中型水庫洪水復(fù)核及調(diào)洪演算數(shù)值解法分析

劉鎣鎣

（北京中水利德科技發(fā)展有限公司太原分公司，山西 太原 030024）

0 引言

水庫工程洪水計算以及調(diào)洪演算是水庫洪災(zāi)管理中的重要非工程措施,也是新建水庫設(shè)計及病險水庫除險加固中的重要水文復(fù)核項目。山西省現(xiàn)有水庫工程中大部分工程建設(shè)時間早,因設(shè)計水平低、系列徑流資料缺乏,水庫水文參數(shù)計算通常通過經(jīng)驗公式或設(shè)計暴雨推求,所得到的計算成果與水庫工程運行實際相差甚遠(yuǎn)。出于水庫防洪調(diào)度及水資源利用效率等方面的要求,應(yīng)選取中型代表庫進(jìn)行水庫水文要素的長期觀測,以便為水庫洪水計算及調(diào)洪演算積累數(shù)據(jù)資料。

壩址洪水指水庫建成前通過壩址斷面處的洪水,入庫洪水指由水庫四周匯入水庫以及庫面降雨等所形成的洪水。設(shè)計洪水指滿足水庫工程設(shè)計要求和防洪標(biāo)準(zhǔn)的洪水。水庫工程溢洪道通常采取寬頂堰或?qū)嵱醚咝褪?自由出流且無閘門控制,故而水庫庫容、出庫流量等呈非線性關(guān)系。在計算已建水庫入庫洪水計算時必須借助庫水位過程線、下泄流量及庫容曲線進(jìn)行洪水入庫過程反演,而水庫調(diào)洪演算過程主要研究洪水經(jīng)由水庫調(diào)節(jié)后過程線的變化,可見,水庫洪水計算與調(diào)洪演算均以水量平衡為基本原理[1]。

試算法、全圖解法、半圖解法均屬于常規(guī)的調(diào)洪演算求解方法,其中,半圖解法應(yīng)用最為廣泛,但是常規(guī)計算方法普遍存在精度不高、過程繁瑣,手工操作等劣勢,無法為水庫工程防洪管理決策提供及時、可靠、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。Excel所具備的強大的數(shù)據(jù)整理、分析功能可進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、自動的水庫調(diào)洪演算,克服常規(guī)手工算法的弊端,為水庫洪水復(fù)核、調(diào)洪演算及運行管理提供保證。

1 工程概況

郭堡水庫位于山西省太谷縣烏馬河河道,屬于中型水庫。烏馬河屬于汾河二級支流,河道全長83 km,流域面積1730 km2,河流平均比降4.49‰,糙率均值0.025,年降水量均值457.5 mm,年徑流均值29.9 mm。根據(jù)1979 年航拍1/5 萬地形圖,配合大比例尺地形,勾繪流域分水線,進(jìn)行流域面積、河長及河流縱比降量算,在實地查勘的基礎(chǔ)上,結(jié)合《水文計算手冊》流域下墊面劃分圖,進(jìn)行流域產(chǎn)、匯流地類劃分,所得到的郭堡水庫流域面積228 km2,流域長度20.6 km,流域縱坡18.1‰。烏馬河流域洪水屬于暴雨型,集中于7月~8月,在流域下墊面、流域特性以及暴雨時空分布等的綜合影響下,洪水爆發(fā)突然且來勢兇猛、歷時短、挾沙能力強、年內(nèi)年際變化大。郭堡水庫現(xiàn)狀防洪能力設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為P=2%,超過河道治理設(shè)計斷面的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（P=10%）,因此,洪水分析計算不考慮水庫潰壩的影響。根據(jù)郭堡水庫除險加固工程初設(shè)報告,水庫起調(diào)水位937.60 m,郭堡水庫水位~庫容~泄量關(guān)系具體見表1。

表1 郭堡水庫水位~庫容~泄量關(guān)系表

2 設(shè)計洪水計算

2.1 洪峰流量

對于具體流域而言,天然來水年洪峰流量最大值近似服從P-Ⅲ分布,所以可以通過水庫水位-庫容曲線、出庫流量曲線、汛期水位過程線進(jìn)行洪水過程線及各年洪峰流量最大值推求,并根據(jù)各年獨立選樣所得到的流量系列,結(jié)合壩址歷史洪水,通過P-Ⅲ分布進(jìn)行設(shè)計洪峰流量值適線計算[2]。水位-庫容關(guān)系和實測水位溢洪道+泄洪洞總泄量關(guān)系的擬合等均可通過Excel中的回歸方程進(jìn)行,將表1數(shù)據(jù)輸入Excel表格可以得出以下函數(shù)關(guān)系：

