CN108681848A - 一种“三位一体”小型水库或淤地坝汛期预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种“三位一体”小型水库或淤地坝汛期预警方法，其中三位包含气象预报层、水位预警层及防洪抢险层。具体实施包括：气象预报层中，可据水库周边历史降雨资料，提前预测不同降雨重现期下降雨量p，可据中央或地方气象站大尺度预测降雨量p，也可基于选定雨量站获取实时降雨量p；水位预警层中，根据降雨量p及降雨径流公式，预测坝前水位h，或实时监测坝前水位h，再进行三级水位预警；防洪抢险层中，根据三级预警信息，发布相应防洪抢险措施，将预警和抢险信息同时自动推送至相关单位或个人。本发明考虑三种降雨量预报，三种水位预警，三种防洪抢险措施，构建了一整套多角度、多级别、多措施的一体化预警方法，可以解决小流域内小水库或淤地坝内安全度汛问题。
Description
技术领域
本发明涉及水利领域，主要是关于小型水库与淤地坝防洪预警方面。
背景技术
小型水库是指库容在10万立方米～1000万立方米之间的水库，其中，库容在100万立方米～1000万立方米的为小（1）型水库，库容在10万立方米～100万立方米的为小（2）型水库。
淤地坝是指在水土流失地区各级沟道中，以拦泥淤地为目的而修建的坝工建筑物，主要目的是滞洪、拦泥，淤地、蓄水、建设农田、发展农业生产、减轻黄河泥沙。
据《第一次全国水利普查公报》数据，全国建成的各类水库98002座，其中小型水库93308座，占水库总数95.2%，小型水库中小（1）型和小（2）型比例为1:4.2。其中1954～2006年度期间全国各类溃坝水库中，小型水库占96.4%，其溃坝原因主要有洪水漫顶（占51.1%），工程质量差（占32.0%），运行管理不当（占10.6%）等。
亟待提高小型水库与淤地坝的防洪预警作用，增长预见期，提前采取相应的防洪措施，减少下游人员及经济的损失。
传统的防洪措施，包括工程措施和非工程措施，但小型水库和淤地坝数量多、分布广，地处偏僻，难以形成完善的防洪工程体系，这样洪水预报、预警等非工程措施对小型水库与淤地坝防洪就显得尤为重要。洪水预报模型有很多，如新安江模型，分布式水文模型、其他经验模型等，这些多应用于水文资料丰富的大中型流域预报，预报较复杂。而小型水库由于库容小、汇流时间短，水位上涨快，暴雨来临时，极易发生漫顶而溃坝，特别是由淤地坝改建的小型水库，淤积量较大，防洪库容更小，因此必须最大限度增长洪水预见期，提前采取措施减少或延缓溃坝对下游人员及财产的损失。
专利“中小水库智能四象限调洪方法”（申请号 201610021720.5）公开了一种水库入库流量预报与调洪演算的简易方法，能够缩短调洪方案的制定时间，有效提高中小型水库预报的时效性，起到防洪预警作用。但是需要较丰富的历史降雨资料，用来提前绘制该水库不同工况条件下降雨径流关系曲线、洪峰关系曲线、调洪关系曲线、一次洪量及起涨库容和水库最大蓄水量关系曲线，而一般小型水库，特别是淤地坝历史资料极端匮乏，同时该专利未提出多种预警方式，且缺乏不同预警级别下的防洪抢险措施。
发明内容
本发明的目的是提供一整套针对小型水库或淤地坝的防洪预警技术方法，从而减少溃坝风险或延缓溃坝时间，最大限度的增长预见期，为实施防洪抢险措施和撤离下游人员争取更长时间。
本发明介绍的是一种“三位一体”（气象预报-水位预警-防洪抢险）的小型水库或淤地坝汛期预警方法，见图1，主要技术方案如下。
1.先选取离水库15km范围内气象站或雨量站，该气象站或雨量站尽量位于大坝上游汇水面积内，且能有三站构建的三角形将水库包含其中，但对于气象站或雨量站较少的地区，可选1～2气象站或雨量站。
2.获取所选气象站或雨量站的历史降雨资料，分析各站实测年均汛期（6月-9月）最大降雨量与历年最大24小时降雨量，以做好水库汛期长时预警和短时预警。
