下游河道過流能力不滿足防洪標準時大型水庫防洪調度圖繪制探討

周 冉，張永平，劉 璐

（1.山東省水利勘測設計院有限公司，山東 濟南 250013；2.水發規劃設計有限公司，山東 濟南 250013）

依據《山東省水庫汛期調度運用計劃編制手冊》（魯水辦字[2019]14號）及相關的法律、法規編制調度運用計劃過程中，遇到下游河道過流能力不滿足防洪標準等問題，本次針對該問題，提出以設計報告為調度依據，增添下游河道過流能力邊界線的方法繪制防洪調度圖，統籌水庫防洪和興利，使水庫最大程度發揮興利和防洪功能。

1 水庫概況

臥虎山水庫位于濟南市歷城區仲宮街道辦玉符河上游，水庫流域面積557 km2，根據增容工程批復，臥虎山水庫興利水位由129.00 m恢復至130.5 m，興利庫容0.637 億m3，總庫容1.203 億m3，是一座以防洪和城市供水為主，兼顧灌溉、養殖和生態補源等綜合利用的大（2）型水庫。現樞紐工程由大壩、溢洪道（閘）、放水洞三部分組成。增容后于2017 年重新測量并啟用了新的庫容曲線。2018 年增容工程通過了山東省水利廳的竣工驗收。綜上，臥虎山水庫調度運用計劃需重新編制。

2 下游河道安全泄量

2.1 設計報告采用安全泄量

根據《山東省濟南市臥虎山水庫除險加固工程初步設計報告修編稿》（2008年）、《山東省濟南市臥虎山水庫增容工程初步設計報告》（2014年）、《濟南市臥虎山水庫大壩安全鑒定-防洪能力復核報告》（2019年），水庫防汛調度均按兩級控制：一級控泄防洪標準20 年一遇，最大安全泄量800 m3/s；二級控泄防洪標準100 年一遇，最大安全泄流量為1300 m3/s。

2.2 河道治理工程設計流量

2015年11月，濟南市水利建筑勘測設計研究院編制了《濟南市玉符河綜合治理工程初步設計報告（水利部份）》，對玉符河進行綜合治理，設計防洪標準50 年一遇。根據該報告，玉符河G104 橋以上至臥虎山水庫段河道子槽滿足240 m3/s過流能力，50 年一遇設計水位線漫灘，淹沒兩岸部分臺地（包括現狀的農田、魚塘和部分村居等），規劃控制線規劃不小于淹沒線范圍，遠期結合本地區的村居整合規劃進行灘地和子槽兩側臺地的改造，淹沒線以下不再建設永久設施。玉符河已按照該初設報告治理完畢，但尚未進行竣工驗收。

2.3 下游河道安全泄量的確定

水庫設計安全泄量800 m3/s和河道治理工程過流能力240 m3/s不匹配。以240 m3/s作為下游河道安全泄量進行汛中限制水位核算，為保大壩安全，汛中限制水位至少應降至125.41 m。從保蓄水興利方面核算，汛中限制水位應不低于126.92 m。綜上，以240 m3/s作為第一安全泄量，1300 m3/s作為第二安全泄量時，臥虎山水庫防洪和興利不能同時滿足要求。

綜合考慮臥虎山水庫設計情況、水庫管理單位的意見、玉符河河道治理現狀，臥虎山水庫近幾年實際運行情況，權衡水庫防洪和興利等因素，確定安全泄量采用近期設計報告中的相關成果，即20 年一遇安全泄量800 m3/s，100 年一遇安全泄量1300 m3/s。

在調度圖繪制時，雖不按照240 m3/s控泄，為給超過子槽設計流量存在淹沒風險的村莊轉移提供參考，按照子槽設計流量240 m3/s繪制了240 m3/s泄洪邊界線。

3 汛期控制運用指標

3.1 汛中限制水位

從水庫工程安全、保護下游和興利蓄水三方面統籌考慮，確定水庫汛中限制水位為127.00 m。

表1 臥虎山水庫汛中限制水位核算成果表

3.2 允許超蓄水位

從蓄水服從防洪安全角度考慮，臥虎山水庫汛中允許超蓄水位為127.00 m。

3.3 汛末蓄水位

臥虎山水庫增容工程竣工驗收后水庫興利水位為130.50 m，汛末蓄水位為130.50 m。

3.4 允許壅高水位

臥虎山水庫為兩級控泄，自127.00 m起調，水庫遭遇20 年一遇洪水時，按一級安全泄量800 m3/s控泄；當水庫遭遇100 年一遇洪水時，按二級安全泄量1300 m3/s控泄。

采用式（1）進行調洪演算：

式中：Q1、Q2為時段初、時段末入庫流量，m3/s；q1、q2為時段初、時段末出庫流量，m3/s；V1、V2為時段初、時段末水庫蓄水量，104m。

臥虎山水庫溢洪道堰型為低堰，類似WES堰（實用堰），閘門為鋼板弧形閘門。當0.1＜e/H≤0.75時，為孔流；e/H＞0.75時，為堰流。堰流設計流量采用除險加固報告中模型試驗成果。孔流計算采用下式（2）計算：

其中：σs為淹沒系數；0為閘孔自由出流的流量系數，它綜合反映閘孔形狀和閘門相對開度e/H對泄流量的影響；e為閘門開啟高度；n為閘孔孔數，溢洪閘共計5 孔；b為每孔凈寬，取13 m；H0為包括行進流速水頭的堰前水頭，即。