式中：V為水庫庫容,104m3；Z為庫水位,m；Q為總泄量,m3/s。

郭堡水庫水位-庫容曲線以及水位-總泄量關(guān)系曲線見圖1和圖2。

圖1 庫水位—庫容關(guān)系曲線

圖2 庫水位—總泄量關(guān)系曲線

經(jīng)過適線所得到的流量最大值均值為310 m3/s,變差系數(shù)Cv=0.92,Cs/Cv=6.9,則當(dāng)設(shè)計頻率P分別取10%、1%時,泄洪洞和溢洪道總泄量分別為559 m3/s、1520 m3/s。參考晉中市水利勘測設(shè)計院編制的《烏馬河太谷縣城區(qū)段河道治理工程》報告,采用流域水文模型法（綜合瞬時單位線法）計算的郭堡水庫10 年一遇洪峰流量為548 m3/s,與本次單位線法計算結(jié)果相近。

2.2 洪水過程線

結(jié)合郭堡水庫歷年流量系列,選擇洪峰流量和設(shè)計流量最為接近的洪水過程,并同比放大以得出P=1%的天然洪水過程線,具體見表2。

表2 郭堡水庫天然洪水過程線（P=1%）

續(xù)表2

3 調(diào)洪演算數(shù)值解法

為進(jìn)行郭堡水庫調(diào)洪演算數(shù)值解法的應(yīng)用,必須通過函數(shù)關(guān)系式表示各關(guān)系曲線,假設(shè)開始時刻和結(jié)束時刻分別為t1和t2,所對應(yīng)的入庫流量分別用I1、I2表示,出庫流量分別用V1、V2表示,入庫流量均值用I表示。為簡化分析過程,暫不考慮庫水位蒸發(fā)及滲漏損失、動庫容等情況。則t1~t2時段內(nèi)水量平衡方程可表示如下：

將上式變形可得：

借助Excel分析工具便可完成郭堡水庫調(diào)洪演算過程,洪水標(biāo)準(zhǔn)P=1%的結(jié)果見表2,其余洪水標(biāo)準(zhǔn)下調(diào)洪演算計算過程同樣處理；起調(diào)水位選擇在937 m處,所對應(yīng)的出庫流量為零；表中的第四列數(shù)值通過式（4）計算得出；第五列為溢洪道出流量與涵管泄流量7.00 m3/s之和,其中溢洪道出流量主要通過式（2）得出；第六列數(shù)值通過式（5）得到。表中的三~六列數(shù)據(jù)可完全借助Excel單元格引用工具,通過鼠標(biāo)拖動自動填充完成計算,過程簡捷,結(jié)果準(zhǔn)確。

續(xù)表3

根據(jù)表3中計算結(jié)果，設(shè)計頻率P=1%時郭堡水庫出庫流量最大值為198 m3/s，最高水位940.44 m，將調(diào)洪演算結(jié)果與原設(shè)計參數(shù)比較，認(rèn)為該水庫原設(shè)計方案安全合理。

表3 郭堡水庫調(diào)洪演算結(jié)果（P=1%）

表3 閘泵方案比選表

4 結(jié)論

本研究分析過程及結(jié)果表明,水庫所在流域興建水利工程后壩址洪水便成為入庫洪水,動力波也演變?yōu)閴毫Σ?進(jìn)而使洪峰流量增大、洪峰時間提前。所以對實測系列資料完善的水庫以入庫設(shè)計洪水為防洪復(fù)核依據(jù)則更加符合水庫工程運行實際。借助Excel工具進(jìn)行庫水位流量、庫容等變量關(guān)系的擬合,進(jìn)而計算下泄流量及庫水位變化,為水庫防洪特征水位、庫容等的確定以及回水推算、水庫防洪效益的提升提供依據(jù)。

為保證本研究所提出的采用Excel工具進(jìn)行水庫洪水復(fù)核及調(diào)洪演算數(shù)值解法的準(zhǔn)確應(yīng)用,首先,必須保證所選取的入庫流量資料系列不短于30年,并應(yīng)在現(xiàn)有資料中加入壩址歷史洪水?dāng)?shù)據(jù),以保證資料具有代表性,避免因洪峰流量計算結(jié)果偏下而埋下安全隱患；此外,通過P-Ⅲ曲線進(jìn)行洪峰流量適線分析時,應(yīng)以曲線中上部為重點考慮區(qū)域；由于水位段次過于稀疏會使洪水流量得到削減,故所沿用的水位過程必須為按設(shè)計要求所加密的段次水位。第二,出于水庫工程運行安全考慮,應(yīng)在洪水選場時選擇峰形較為矮胖的洪水過程,并放大,使其在入庫洪峰流量相同情況下庫水位達(dá)到最大；最后,必須檢查調(diào)洪演算數(shù)值解法所得結(jié)果的合理性,并將其與水庫實際最大流量水位和頻次進(jìn)行比較,以判斷計算成果是否準(zhǔn)確可靠。若計算結(jié)果明顯與水庫運行實際不符,則應(yīng)通過計算洪水總量、移置設(shè)計暴雨和徑流系數(shù)等措施檢查問題所在,保證水庫洪水復(fù)核及調(diào)洪演算數(shù)值解法結(jié)果的準(zhǔn)確。