某水庫特征水位分析及洪水調(diào)節(jié)研究

鄒吉余

(蓋州市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 蓋州 115200)

0 引 言

水庫工程建設(shè)具有灌溉、發(fā)電、調(diào)洪等綜合作用。合理分析水庫庫容，確定特征水位，是水庫設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過計(jì)算確定水庫的興利調(diào)節(jié)、洪水調(diào)節(jié)方案，可將水庫的效益最大化，具有十分重要的研究意義。在水庫調(diào)節(jié)過程中需要考慮水庫的作用，例如生態(tài)因素[1]、防洪調(diào)度[2]、聯(lián)合調(diào)度[3-4]、結(jié)構(gòu)安全[5-6]等。

2 工程概況

水庫位于淮河流域沂河干流中上游，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、發(fā)電、養(yǎng)殖等功能的大(2)型水庫。水庫控制流域面積1782 km2，現(xiàn)狀總庫容5.28億m3。樞紐工程由土石壩、砌石壩、溢洪道(閘)、放水洞、壩后水電站等建筑物組成，工程等別為Ⅴ等，擋水建筑物全長2216m，最大壩高33.65m。水庫灌溉面積9.74×104hm2，壩后電站總裝機(jī)容量5640kW。庫區(qū)岸坡巖性以碎石土為主，河谷地貌呈 “U”字形，地形坡降較大。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇(P=10%)，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇(P=2%)，洪峰流量分別為49.2m3/s、67.4m3/s。溢流堰單孔凈寬5.0m，共3孔。

3 特征水位分析

3.1 泥沙淤積計(jì)算

該流域的泥沙，主要來源于流域上游的水土流失。設(shè)計(jì)流域位于50-150t/km2區(qū)域內(nèi)，本階段設(shè)計(jì)流域懸移質(zhì)輸沙模數(shù)取75t/km2，推懸比按20%計(jì)。

水庫設(shè)計(jì)流域面積為1.93km2，通過計(jì)算，壩庫址處年輸沙量為173.7t，其中懸移質(zhì)輸沙量144.8t，推移質(zhì)輸沙量28.9t，水庫庫址處多年平均來水量為19.3萬m3，則壩址處懸移質(zhì)泥沙多年平均含沙量為0.75kg/m3。

根據(jù)其水沙條件、地形特征等，采用類比法并結(jié)合有關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式確定：

K=V/(Ws·Jo)K<2.2為錐體，K>2.2為三角洲或帶狀

(1)

式中：V為正常蓄水位以下庫容(以萬m3計(jì))；Ws為設(shè)計(jì)淤積年限內(nèi)總?cè)霂焐沉?以萬m3計(jì))；Jo為庫區(qū)河床平均比降(以萬分率計(jì))。

經(jīng)計(jì)算，壩址處K=14.2，K值小于>2.2，為三角洲或帶狀淤積。采用多年平均庫容淤積損失率法計(jì)算，計(jì)算公式為：

WT=avVT

(2)

式中：WT水庫蓄水T年總淤積量，m3；av多年平均庫容淤積損失率，%，V為原有庫容；T為淤積年數(shù)。

av確定方法如下：

工程等別為Ⅴ等，壩型為均質(zhì)土壩，合理使用年限為50年，因此水庫設(shè)計(jì)淤積年限按50年計(jì)。水庫淤積庫容為3202.5m3，水平淤沙高程為233.15m。

3.2 特征水位

3.2.1 死水位

根據(jù)泥沙計(jì)算成果，塘壩運(yùn)行50年后，壩址淤積總庫容為0.32萬m3，水平淤積高程233.15m，據(jù)此確定塘壩死水位為233.2m，相應(yīng)死庫容為0.34萬m3。

3.2.2 正常蓄水位

山區(qū)小型塘壩一般不設(shè)結(jié)合庫容，泄水建筑物大多為開敞式的溢洪道。本工程為現(xiàn)有塘壩除險(xiǎn)加固工程，為不增加田土淹沒面積及遷占工作，塘壩維持原溢洪道頂高程不變，正常蓄水位為236.0m。

4 興利調(diào)節(jié)

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查并結(jié)合水利局等部門提供的資料，流域內(nèi)無村寨及工礦企業(yè)。因此本次設(shè)計(jì)不再考慮壩址以上年用水量。庫容曲線根據(jù)實(shí)測地形圖，采用水庫庫容數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到。水庫庫容計(jì)算公式如下：

(3)

