青云河水庫防洪承載力計算分析檢驗研究

于清春

(大連金普新區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展服務(wù)中心，遼寧 大連 116600)

水庫防洪承載力就是不泄洪能容納洪量，在實時剩余庫容條件下所對應(yīng)的流域面雨量，故也稱為數(shù)值表達(dá)的納洪雨量[1-3]。因此，將雨量預(yù)報與水庫防洪承載力精準(zhǔn)預(yù)測結(jié)果結(jié)合，可以大大延長洪水預(yù)見期，對于科學(xué)制定流域減災(zāi)預(yù)案和決策具有重要作用[4]。然而，截至目前尚未形成有效計算水庫防洪承載力的統(tǒng)一方法，相關(guān)研究也較少。因此，文章深入探討了影響防洪承載力的因素、作用程度及其成因機(jī)理，并結(jié)合系統(tǒng)微分響應(yīng)理論建立水庫防洪承載力計算方法，以大連市青云河水庫歷史洪水資料為基準(zhǔn)，對該方法的有效性、合理性和通用性進(jìn)行論證分析。

1 防洪承載力計算方法

1.1 影響因素分析

原則上，影響洪水產(chǎn)生所涉及的所有因素和流域降雨到洪水過程的每個環(huán)節(jié)都會影響水庫防洪承載力，這些因素和環(huán)節(jié)主要有上游水利工程蓄放水、洪水初始土壤含水量、流域產(chǎn)匯流規(guī)律、入庫流量、降雨時空分布等。

1)因素1：上游水利工程蓄放水?？紤]到流域面積較小的實際情況，在洪水期上游水庫的放水會全部流入水庫。水庫防洪承載力受水利工程蓄放水的影響關(guān)系比較簡單，從剩余庫容中直接加減上游水庫蓄放水量即可。

2)因素2：洪水初始土壤含水量。水庫防洪承載力受產(chǎn)流量影響較大，而產(chǎn)流量計算與洪水初始土壤含水量相關(guān)。因此，水庫防洪承載力與初始土壤含水量存在反比關(guān)系，必須重點分析。

3)因素3：流域產(chǎn)匯流規(guī)律。流域產(chǎn)匯流規(guī)律是最直接和最根本的水庫防洪承載力影響因素，可以直觀地反映入庫洪水特征，實際計算時一般選用洪水模型。

4)因素4：入庫流量。河網(wǎng)退水流量和流域的坡面大小體現(xiàn)在洪水初始時刻的入庫流量上，未來洪水基流大小直接取決于河網(wǎng)退水流量和流域坡面，故入庫流量與防洪承載力之間存在反比關(guān)系。洪水初始時刻的基流變化和時變影響均較小，水庫防洪承載力計算可選用初始時刻的入庫流量。

5)因素5：降雨時空分布。降雨時空變化在一定程度上影響洪量的產(chǎn)生，其與水流到達(dá)水庫的時間和產(chǎn)流直接相關(guān)。一般情況下，這類因素與其它因素相比其影響程度較低，可以忽略不計。

1.2 計算方法選擇

預(yù)先掌握流域水文模型的初始條件是計算水庫防洪承載力的根本要求，其中水文模型試算法是最直觀的方法，其主要流程如下：①雨量假設(shè)；②以模型的初始條件為基準(zhǔn)計算入庫洪水的洪量；③若剩余庫容接近于或等于洪量，則水庫防洪承載力就是假設(shè)的雨量值，否則重新假定雨量再次計算入庫洪量，直至兩者的差異達(dá)到預(yù)定精度或相等位置。

水文模型試算法要求對降雨時空分布進(jìn)行預(yù)先假設(shè)，試算結(jié)果往往具有較大差異，表明試算的防洪承載力缺少客觀性，并且試算法需要較長的時間，大大降低了防洪時效性。因此，文章結(jié)合系統(tǒng)微分響應(yīng)原理提出一種新的算法，采用比例系數(shù)同比縮放典型歷史洪水過程，促使水庫剩余庫容等于洪水洪量，然后利用系統(tǒng)響應(yīng)反演推算出納洪雨量。該方法只需結(jié)合氣象條件選擇歷史上相似洪水就能準(zhǔn)確地計算出水庫的防洪承載力，例如雷暴雨洪水、鋒面雨洪水、臺風(fēng)雨洪水等都有相似性，相較于降雨時空分布假設(shè)更容易確定，信息依據(jù)也更好，并且該方法較試算法具有更快的計算速度。

1.3 防洪承載力計算

歷史上，水庫流域發(fā)生的洪水場次有很多，實時改變水庫剩余庫容的可能也有很多，在過去和未來歷史洪水洪量與剩余庫容相等的情況都有可能發(fā)生，若水庫剩余庫容等于洪水的洪量則洪水期的觀測降雨量就等于此時水庫的防洪承載力，洪水承載力的模擬計算目標(biāo)就是觀測的降雨量。所以，降雨量的反演計算就成了水庫防洪承載力計算問題，結(jié)合觀測的入庫流量過程反演計算降雨量，最終的防洪承載力即為與觀測值偏差最小的降雨量。設(shè)自變量為降雨P(guān)，可利用下式表示流量Q的計算模型：

Qt=f(P,t)

(1)

以降雨為變量，對水庫防洪承載力計算模型進(jìn)行一階泰勒級數(shù)展開，則有：

(2)

式中：Pi、m代表雨量初始值和降雨持續(xù)時段數(shù)。采用公式(2)輸入洪水觀測流量(Q1，Q2，…，QL，L>m)可以生成矛盾方程組，L代表洪水時段數(shù)。通過最小二乘處理，則利用下式求解系統(tǒng)響應(yīng)估計的降雨改變量△P，即：

