猴山水庫防洪限制水位方案確定與防洪調度分析

郭 佳

(綏中縣大風口水庫管理處，遼寧 葫蘆島 125200)

實踐表明，水庫防洪是實時掌握、及時控制洪水災害的有效途徑，也是保證水庫長效安全運行的重要前提。通過對流域水資源的合理利用和及時存儲，科學調節天然徑流量，對實現流域防洪抗旱以及水資源的科學合理利用具有重要意義，水庫防洪調度則是下游防洪安全和水利工程安全的重要保障。因此，必須結合水文地質、自然概況、上下游防洪要求等實際情況，應用先進的科學技術擬定科學合理的防洪方案，以實現科學利用、合理開發、興利蓄水的目標[1-2]。

防洪限制水位的合理確定是防洪調度面臨的最大問題，對此國內外諸多學者開展了深入研究。目前，水庫洪水調度是蓄水閘門比較常見的調度方式，探討閘門啟閉設備受洪水流量的影響，而研究防洪檢修閘門運行方案也非常重要，如楊麗娜等驗證了石佛寺水庫調度方案的有效性與可行性；防洪調度的有效途徑是確定和調整防洪限制水位，如余春華等研究了不同防洪限制水位的調整方案及其確定方法，對合理確定防洪水位具有重要意義[3-4]。此外，水庫防洪效果還收防洪指標、方法等諸多因素的影響，構建多目標風險模型研究分析水庫防洪控制計劃指標及其水文要素特征，對水庫防洪利用科學的方法進行量化極其重要，如代榮霞等研究了水庫防洪調度并且實用效果良好[5]。文章結合水庫水位-面積、水位-庫容關系，分析了水庫水量損失、供水任務和入庫水量等，通過計算防洪庫容、防洪限制水位、設計與校核洪水位等，明確了猴山水庫防洪調度方式，可為水庫調度提供一定數據支持。

1 徑流調節計算

1.1 水庫水位-面積、水位-庫容關系

水庫水位-面積、水位-庫容關系采用2008年測量的1∶5000庫區地形圖成果，水庫水位-面積、水位-庫容成果見表1、圖1。

表1 水庫水位面積-庫容關系

圖1 庫H-V、H-A曲線(推薦壩址)

1.2 水庫水量損失

水庫的水量損失包括庫面蒸發損失和水庫滲漏損失，經計算多年平均庫面蒸發損失水深373.9mm，庫區地質條件較好，多年平均滲漏按500mm，水庫建成后多年平均蒸發滲漏損失水深按873.9mm計。

1.3 水庫供水任務

1)需水預測顯示，2030年東戴河新區總需水量9391萬m3，其中生態環境、二產業、三產業和居民生活需水量為1106萬m3、5138萬m3、720萬m3、2427萬m3。從供需分析成果看，2030年東戴河新區年缺水量為9391萬m3，日缺水量為25.5萬t；考慮輸水損失和中水回用后，需擬建擬建工程補水和猴山水庫補水3639萬m3、3296萬m3。

2)狗河流域需補償水量。根據2030年猴山水庫下游大官帽-河口區間水資源供需分析計算成果，水庫建成前本區間缺水451萬m3，全部為農業用水。水庫建成后，本區間缺水為538萬m3，需猴山水庫補償。

3)水庫壩下環境用水要求。猴山水庫建成后，減少下游河道水量，本階段水庫壩下及大官帽閘環境流量按斷面處多年平均徑流量的10%計算，其中壩址處環境流量為0.262m3/s，多年平均需水量為826.8萬m3，該需水量由猴山水庫供給；大官帽閘環境流量為0.35m3/s，多年平均需水量為1108.4萬m3，猴山水庫需供給72萬m3。

1.4 水庫入庫水量分析

1)水庫以上區間需水情況。2030年猴山以上區間國民經濟各部門總需水量552萬m3，其中鄉鎮工業需水量27萬m3，農村人畜需水量216萬m3，農業灌溉面積1120hm2，灌溉需水量309萬m3。

2)猴山水庫入庫水量分析。壩址處天然徑流量8475萬m3，猴山水庫以上2030年總需水量528萬m3。經1956-2013年58a長系列水量平衡計算，猴山水庫上游扣水量528萬m3，余水7969萬m3，即猴山水庫入庫水量為7969萬m3，水資源供需分析如表2所示。

表2 2030年猴山水庫以上區間水資源供需表 萬m3

2 防洪限制水位方案比選

2.1 防洪庫容計算

1)洪水組成。地區洪水組成采用同頻率法分析計算，洪水典型年選用1975年和1984年。防洪控制斷面選在鐵路橋斷面，設計洪水組成按兩種情況考慮，分別為猴山水庫以上區間設計(猴山-鐵路橋區間相應)、猴山-鐵路橋區間設計(猴山水庫以上區間相應)。

2)水庫控制運用條件。水庫建設前，由下游堤防承擔流域的防洪任務，水庫以下兩岸農田堤防防洪為5a一遇，安全泄量為1010m3/s；水庫建成后，防洪標準提高到10a一遇。根據流域地區防洪要求、堤防防洪標準及安全泄量，猴山水庫控制運用條件為：10a一遇防洪標準，安全泄量達到1010m3/s。

3)調度運用原則。①水庫洪水調度方式既要滿足下游防洪要求，又要保證大壩的安全，使水庫調度方式安全可靠。②水庫放流以入庫流量及水庫水位作為判別條件，分級控制水庫下泄流量。③猴山水庫在滿足下游防洪要求時盡量放流，但水庫最大下泄流量不應超過最大入庫流量。

