黃山市B 水庫特征水位選取探討

戎文杰，干家欣，李 鐵

（淮安市水利勘測設計研究院有限公司,江蘇 淮安 223001）

1 引言

水庫特征水位,是體現水庫樞紐利用水資源具體要求的指標,也是確定水庫建筑物安全運行程度、運行效益等的主要依據[1-3]。黃山市B 水庫是一座以供水為主要功能任務的水庫,是祁門縣縣城供水應急備用水源,其特征水位的確定不僅決定了區域內百姓的用水安全,而且對下游河道防洪也發揮著重要作用。

2 工程概況

B 水庫樞紐工程處于安徽省黃山市祁門縣祁山鎮沙溪村境內,壩址位于大洪水支流平溪河支溪上,水庫控制流域面積2.55 km2,主流長2.83 km,是一座以供水為主的水庫。設計供水保證率不小于95%, 近期受益人口約6.0 萬人, 遠期（2030 年）受益人口約10.0 萬人。壩型為混凝土重力壩,水庫總庫容280.40 萬m3,上下游最大水頭差30.70 m。水庫距自然水廠管道入口約8 km,之間存在約30 m 水頭差。根據國家《防洪標準》（GB 50201-2014）所規定的分等、分級指標,B 水庫屬小（1）型水庫,工程等別為Ⅳ等,主要建筑物為4 級,次要建筑物等級為5 級,設計洪水重現期為30 年一遇,校核洪水重現期為200 年一遇。

3 基礎參數計算

3.1 水庫庫容特性曲線

B 水庫水位相應的面積與庫容用1∶1000 地形圖量算,水庫水位～面積～庫容曲線表見表1。

表1 B 水庫水位～面積～庫容曲線表

3.2 水庫下泄流量曲線

溢洪道采用開敞式結構,堰型為實用堰。堰面采用WES冪曲線,冪曲線公式：

式中：x、y 為以堰頂為原點的坐標,m；Hd為堰面曲線定型設計水頭,m。

溢洪道下泄能力按照《溢洪道設計規范》（SL 253-2018）實用堰公式計算,公式如下：

式中：Q 為流量,m3/s；c 為上游堰面影響坡度修正系數,取0.988；m 為流量系數,取0.501；ε為側收縮系數,取0.952；σs為淹沒系數,取1.0；B 為實用堰總凈寬,10 m；H0為計入行近流速的堰上總水頭,m。

根據計算,水庫水位流量關系曲線見圖1。

圖1 水庫下泄流量曲線圖

3.3 設計洪水過程線

B 水庫匯水面積較小,源短流急,因此設計暴雨根據短歷時暴雨進行計算。由于壩址處無實測資料,根據聯楓站實測最大l h、24 h 降雨資料繪制P-Ⅲ頻率曲線,得到30 年與200 年一遇最大1 h 和最大24 h 設計暴雨（點面折算系數取1）,具體結果見表2。

表2 最大1h 和最大24h 設計暴雨計算表

根據《安徽省暴雨參數等值線圖》,并采用瞬時單位線法進行洪水過程計算。工程位置屬皖南山丘區,30 年一遇24 h面凈雨量扣損70 mm,200 年一遇24 h 面凈雨量扣損50 mm。根據流域特征值F=2.55 km2,J=20.36,單位線參數m1=nk,查“皖南地區k 值查算表”得到不同設計頻率的單位線參數,結果見表3。

表3 單位線參數計算表

經查表計算,得到不同頻率洪水設計入庫流量過程,根據流域特征,洪峰修正系數取0.91,結果見圖2。

圖2 30 年一遇與200 年一遇洪水入庫流量過程線圖

4 特征水位選取

4.1 死水位選取

水庫死水位確定與輸沙量密切相關,由于工程所在地無泥沙實測資料,淤沙量設計參照長江流域規劃辦公室水文處（現稱“長江水利委員會”）編寫的《水利工程實用水文水利計算》（1980 年）中推薦公式計算,即采用多年平均庫容淤損率v來確定水庫淤積量,其計算公式如下：

式中：WT 為水庫蓄水T 年的總淤積量,m3；V 為水庫的總庫容,m3；T 為水庫的蓄水年數,按50 年和20 年計算；v為水庫多年平均淤損率；G 為流域年平均侵蝕模數,t/km2, 取200 t/km2；r 為淤沙容重,1.3 t/m3；F 為水庫控制面積,km2。