式中：ΔV為水庫庫容增量；S1、S2為相鄰兩高程面的水庫面積；H為相鄰高程面的間距。

水庫水位-面積-庫容關(guān)系成果見圖1。

4.2 興利調(diào)節(jié)計(jì)算

水庫是以供水為任務(wù)的月調(diào)節(jié)水庫，徑流調(diào)節(jié)計(jì)算按“以供定需”的原則來進(jìn)行用水供需平衡計(jì)算，第i月時(shí)段的計(jì)算公式為：

Vi+1=Vi+W來-W用-W損

(4)

式中：Vi、Vi+1為分別水庫第i月月初及月末的蓄水量；W來水庫第i月來水量；W用水庫第i月用水量；W損水庫第i月滲漏、蒸發(fā)損失量；

1)徑流計(jì)算

根據(jù)水文計(jì)算成果，水庫多年平均來水量為19.3萬m3，50%年來水量為13.26萬m3。50%典型年月徑流分配成果進(jìn)行分配結(jié)果見表1：

2)蒸發(fā)、滲漏損失

蒸發(fā)量按水面面積乘以各月蒸發(fā)深計(jì)算，滲漏量按正常蓄水位相應(yīng)庫容的1%計(jì)。

3)用戶需水量分析

水庫灌溉范圍內(nèi)主要種植玉米和小麥和部分經(jīng)濟(jì)作物，此次農(nóng)田灌溉用水量及用水過程見表2：

表2 水庫典型年各月灌溉用水量成果表

4)興利調(diào)節(jié)計(jì)算

根據(jù)需水過程，采用完全年調(diào)節(jié)，以月為計(jì)算單位，確定起調(diào)月份(7月)。當(dāng)水位高于設(shè)計(jì)蓄水位(85.00m)時(shí)則棄水，往復(fù)計(jì)算直至起調(diào)庫容與結(jié)束月末庫容相一致。詳見表3。

表3 水庫興利調(diào)節(jié)計(jì)算成果表

經(jīng)興利調(diào)節(jié)計(jì)算，水庫正常蓄水位236.0m，P=50%保證率下的來水量可滿足150畝農(nóng)田灌溉用水，對應(yīng)的最大供水能力為13.26萬m3。

5 洪水調(diào)節(jié)

水庫泄洪建筑物為開敞式溢洪道自由泄洪，溢流堰堰頂高程為正常蓄水位，洪水調(diào)度以保護(hù)大壩自身安全為原則，未設(shè)置防洪限制水位，當(dāng)來水大于供水及生態(tài)用水要求時(shí)，水庫蓄水，直至正常蓄水位，當(dāng)蓄水位超過正常蓄水位時(shí)，來水通過溢洪道自由下泄；當(dāng)發(fā)生洪水時(shí)，水庫通過溢洪道泄洪，同時(shí)通過水庫滯洪庫容消減洪峰流量，直至來水流量等于下泄流量，水庫水位達(dá)到最大值，再經(jīng)過溢洪道泄洪，庫水位逐漸回落到正常蓄水位。水庫泄量關(guān)系見表4。

表4 水庫泄量關(guān)系成果表

水庫洪水調(diào)節(jié)計(jì)算的基本原理是水量平衡，即水庫的入庫流量過程線與經(jīng)過水庫調(diào)蓄后的出庫流量過程線之間的關(guān)系，可用水量平衡方程式來表示，即：

(5)

式中：Q1、Q2為時(shí)段初、時(shí)段末的入庫流量，m3/s；q1、q2為時(shí)段初、時(shí)段末的出庫流量，m3/s；V1、V2時(shí)段初、時(shí)段末的水庫蓄水量，萬m3；Δt為計(jì)算時(shí)段，h(本次調(diào)算中取Δt=0.1h)。

水量平衡方程式中q2與V2是未知數(shù)，還必須建立水庫下泄流量與庫容的關(guān)系，即：

q=f(V)

(6)

洪水調(diào)節(jié)計(jì)算成果見表5，圖2、圖3。

表5 水庫洪水調(diào)節(jié)計(jì)算成果表

圖2 洪水(P=10%)調(diào)節(jié)成果

圖3 洪水(P=2%)調(diào)節(jié)成果

5 結(jié) 語

壩址正常蓄水位236.0m，死水位233.2m，興利庫容1.29萬m3，死庫容0.34萬m3。水庫設(shè)置溢洪道，無防洪限制水位要求，庫滿溢流，主要功能為攔截上游汛期水作為非汛期時(shí)農(nóng)田灌溉。運(yùn)行水位從正常蓄水位236.0m至死水位233.2m，滿足設(shè)計(jì)保證率(P=50%)下灌溉水量4.33萬m3。水庫具有年調(diào)節(jié)性能，運(yùn)行時(shí)，水庫水位在正常蓄水位與死水位之間變動(dòng)。