3.选取坝前水位h为预警指标，同时选取水库的汛限水位高程、溢洪道底板高程、坝顶高程为预警阈值，建立三级水位预警。对于一部分无溢洪道设施的淤地坝，可选取坝顶高程以下4.5m处为溢洪道底板高程。对于无任何水位监测设备的小型水库或淤地坝，可在坝前设立简易水尺或在迎水斜坡上用防水颜料或彩条布标注高程。
4.在步骤A或步骤B或步骤C中，将利用降雨量p预测预报坝前水位h，具体操作如下：利用公式（1）计算出入库径流量w ，再利用公式（2）计算初始库容 ,最后利用公式（3）计算坝前水位h。
公式（1）：，式中： w为径流量（m3）；P为降雨量（mm）；A为流域控制面积（m2），为某类型地径流系数；为流域内该类型地所占面积比例。
公式（2）：，式中： h0为初始坝前水位（m），为初始库容（m3）。
公式（3）；)，式中： h为预报坝前水位（m）。
其中公式（2）和公式（3）通过库容散点图拟合而得，拟合公式建议采用多项式，且相关系数R2≥0.95。
5.在步骤A中，若要提前预测不同降雨强度下的坝前水位，可以基于历史降雨资料中历年最大24小时降雨量，绘制显著性水平α=0.05降水频率曲线，从而求出不同降雨重现期的降雨量p，作为该水库设计暴雨量，提前绘制不同降雨强度下的坝前水位h。
6.在步骤A中，若要超前（汛期来临之前）预测该水库坝前水位，可以基于灰色-周期外延预测模型（参考论文：吕萍，基于灰色—周期外延模型的年降水量预测，吉林水利2013.01）以及历史年均汛期（6月-9月）最大降雨量，预测该年度汛期内降雨量p，作为该水库汛期小尺度预报暴雨量，从而超前预测坝前水位h。
7.在步骤B中，基于中央或地方气象站发布的该水库所在地区1-7天（甚至更长时间）降雨量p或降雨等级，作为该水库大尺度预报降雨，从而预测坝前水位h。
8.在步骤B中，可根据气象部门划分的24小时降雨量七个等级：微量（＜0.1mm）、小雨（0.1～9.9mm）、中雨（10.0～24.9mm）、大雨（25.0～49.9mm）、暴雨（50.0～99.9mm）、大暴雨（100.0～249.9mm）、特大暴雨（＞250.0mm），再结合步骤A中绘制的降雨频率曲线，查询不同等级下降雨量所对应的降雨重现期范围，从而可大尺度的预测坝前水位h。
9.在步骤C中，基于选好的雨量站的实时降雨量p，实时预测坝前水位h。
10.当坝前水位h等于或超过汛限水位高程（步骤F），发布Ⅲ级蓝色预警；当坝前水位h等于或超过溢洪道底板高程（步骤H），发布Ⅱ级黄色预警；当坝前水位h等于或超过坝顶高程（步骤G），发布Ⅰ级红色预警。其中坝前水位h包括利用降雨量预测的坝前水位h（步骤M）或坝前自动水位计监测的水位h（步骤D）或利用虚拟电子水尺监测水位h（步骤E）。
11.当发布Ⅲ级蓝色预警信号时，打开水库排水卧管（底孔）排水，对于无排水卧管（底孔）或排水卧管（底孔）排水量较小时，可跨越坝顶或在溢洪道内搭建一组或多组内径为300mm的无动力虹吸排水管道，该管材可选用橡胶伸缩软管，重量轻，价格便宜，携带和安装方便快捷，利于紧急防洪抢险，抢险过后还可回收再利用。
12.当发布Ⅱ级黄色预警信号时，利用溢洪道溢流排洪，对于有闸门的溢洪道，及时开启闸门，对于一部分无溢洪道的淤地坝，增加坝前水位观测频次至15分钟/次，并开始准备铺设坝面临时泄洪槽的相关材料。
13.当发布Ⅰ级红色预警信号时，在坝体背水坡搭建坝面临时泄洪槽，该泄洪槽铺设宽5m，泄洪漕两侧采用沙袋围堰，底部采用防冲材料。
14.在步骤J和步骤K中，将不同等级的预警信息和相应的抢险应对措施通过电台或微信或QQ或短信，自动同时推送至相关单位或个人。
附图说明
图1为“三位一体”的小型水库或淤地坝汛期预警技术方案图。
图1中A、B、C、D、E、F、G、H、J、K、L、M为该技术方案的关键步骤。
图1中（1）、（2）、（3）为关键计算公式。
具体实施方式
本发明的总体实施思路是：先获取气象预报层降雨量p，再推求水位预警层中坝前水位h进行水位预警，最后在防洪抢险层，根据相应预警信息发布不同级别预警并实施防洪抢险措施，具体实施过程如下。