4)防洪庫容的確定。根據猴山水庫對下游的調度運用方式，進行猴山水庫樞紐洪水調節計算，水庫防洪庫容2797萬m3，如表3所示。

表3 控制斷面洪水組合流量成果表

經計算，等蓄量法確定的防洪庫容為3291萬m3，區間補償法防洪庫容為2014萬m3，分級控泄法確定的防洪庫容分別為2797萬m3，綜合考慮工程建設的經濟性和防洪安全本階段采用分級控泄法確定的防洪庫容，即猴山水庫工程防洪庫容為2797萬m3。

2.2 防洪限制水位計算

1)方案擬定。在可行性研究階段通過對各方案成果綜合分析比較，正常蓄水位推薦值124.0mm。在保證經濟區供水的情況下，水庫的防洪與興利庫容為2797萬m3、12720萬m3。考慮不同的結合方式初步擬定三個防洪限制水位，如表1所示。

2)費用現值比較。擬建水源工程初步設計中城市供水水價為1.75元/ m3，初步估算二期工程白石至青山水庫出口工程水價為1.2元/ m3，則擬建水源工程供水至青山水庫出口的水價為2.95元/ m3，考慮青山水庫到經濟區工程投資后，擬建水源供水至新區的水價估算為4.5元/ m3，而猴山水庫工程水價為2.5元/ m3。擬定的三個方案在向東戴河新供水量相同的情況下，投資小的方案，需擬建水源補給水量大、水費較高，投資高的方案需擬建水源補給水量小、水費較低。因此需對三個方案進行費用現值的比較，如表4所示。

表4 水庫防洪限制水位表

由表4可知，方案一的投資為159212萬元，費用現值為161047萬元，按2.0元/m3的差值計算特枯水年組多補給水量，考慮最不利情況(2030年出現枯水年)的折現值為1835萬元；方案二的投資為159417萬元，費用現值為160779萬元，特枯水年組補水折現后現值1362萬元；方案三的投資為169018萬元，費用現值為160373萬元，特枯水年組補水現后現值355萬元。

綜上分析，在供水效益相同的情況下，方案二的費用現值最低，即160779萬元。因此，以方案二作為推薦方案，校核水位136.27m，防洪限制水位131.5m，正常蓄水位134m。

2.3 設計與校核洪水位的計算

1)工程等級。按《防洪標準》有關規定，猴山水庫為大(2)型水庫，工程為Ⅱ等，主要建筑物有混凝土擋水壩段、溢流壩段、引水壩段、副壩及引水隧洞，均為2級建筑物。防洪標準按百年一遇設計，千年一遇校核。

2)泄流曲線。猴山水庫采用溢洪道泄流，溢洪道堰頂高程120m，總凈寬55m，共設5孔，每孔凈寬11m。水庫全開、單孔以及單寬水位-泄量關系見表5，圖2。

圖2 猴山水庫水位-泄流關系曲線

表5 水位-泄量關系

3)防洪調度運用方式。猴山水庫溢流堰總凈寬度55m，共設5孔閘門，閘門單孔凈寬11m，堰頂高程120m。水庫防洪調度運用方式是依據水庫控制運用條件和運用原則，同時滿足各種典型洪水條件下的防洪要求確定的控制運用方式[6-8]。經全區洪水調節計算，猴山水庫的防洪調度運用方式推薦為分級控泄法。

4)樞紐洪水調節計算。采用地區洪水調節計算確定的水庫調度運行規則，進行水庫樞紐洪水調節計算，猴山水庫選定方案泄水調節成果見表6，猴山水庫洪水調節計算過程見圖3。

表6 樞紐洪水調節計算成果表

2.4 防洪調度方式

根據洪水組合特性和防護對象要求，按分級控制和固定下泄流量相結合的方式，猴山水庫防洪調度方式如下：① 當防洪控制斷面流量<600m3/s，并且猴山水庫入庫流量<450m3/s時，也就是當猴山水庫和控制斷面發生<2a一遇洪水時，猴山水庫按來量下泄，使水庫水位保持在防洪限制水位。②區間漲水階段，當防洪控制斷面流量在600-1000m3/s，猴山水庫入庫流量在450-1480m3/s時，也就是當猴山水庫和控制斷面發生>2a一遇，>10a一遇洪水時，控制猴山水庫按230m3/s放流，使防洪控制斷面最大流量不超過1010m3/s。③ 區間退水階段，當防洪控制斷面流量由1000m3/s消落至<500m3/s，猴山水庫入庫流量在470-1480m3/s時，可加大水庫放流，控制猴山水庫按680m3/s放流，考慮猴山水庫至防洪控制斷面的傳播時間為3h，當水庫放流傳播至控制斷面時，防洪控制斷面的流量可以消落至300m3/s以下，使防洪控制斷面最大流量不超過1010m3/s，并可盡快使水庫水位回落至防洪限制水位。④ 當防洪控制斷面流量>1000m3/s，猴山水庫入庫流量>1480m3/s時，也就是當猴山水庫和控制斷面發生>10a一遇洪水時，水庫改為保證大壩安全的調度方式，不再控制泄流，將閘門全部打開，按水庫泄流能力放流[8-11]。

3 結 論

文章結合水庫水位-面積、水位-庫容關系，分析了水庫水量損失、供水任務和入庫水量等，通過計算防洪庫容、防洪限制水位、設計與校核洪水位等，明確了猴山水庫防洪調度方式。經計算，防洪限制水位131.5m，全區洪水調節計算表明，猴山水庫的防洪調度運用方式推薦為分級控泄法，對改善東戴河新區地下水超采及海水入侵狀況，提高水庫下游防洪標準發揮著重要作用。