烏蘇市大灣水庫工程洪水水面線分析

任興國

(烏蘇市水利局，新疆 烏蘇 833000)

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烏蘇市大灣水庫工程洪水水面線分析

任興國

(烏蘇市水利局，新疆 烏蘇 833000)

筆者結(jié)合工程實(shí)際及相關(guān)領(lǐng)域的工作經(jīng)驗(yàn)，對烏蘇市大灣水庫工程沿程洪水水面線進(jìn)行了分析與計算，并對水面線計算中可能出現(xiàn)的若干問題進(jìn)行了分析及處理。天然長河道水面線分析雖然原理簡單，但具體計算過程的確相當(dāng)復(fù)雜，各個變量因素的不同取值及微小變化都會影響計算結(jié)果，為此必須充分結(jié)合工程實(shí)際資料提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。在洪水期和枯水期間，河道地形呈現(xiàn)周期性變化，如果所采用的資料和斷面圖都是枯水期的資料，則必須結(jié)合河道斷面沖淤變化進(jìn)行結(jié)果的修正，使其符合客觀實(shí)際。

水庫工程；洪水；河道；水面線計算

1 洪水水面線分析若干問題的處理

1.1 糙率計算

如果本水庫工程中采用曼寧公式反求河段糙率，則會由于工程所在區(qū)域河流分布較多，且有許多梯級水利工程，各水利工程上下游斷面之間有較大的水位差，所以反求糙率的結(jié)果必定較大。可以結(jié)合體積工程的分布情況，考慮采用分段推算辦法，以一個梯級工程為一段，通過建立上下游水位回歸函數(shù)確定出上下游水位之間的關(guān)系，并繼續(xù)推算上一梯級工程上下游水位的關(guān)系，這種方法更加科學(xué)合理[1]。

1.2 起始斷面水位分析

本次水面線計算起始斷面水位時，起始斷面選在0+000斷面，計算公式采用：

(1)

式中：Q為洪峰流量，m3/s；A為有效過水?dāng)嗝婷娣e，m2；R為水力半徑，m；i為水面比降；n為河道糙率。

經(jīng)過計算，P=10%時，Q=1663.2m3/s，觀測水位H=291.93m；P=5%時，Q=3160.5m3/s，觀測水位H=292.82m。

1.3 建立控制斷面與洪水組合

本水庫工程所在奎屯河流域干流上所包括的水文站均有完整的水文資料及水利廳公布的各級頻率水位流量相關(guān)資料。此次推算洪水水面線過程中采用的是設(shè)立控制斷面的方法，即分段計算水面線，并由各個斷面進(jìn)行起訖水位水面線的控制，最大限度控制長河段計算中的累計誤差。

1.3.1 斷面流量分配

本工程所處河道屬于包括水庫與天然河道的混合型河道，斷面變化趨勢明顯，多深潭與淺灘，故各斷面洪峰流量差異較大，必須進(jìn)行斷面流量區(qū)間分配。根據(jù)工程河道特性及水文站分布狀況，將其分為階梯之間、控制斷面與階梯之間等若干斷面，按照集水面積之比推求各區(qū)間斷面的洪峰流量。

1)計算單位河長流量：

在區(qū)間總流量中除去支流的分配流量，便可求出單位河長流量。公式如下：

△Q=(Qs-Qzz-Qzl)/△L

(2)

式中：ΔQ為河長流量，m3/s·km；Qs為區(qū)間起始斷面流量，m3/s；Qzz為區(qū)間終止斷面流量，m3/s；Qzl為區(qū)間支流流量，m3/s；ΔL為區(qū)間距離，km。

2)區(qū)間支流流量的分配：

按照集水面積與流量之間的關(guān)系，并按支流集水面積在區(qū)間總集水面積中所占的比例進(jìn)行分配，公式如下：

Q支=(F支/F區(qū)間總)Q區(qū)間總

F區(qū)間總=F始-F終

Q區(qū)間總=Q始-Q終

(3)

式中：F支為支流集水面積，km2；F區(qū)間總為區(qū)間總集水面積，km2；Q區(qū)間總為區(qū)間總流量，m3/s。其余符號意義同前。

3)相鄰兩斷面流量：

按照相鄰斷面的實(shí)際情況計算相鄰兩斷面流量關(guān)系，公式如下：

Q上斷面=Q下斷面-ΔQΔS

(4)

式中：ΔQ為河長流量，m3/s·km；ΔS為斷面間距，km。

若下游斷面是由一級支流與干流匯合而成，則公式為：

Q上斷面=Q下斷面-ΔQΔS-Q支

(5)