在气象预报层，利用步骤A或步骤B或步骤C可获得降雨量p。其中步骤A是基于历史降雨资料，计算不同暴雨重现期下的降雨量，或利用灰色-周期外延预测模型计算该水库地区小尺度条件下降雨量。步骤B是基于中央或地方气象站的大尺度预报降雨量或降雨等级。步骤C是实时降雨量。
在水位预警层，基于不同工况条件下预测的降雨量p，经过公式（1）（2）（3）计算在步骤M处可以预测坝前水位h，同时对于有水位监测设备的水库，也可以采用步骤D和步骤E实时监测坝前水位，在步骤L处进行三级水位预警。
在防洪抢险层，根据上一层的三级水位预警情况，分别进行步骤F或步骤G或步骤H，以及对应的防洪抢险措施，再进过步骤J和步骤K将预警信息和防洪抢险信息发送给相关单位或个人。
Claims (10)
1.一种“三位一体”小型水库或淤地坝汛期预警方法，其特征在于，该方法包含气象预报层、水位预警层、防洪抢险层等三个层面，且汛期实施步骤为从气象预报层到水位预警层再到防洪抢险层。
2.根据权利要求1所述的气象预报层，其特征在于，先选取离水库15km范围内气象站或雨量站，该气象站或雨量站位于大坝上游汇水面积内，能有三站构建的三角形将水库流域包含其中，而对于气象站或雨量站较少的地区，可选1～2气象站或雨量站。
3.根据权利要求1所述的气象预报层，其特征在于，包含三种降雨量，一种是基于历史降雨资料的不同频率降雨量预报，一种是基于中央或地方气象站1-7天降雨量预报或降雨等级预报，一种是基于所选雨量站的实时降雨量监测。
4.根据权利要求3所述的基于历史降雨资料不同频率降雨预报，其特征在于，基于历年最大24小时降雨量绘制显著性水平α=0.05降水频率曲线，从而查询不同降雨重现期的降雨量，以及利用灰色-周期外延预测模型开展该水库或淤地坝小尺度短期预报降雨量。
5.根据权利要求3所述的基于中央或地方气象站降雨等级预报，其特征在于，根据气象部门划分的24小时降雨量七个等级：微量（＜0.1mm）、小雨（0.1～9.9mm）、中雨（10.0～24.9mm）、大雨（25.0～49.9mm）、暴雨（50.0～99.9mm）、大暴雨（100.0～249.9mm）、特大暴雨（＞250.0mm），再结合权利4中提到的降雨频率曲线，查询不同等级下降雨量所对应的降雨重现期范围，从而可大尺度的预测坝前水位。
6.根据权利要求1所述的水位预警层，其特征在于，利用降雨量p预测坝前水位，其具体步骤包括：利用公式（1）计算出入库径流量w，再利用公式（2）计算初始库容,最后利用公式（3）计算坝前水位h;
公式（1）：，式中：w为径流量（m3）；P为降雨量（mm）；A为流域控制面积（m2），为某类型地径流系数；为流域内该类型地所占面积比例；
公式（2）：，式中：h0为初始坝前水位（m），为初始库容（m3）;
公式（3）；)，式中：h为预报坝前水位（m）;
其中公式（2）和公式（3）通过库容散点图拟合而得，拟合公式建议采用多项式，且相关系数R2≥0.95。
7.根据权利要求1所述的水位预警层，其特征在于，三种坝前水位实时监测方法，一种在坝前设立简易水尺或在坝体迎水斜坡上用防水颜料或彩条布标注高程，现场人员读取，一种是利用坝前自动水位计自动监测水位，一种是基于视频构建电子水尺监测水位。
8.根据权利要求1所述的水位预警层，其特征在于，构建以汛限水位高程、溢洪道底板高程、坝顶高程为预警阈值的三级水位预警模式。
9.根据权利要求1所述的防洪抢险层，其特征在于，当预测水位或实时监测水位等于或大于汛限水位高程时，发布Ⅲ级蓝色预警，同时采取开启排水卧管（底孔）或安装一组或多组无动力虹吸排水管，当预测水位或实时监测水位等于或大于溢洪道底板高程时，发布Ⅱ级黄色预警，同时采取溢洪道溢流排洪，当预测水位或实时监测水位等于或大于坝顶高程时，发布Ⅰ级红色预警，同时搭建临时坝面泄洪槽。
10.根据权利要求1所述的防洪抢险层，其特征在于，将三级水位预警信息和相应抢险措施信息自动通过电台、微信、QQ、短信同时发送给相关单位或个人。
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