曲線型實用堰弧形閘門流量系數計算公式見式（3）：

經計算，按照固定閘門高度方式調洪，遭遇20 年一遇洪水時，閘門同步開啟1.58 m，第一允許壅高水位為128.97 m；遭遇20 年一遇洪水時，閘門同步開啟1.93 m，第二允許壅高水位為134.21 m。

3.5 警戒水位

臥虎山水庫設計防洪標準為100 年一遇，警戒水位為100年一遇水位134.21 m。

3.6 允許最高水位

本次采用校核洪水標準5000 年一遇洪水，考慮中小洪水控泄的要求，計算5000 年一遇洪水位作為允許最高水位，為137.16 m。

4 防洪調度圖繪制

本次采用實測流量法推求的設計洪水，橫坐標為全流域天然最大24 h凈雨深（R24），為方便使用，本次先分析了入庫洪水24 h徑流深（Y24）與水庫全流域天然最大24 h凈雨（R24）的關系Y24～R24隨后確定了P+Pa與全流域天然最大24 h凈雨（R24）的關系P+Pa～R24。由此，通過查雨前水位和P+Pa值可迅速確定所屬的調度區，選定最優泄洪方式，預估最高庫水位，方便指導汛期水庫調度運行。

4.1 24 h凈雨R24與24 h徑流深Y24關系分析

流域出口斷面流量過程線時段數采用式（4）計算：

式中：L為流域出口斷面流量過程線時段數；n為經驗單位線時段數，根據臥虎山水庫資料分析，臥虎山水庫經驗單位線時段數為31；m為凈雨時段數，凈雨時段數為24。

采用上式計算出臥虎山水庫流域出口斷面流量過程線的時段數為54，即24 h凈雨R24對應的洪量應為設計洪水過程線中最大54小時的洪量（W54）。Y24對應的為最大24小時洪量（W24）。根據洪量和流域面積計算出不同頻率的R24和Y24，擬合兩者關系，成果見式（5）和圖1。

圖1 臥虎山水庫R24～Y24關系圖

4.2 不泄水邊界線

臥虎山水庫汛中限制水位為127.00 m，相應庫容為4892 萬m3。設置不同的雨前水位，計算相應庫容，從而確定水庫所需蓄存水量。將蓄存水量根據W72～Y24關系式轉換為Y24，根據R24～Y24關系式轉換為R24，成果見表2。

表2 不泄水邊界線計算成果表

4.3 限制泄洪區邊界線

根據除險加固已批復的不同頻率設計洪水，確定最大24小時徑流深Y24和洪峰、洪量的關系。假定不同的Y24計算相應的洪峰、不同時段洪量，計算入庫洪水，按照汛限水位127.00 m以下不泄洪，汛中限制水位和一、第二允許壅高水位之間均限泄，最高水位剛好達到第一、二允許壅高水位，進行水庫調算，試算相應的雨前水位，成果見表3和表4。

表3 限制泄洪區邊界線（限泄800 m3/s）計算成果表

表4 限制泄洪區邊界線（限泄1300 m3/s）計算成果表

4.4 自由泄洪區

根據上述方法計算設計洪水。按照考慮中小洪水兩級控制，進行水庫調算。根據不同頻率洪水試算相應的雨前水位，成果見表5。

表5 自由泄洪區邊界線計算成果表

4.5 240 m3/s泄洪邊界線

按照汛限水位以下不泄洪，達到汛中限制水位127.00 m時閘門開啟1.58 m，進行水庫調算，最大泄量為240 m3/s，最高水位不超過127.00 m，試算相應的雨前水位，成果見表6。

圖2 淮河下游 通榆河 大團（通北）站 2009年水位～流量關系曲線圖

4 結論

（1）橋測的精度可以滿足國家標準《河流流量測驗規范》的要求，是一種行之有效的水文測驗方法。尤其是它具有機動靈活、安全可靠、經濟高效、便于搶測洪水流量和有利于提高測洪能力等優點，是防汛抗旱的重要技術手段之一。

（2）在橋體上下游范圍內，水流皆受到橋墩的影響，相對而言，橋體上游水流較平穩，下游水流較紊亂，流速儀不易穩定，測驗精度較差。因此，橋測斷面應布設在橋體上游為宜。

（3）在橋測流量計算中，過水斷面面積是否排除橋墩面積，流速是否進行改正，決定于橋測斷面的布設位置。為計算方便和不致使流量計算精度因進行計算而降低，如能將橋測斷面設在橋墩對水流影響范圍以外，較為有利。一般來說，水網區因流速較小（Vmax＜1 m/s），離開橋墩2 m即可。

（4）由于通榆河上均為新建的橋梁，標準較高且孔數較少，故斷面垂線應以橋孔中央線對稱布設為佳。每條垂線的測點數以兩點法為佳。有時因搶測洪峰的需要，或有其它困難，亦可采用相對水深0.6一點法。

（5）隨著科學技術的發展，特別是走航式ADCP在水文測驗上的普遍應用，盡管橋測方法較之ADCP測流有一定的局限性，但仍然較為實用，尤其是在人手緊張的洪水期。為具備一定的比測驗證成果，應在平時開展橋測與走航式ADCP比測率定工作，以備測洪之需。