經計算,水庫50 年泥沙淤積總量約為1.97 萬m3,20 年泥沙淤積總量約為0.79 萬m3。水庫死庫容須不小于泥沙淤積總量,考慮到泥沙淤積總量作為公式計算值,其結果與實測數據相比具有一定的局限性,故在確定死庫容時宜考慮一定的擴大系數,以保證水庫的正常運行。此外,對于同一正常蓄水位,當水庫死水位逐漸抬高時,死庫容隨之增大,興利庫容有所減少,B 水庫為應急備用水源,保持一定的興利庫容是十分必要的,故死水位不宜太高。因此綜合考慮,最終確定水庫死水位（放空涵洞底孔底高程）145.00 m,死庫容3.87 萬m3。

為保證緊急狀況下B 水庫能夠穩定供水,供水口高程確定首先應滿足高于死水位的要求,其次為了提高飲用水量,進水口宜取低,故綜合考慮飲水量和飲用水水質等因素,最終確定供水取水口底高程150.00 m,相應庫容15.89 萬m3。

4.2 正常蓄水位選取

B 水庫建成后供水方式為：現有水源地一旦發生緊急情況,切斷現有水源供水方式,改采用B 水庫作為水源供水。據《祁門縣縣城給水工程專業規劃（2014～2030）》,祁門自來水廠近期日均供水量1.5 萬m3,最大日供水量2 萬m3,遠期（2030 年）最大日供水量3 萬m3。應急備用水源供水啟動分以下2 種情況：（1）現有閶江供水水源發生緊急事件,啟動應急備用水源供水周期按30 天考慮；（2）干旱年份啟動應急備用水源供水周期按75 天考慮。為保證B 水庫在任何情況下都能滿足供水條件,設計應急供水調節周期按最不利情況考慮,即應急供水周期按75 天計。因此,緊急狀態時近期需水量150 萬m3,遠期需水量225 萬m3。

正常蓄水位選取主要與所需庫容大小有關,所需庫容根據水庫所承擔的興利任務確定。B 水庫的開發目標及主要任務是應急供水,其興利庫容主要由應急供水任務確定。供水取水口底高程為150.00 m,相應庫容15.89 萬m3。因此,B 水庫作為應急備用水源,為保證近期應急供水可供水量不少于150 萬m3,遠期應急供水可供水量不少于225 萬m3,近期水庫正常蓄水位相應庫容不宜小于165.89 萬m3（相應水位不應低于165.88 m）,遠期正常蓄水位相應庫容不宜小于240.89 萬m3（相應水位不應低于169.92 m）。從長遠考慮,隨著社會發展,為滿足生產生活用水需求量不斷加大的要求,正常蓄水位在條件允許的情況下宜取大,同時結合壩址處地形、地質等實際狀況,水庫正常蓄水位取170.50 m。

4.3 調洪演算

B 水庫主要功能為保證供水安全,其防洪功能為次要功能,故該工程未設置汛期限制水位,其開敞式溢流堰頂高程即為正常蓄水位。當蓄水超過正常蓄水位時,上游來水通過溢流堰自由下泄,同時通過水庫滯洪庫容削減洪峰流量,直至來水流量等于下泄流量,水庫水位將達到最大值,之后經過溢洪道泄洪,庫水位將逐漸回落至正常蓄水位。這一洪水過程對水庫水位產生的影響通常采用調洪演算進行分析。

水庫調洪演算的基本原理是水量平衡,即水庫的入庫流量過程線與經過水庫調蓄后的出庫流量過程線之間的關系,可用水量平衡方程式來表示,即：

式中：Q1、Q2為時段初、末的入庫流量,m3/s；q1、q2為時段初、末的出庫流量,m3/s；V1、V2為時段初、末的水庫蓄水量,萬m3；Δ t 為計算時段,1 h。

經過計算,水庫洪水調節成果見圖3。

圖3 30 年一遇與200 年一遇調洪演算成果

根據調洪演算結果可以看出,B 水庫設計洪水位為171.3 m,最大下泄流量16.0 m3/s；校核洪水位為171.7 m,最大下泄流量27.6 m3/s。水庫設計壩頂高程172.3 m,高于校核洪水位,當流域發生校核洪水時,水庫安全。

5 結語

綜上所述,B 水庫特征水位的選擇涉及到泥沙淤積分析、供水量計算與調洪演算等。由于B 水庫的主要功能任務為供水,在確定特征水位過程中應重點分析正常蓄水位,以保證水庫在緊急情況下能夠提供足夠的安全用水,其次通過調洪演算合理確定水庫的設計與校核洪水位,為流域防洪調度、洪水預警提供重要依據,并為洪水量級以及水庫防洪能力評價提供重要參考。