1.3.2 區(qū)間面積比指數(shù)(n)的確定

根據(jù)奎屯河流域水庫工程各個斷面集水面積與各級頻率的洪峰流量等資料便可反求出面積比指數(shù)(n)，計算結(jié)果見表1。

表1 各河段面積比指數(shù)的取值情況

從上述結(jié)果可以看出，工程所在奎屯河中上游面積比指數(shù)要大于下游面積比指數(shù)，從毛蠟灣開始出現(xiàn)明顯的遞減趨勢，這足以反映奎屯洪水演進(jìn)變化的特征，并為合理選取指數(shù)提供了科學(xué)依據(jù)，面積指數(shù)的選取不能照搬有關(guān)部門公布的數(shù)據(jù)，必須根據(jù)河段實(shí)際情況進(jìn)行推算，并將推算結(jié)果與公布值進(jìn)行比較，分析其差異所在并不斷調(diào)整，最終確定合理的面積比指數(shù)[2]。

2 水面線計算

2.1 基本原理

通常采用水力學(xué)中計算河道水面線的原理和方法進(jìn)行洪水水面線計算，計算時先假設(shè)洪水發(fā)生時的河道水流屬恒定非均勻流，河道水面線采用以下公式推算，基本方程式為：

(6)

對于逐漸收縮的河段，其河道的局部水頭損失較小，所以忽略不計，而對于擴(kuò)散河段，局部水頭損失系數(shù)應(yīng)在-0.3--1之間，具體按擴(kuò)散程度取值，如擴(kuò)散角較小則取-0.3，如擴(kuò)散角較大(即突然擴(kuò)散)則取-1。

2.2 工程實(shí)例

烏蘇市大灣水庫是一座以農(nóng)業(yè)灌溉為主，結(jié)合防洪、養(yǎng)魚、旅游等綜合利用的中型水利工程。水庫的來水主要從奎屯河調(diào)水和攔蓄太陽溝的泉水，其中調(diào)水水量占整個水庫來水量的90.4%，屬于注入式水庫。大灣水庫總庫容為900萬m3。壩型以均質(zhì)土壩為主。工程等別為三等，主要建筑物為三級，次要建筑物為四級，臨時建筑物為五級。設(shè)計洪水30a一遇，校核洪水200a一遇。

本次設(shè)計奎屯河治理起點(diǎn)為毛蠟灣村，終點(diǎn)為大二泉水庫，治理長度5.0km，糙率天然河道n=0.029-0.033，河道右岸城鎮(zhèn)段防洪標(biāo)準(zhǔn)為20a一遇，其余防洪標(biāo)準(zhǔn)為10a一遇。20a一遇洪峰流量為1375.4m3/s，10a一遇洪峰流量為723.4m3/s。根據(jù)上述公式及奎屯河斷面數(shù)據(jù)，全部計算過程均通過計算機(jī)程序進(jìn)行，各控制斷面水面線成果詳見表2。

表2 干流各斷面設(shè)計洪峰流量成果表

將計算結(jié)果點(diǎn)繪成圖便可得到大灣水庫各河段不同頻率的水面線，詳見圖1(以毛蠟灣起推斷面為例)。

圖1 大灣水庫毛蠟灣起推斷面洪水水面線圖

2.3 水面線計算中需要注意的問題

1)斷面控制：本水庫工程所處河道為長河道，蜿蜒曲折且河道斷面形狀極不規(guī)則，為了減少誤差，必須在計算過程中加以控制，充分利用河道沿程其他參照水文站的斷面作為控制斷面。

2)糙率的確定：作為水面線計算中一個重要參數(shù)，糙率的微小變化都會對計算結(jié)果產(chǎn)生較大影響，而且糙率的取值大小直接關(guān)系到水面線計算結(jié)果是否合理，如果所選用的糙率小于實(shí)際值，則計算出的水面線要低于實(shí)際情況，尤其是在回水曲線較長的情況下，累積起來的誤差就會很大[3]。為此，在水面線計算過程中，最好利用流域?qū)崪y資料反求糙率。

3)洪水組合：本工程所處天然河道有許多支流，支流的頻繁加入會對沿程水位、流量等產(chǎn)生影響，而天然河道則面臨許多沿程水位與流量，其取值的不同均會對水面線計算產(chǎn)生較大影響，為此必須充分結(jié)合工程實(shí)際情況準(zhǔn)確選擇恰當(dāng)?shù)难爻趟慌c流量。

3 結(jié) 論

綜上所述，天然長河道水面線分析雖然原理簡單，但具體計算過程的確相當(dāng)復(fù)雜，各個變量因素的不同取值及微小變化都會影響計算結(jié)果，為此必須充分結(jié)合工程實(shí)際資料提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。在洪水期和枯水期間，河道地形呈現(xiàn)周期性變化，如果所采用的資料和斷面圖都是枯水期的資料，則必須結(jié)合河道斷面沖淤變化進(jìn)行結(jié)果的修正，使其符合客觀實(shí)際。

[1]陳彪,陳長柏.起推水位對河道水面線的影響分析及確定[J].治淮,2009(01):21-22.

[2]王慶,洪濱.端芬河整治工程河流設(shè)計水面線的推算[J].水利與建筑工程學(xué)報,2012(04): 148-150.

[3]劉洋.幾種水面線推算方法的比較[J].人民黃河,2011(02): 51-53.

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2017-03-12

任興國(1978-)，男，江蘇新沂人，工程師，從事水利工程供水管理工作。

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