△P=(STS)-1ST△Q

(3)

式中：△Q、S為流量偏差和系統(tǒng)響應(yīng)矩陣，詳細(xì)計算方法見文獻(xiàn)。采用系統(tǒng)響應(yīng)法和以上計算結(jié)果，新估計的降雨量表達(dá)式如下：

Pi+1=Pi+△P

(4)

綜上分析，對水庫防洪承載力利用系統(tǒng)微分響應(yīng)原理進(jìn)行計算的主要流程如下：①給定上游水庫蓄放水量、剩余庫容、初始土壤含水量、初始入庫流量和降雨量；②結(jié)合已知雨量Pi和流域水文模型，應(yīng)用相關(guān)公式計算系統(tǒng)微分響應(yīng)矩陣S、降雨改變量△P以及新估計的降雨量Pi+1；③比較估計雨量Pi+1所對應(yīng)的剩余庫容與入庫洪量之間的誤差，判定是否達(dá)到預(yù)定精度要求，若不符合要求則重新返回②循環(huán)計算，直至符合最終要求，水庫防洪承載力即為估計的最新雨量，如圖1所示。

圖1 計算模型運算流程

2 實證分析

2.1 水庫流域概況

青云河水庫位于大連市金普新區(qū)得勝街道林家村，集水面積64.50km2，主河道長16.04km，樞紐工程主要由擋水壩、溢流壩、輸水洞組成。該水庫是一座以防洪、灌溉為主，兼顧?quán)l(xiāng)鎮(zhèn)用水、養(yǎng)殖等綜合效益于一體的中型水庫，總庫容1580.25萬m3，現(xiàn)狀100a一遇洪水設(shè)計，1000a一遇校核，工程等別為Ⅲ等，正常高水位20.35m(庫容1233.49萬m3)，汛限水位19.35m(庫容1006.79萬m3)。

青云河水庫位于青云河上，流域面積128km2，全長27km，河道比降2.0‰，水庫下游保護(hù)對象包括200hm2耕地、得勝街道、大李家街道、金猴公路、丹大高速等。洪水預(yù)見期大多數(shù)不超過3h，流域地面徑流的匯流時間平均為2h。因此，為充分發(fā)揮水庫防洪效益，預(yù)先制定好防洪預(yù)案，有必要準(zhǔn)確估計洪前的水庫防洪承載力[13-14]。

2.2 分析與檢驗

1)檢驗思路。針對歷史洪水，若洪水的實測入庫洪量等于水庫的剩余庫容則模擬計算的水庫防洪承載力就是相應(yīng)的實測降雨量，降雨量反演計算就可利用入庫流量過程。所以，通過模型分析檢驗的歷史洪水，就是利用系統(tǒng)微分響應(yīng)反演模式和洪水模型，以剩余庫容為輸入計算水庫防洪承載力，并以觀測的洪水期降雨量為目標(biāo)檢驗該方法的通用性、結(jié)構(gòu)的合理性和防洪承載力計算的有效性。

2)洪水計算檢驗。洪水計算模塊和降雨系統(tǒng)響應(yīng)反演模塊是水庫防洪承載力計算的兩大內(nèi)容，其中，洪水計算模塊選用改進(jìn)的新安江模型，包含馬斯京根法分段洪水演算、線性水庫坡面匯流、自由水箱三水源劃分、蓄滿產(chǎn)流等，而系統(tǒng)響應(yīng)反演模塊不涉及相關(guān)參數(shù)的計算，模型參數(shù)率定如表1所示。

表1 模型參數(shù)率定表

采用文中所述方法，輸入16場歷史數(shù)據(jù)檢驗洪水計算效果，如表2所示。結(jié)果顯示，16場歷史洪水全部合格，對于洪水模擬該改進(jìn)的新安江模型具有較高的精度。

表2 場次洪水計算檢驗

3)水庫防洪承載力計算。該計算模型需要上游水庫蓄放水量、剩余庫容、初始土壤含水量、初始入庫流量和降雨量5個輸入量，其中上游水庫蓄放水量、剩余庫容和初始入庫流量屬實測值，初始降雨量、初始土壤含水量屬估計值和洪水模型計算值，通過系統(tǒng)響應(yīng)反演推算可以獲取與觀測降雨量最接近的數(shù)值。根據(jù)洪水模型和所需輸入量值計算確定水庫防洪承載力，并對比分析觀測降雨量與模擬計算結(jié)果，如表3所示。

表3 水庫防洪承載力

從表3可知，觀測的次洪雨量值與防洪承載力計算值非常接近，相對誤差最大值只有11.9%，參與計算的16場次洪水，觀測的雨量值與計算值相對誤差在5%以內(nèi)的有13場，所有場次洪水的平均誤差為3.4%。因此，實際觀測雨量與反演計算的防洪承載力非常接近，對反演計算防洪承載力該系統(tǒng)微分響應(yīng)法具有良好的高效性與合理性。

3 結(jié) 論

文章全面探討了影響防洪承載力的因素、作用程度及其成因機(jī)理，并結(jié)合系統(tǒng)微分響應(yīng)理論建立水庫防洪承載力計算方法，以大連市青云河水庫歷史洪水資料為基準(zhǔn)，對該方法的有效性、合理性和通用性進(jìn)行論證分析，主要結(jié)論如下：

1)對于水庫防洪承載力的反演計算，文章所提出的系統(tǒng)微分響應(yīng)法具有較好的有效性、合理性和通用性。

2)該方法全面考慮了流域產(chǎn)匯流規(guī)律、前期濕潤狀況、初始入庫流量和上游水利工程蓄放水等諸多因素，計算精度較高，可以為流域防洪減災(zāi)預(yù)案和決策的制定提供一定參考。