不计。

1.2 计算方法选择

预先掌握流域水文模型的初始条件是计算水库防洪承载力的根本要求，其中水文模型试算法是最直观的方法，其主要流程如下：①雨量假设；②以模型的初始条件为基准计算入库洪水的洪量；③若剩余库容接近于或等于洪量，则水库防洪承载力就是假设的雨量值，否则重新假定雨量再次计算入库洪量，直至两者的差异达到预定精度或相等位置。

水文模型试算法要求对降雨时空分布进行预先假设，试算结果往往具有较大差异，表明试算的防洪承载力缺少客观性，并且试算法需要较长的时间，大大降低了防洪时效性。因此，文章结合系统微分响应原理提出一种新的算法，采用比例系数同比缩放典型历史洪水过程，促使水库剩余库容等于洪水洪量，然后利用系统响应反演推算出纳洪雨量。该方法只需结合气象条件选择历史上相似洪水就能准确地计算出水库的防洪承载力，例如雷暴雨洪水、锋面雨洪水、台风雨洪水等都有相似性，相较于降雨时空分布假设更容易确定，信息依据也更好，并且该方法较试算法具有更快的计算速度。

1.3 防洪承载力计算

历史上，水库流域发生的洪水场次有很多，实时改变水库剩余库容的可能也有很多，在过去和未来历史洪水洪量与剩余库容相等的情况都有可能发生，若水库剩余库容等于洪水的洪量则洪水期的观测降雨量就等于此时水库的防洪承载力，洪水承载力的模拟计算目标就是观测的降雨量。所以，降雨量的反演计算就成了水库防洪承载力计算问题，结合观测的入库流量过程反演计算降雨量，最终的防洪承载力即为与观测值偏差最小的降雨量。设自变量为降雨P，可利用下式表示流量Q的计算模型：

Qt=f(P,t)

(1)

以降雨为变量，对水库防洪承载力计算模型进行一阶泰勒级数展开，则有：

(2)

式中：Pi、m代表雨量初始值和降雨持续时段数。采用公式(2)输入洪水观测流量(Q1，Q2，…，QL，L>m)可以生成矛盾方程组，L代表洪水时段数。通过最小二乘处理，则利用下式求解系统响应估计的降雨改变量△P，即：

△P=(STS)-1ST△Q

(3)

式中：△Q、S为流量偏差和系统响应矩阵，详细计算方法见文献。采用系统响应法和以上计算结果，新估计的降雨量表达式如下：

Pi+1=Pi+△P

(4)

综上分析，对水库防洪承载力利用系统微分响应原理进行计算的主要流程如下：①给定上游水库蓄放水量、剩余库容、初始土壤含水量、初始入库流量和降雨量；②结合已知雨量Pi和流域水文模型，应用相关公式计算系统微分响应矩阵S、降雨改变量△P以及新估计的降雨量Pi+1；③比较估计雨量Pi+1所对应的剩余库容与入库洪量之间的误差，判定是否达到预定精度要求，若不符合要求则重新返回②循环计算，直至符合最终要求，水库防洪承载力即为估计的最新雨量，如图1所示。

图1 计算模型运算流程

2 实证分析

2.1 水库流域概况

青云河水库位于大连市金普新区得胜街道林家村，集水面积64.50km2，主河道长16.04km，枢纽工程主要由挡水坝、溢流坝、输水洞组成。该水库是一座以防洪、灌溉为主，兼顾乡镇用水、养殖等综合效益于一体的中型水库，总库容1580.25万m3，现状100a一遇洪水设计，1000a一遇校核，工程等别为Ⅲ等，正常高水位20.35m(库容1233.49万m3)，汛限水位19.35m(库容1006.79万m3)。

青云河水库位于青云河上，流域面积128km2，全长27km，河道比降2.0‰，水库下游保护对象包括200hm2耕地、得胜街道、大李家街道、金猴公路、丹大高速等。洪水预见期大多数不超过3h，流域地面径流的汇流时间平均为2h。因此，为充分发挥水库防洪效益，预先制定好防洪预案，有必要准确估计洪前的水库防洪承载力[13-14]。

2.2 分析与检验

1)检验思路。针对历史洪水，若洪水的实测入库洪量等于水库的剩余库容则模拟计算的水库防洪承载力就是相应的实测降雨量，降雨量反演计算就可利用入库流量过程。所以，通过模型分析检验的历史洪水，就是利用系统微分响应反演模式和洪水模型，以剩余库容为输入计算水库防洪承载力，并以观测的洪水期降雨量为目标检验该方法的通用性、结构的合理性和防洪承载力计算的有效性。

2)洪水计算检验。洪水计算模块和降雨系统响应反演模块是水库防洪承载力计算的两大内容，其中，洪水计算模块选用改进的新安江模型，包含马斯京根法分段洪水演算、线性水库坡面汇流、自由水箱三水源划分、蓄满产流等，而系统响应反演模块不涉及相关参数的计算，模型参数率定如表1所示。

表1 模型参数率定表

采用文中所述方法，输入16场历史数据检验洪水计算效果，如表2所示。结果显示，16场历史洪水全部合格，对于洪水模拟该改进的新安江模型具有较高的精度。

表2 场次洪水计算检验

3)水库防洪承载力计算。该计算模型需要上游水库蓄放水量、剩余库容、初始土壤含水量、初始入库流量和降雨量5个输入量，其中上游水库蓄放水量、剩余库容和初始入库流量属实测值，初始降雨量、初始土壤含水量属估计值和洪水模型计算值，通过系统响应反演推算可以获取与观测降雨量最接近的数值。根据洪水模型和所需输入量值计算确定水库防洪承载力，并对比分析观测降雨量与模拟计算结果，如表3所示。

表3 水库防洪承载力

从表3可知，观测的次洪雨量值与防洪承载力计算值非常接近，相对误差最大值只有11.9%，参与计算的16场次洪水，观测的雨量值与计算值相对误差在5%以内的有13场，所有场次洪水的平均误差为3.4%。因此，实际观测雨量与反演计算的防洪承载力非常接近，对反演计算防洪承载力该系统微分响应法具有良好的高效性与合理性。