馬力溝水庫運(yùn)行調(diào)度方式及回水情況分析

田 華

（陜西建工集團(tuán)股份有限公司,陜西 西安 710000）

1 引言

水庫運(yùn)行調(diào)度方式對(duì)水庫工程效益的發(fā)揮影響較大,為了提升水庫綜合效益,制定科學(xué)、合理的運(yùn)行調(diào)度方式是十分必要的[1-3]。水庫運(yùn)行調(diào)度方式需要充分考慮水庫工程的功能需求,保障運(yùn)行方案的可行性。水庫淤積是影響水庫效益的另一個(gè)因素, 在工程設(shè)計(jì)前期需要充分考慮淤積的影響[4-6]。結(jié)合馬力溝水庫實(shí)際情況,對(duì)水庫運(yùn)行調(diào)度以及淤積情況進(jìn)行分析,為下一步工作提供參考。

2 工程概況

陜西白河縣馬力溝水庫多年平均供水量55.7 萬m3,供水（月）保證率95.0%,水庫多年平均下泄生態(tài)水量36.5 萬m3（未計(jì)入棄水量）,生態(tài)流量保證率81.0%。調(diào)節(jié)時(shí)段（水位在正常水位與死水位之間時(shí)段）占總時(shí)段比例為55%。工程為Ⅳ等小（1）型工程,主要水工建筑物級(jí)別為4 級(jí),確定大壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200 年一遇,相應(yīng)天然洪峰流量分別為144 m3/s 和191 m3/s。

3 死水位和正常蓄水位

3.1 死水位

馬力溝水庫主要任務(wù)是為縣城一水廠調(diào)蓄補(bǔ)充供水。水庫死水位選擇主要受水庫壩前泥沙淤積高程影響,由水庫淤積計(jì)算結(jié)果可知,壩前30 年淤積高程為754.00 m。進(jìn)水口底檻高程為755.00 m,考慮最小淹沒深度后確定水庫死水位為759.00 m。該水位可滿足壩前淤積高程及放水孔進(jìn)水要求,并與沖砂孔緊臨布置,保證進(jìn)口門前清,也可進(jìn)一步提高水庫供水可靠性。

3.2 正常蓄水位

白河縣城近期（2025 年）規(guī)劃水源仍以一水廠紅石河為主水源,維持紅石河現(xiàn)狀取水壩不變,在紅石河上游支溝馬力溝內(nèi)修建水庫作為調(diào)蓄補(bǔ)充水源工程。本項(xiàng)目可研批復(fù)的水庫正常蓄水位為794.00 m,調(diào)節(jié)庫容為122.1 萬m3。本階段由于壩軸線有所調(diào)整（由于壩址區(qū)河段平均比降較陡,約5.0%,不同壩軸線方案處的河床高程、基巖面高程、正常蓄水位及其它特征高程均不同,相差2 m～4 m）,本次按同等調(diào)節(jié)庫容（122.1 萬m3）的原則在推薦壩軸線方案位置來確定水庫正常蓄水位。根據(jù)上述調(diào)節(jié)計(jì)算結(jié)果,當(dāng)庫容為122.1 萬m3時(shí),能夠滿足水庫供水任務(wù)。結(jié)合水庫死水位對(duì)應(yīng)的死庫容,并考慮30 年后淤積庫容,計(jì)算正常蓄水位以下庫容為135.2 萬m3,查水庫的水位～庫容關(guān)系曲線,確定推薦壩軸線位置的水庫正常蓄水位為798.00 m。

3.3 調(diào)洪計(jì)算

本工程為Ⅳ等小（1）型工程,主要水工建筑物級(jí)別為4級(jí),確定大壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200 年一遇,相應(yīng)天然洪峰流量分別為144 m3/s 和191 m3/s。大壩水位流量關(guān)系水庫樞紐采用2 孔無閘溢流表孔泄洪,單孔寬度10 m,總寬20 m,堰頂高程798.00 m,大壩上游水位～流量關(guān)系曲線見圖1。

圖1 水位～泄量關(guān)系曲線

圖2 調(diào)洪演算成果

本工程無防洪任務(wù),未設(shè)防洪庫容,洪水起調(diào)水位為堰頂高程（即正常水位798.00 m）,調(diào)洪計(jì)算成果見表1。

表1 調(diào)洪計(jì)算成果表

從表1 可見,經(jīng)水庫調(diào)節(jié)后,入庫洪峰流量被消減19.5 m3/s～27.3 m3/s,水庫最高水位降低0.25 m 左右,水庫調(diào)洪削峰作用較小,偏安全考慮,本次在確定大壩上游洪水位不考慮水庫的調(diào)峰作用。根據(jù)水庫水位～流量關(guān)系曲線,在下泄校核洪峰流量191 m3/s 時(shí),相應(yīng)校核洪水位為800.67 m,水庫總庫容155.2 萬m3。在下泄設(shè)計(jì)洪峰流量144 m3/s 時(shí),大壩設(shè)計(jì)洪水位為800.23 m。

4 水庫運(yùn)行方式

4.1 水庫運(yùn)行水位和流量

馬力溝水庫正常蓄水位798.00 m,死水位759.00 m,大壩下泄生態(tài)流量3.8 萬m3/月（放水流量0.015 m3/s）。水庫為多年調(diào)節(jié)水庫,水庫除特枯年和連續(xù)枯水年水位降至死水位外,絕大部分時(shí)間在正常蓄水位和死水位之間運(yùn)行。馬力溝水庫向縣城一水廠設(shè)計(jì)多年平均年供水量為55.0 萬m3,日變化系數(shù)取1.4,設(shè)計(jì)最大放水流量0.293 m3/s（含生態(tài)放水流量0.015 m3/s）。

4.2 水庫運(yùn)行方式

本水庫主要任務(wù)是城市供水,其次是滿足下游河段生態(tài)環(huán)境用水要求,水庫供水原則是“以需定供”。白河縣供水水源配置方案為：①優(yōu)先選用紅石河水源供水；②一般枯水年紅石河水源不足水量由馬力溝水庫補(bǔ)充；③特枯年及連續(xù)枯水年,紅石河和馬力溝水庫供水不足,由漢江抽水補(bǔ)充。

生態(tài)環(huán)境用水下泄原則如下：當(dāng)庫水位低于788.00 m 時(shí),不下泄生態(tài)流量；當(dāng)庫水位高于788.00 m 時(shí),按3.8 萬m3/月從水庫下泄生態(tài)流量。根據(jù)上述原則擬定的水庫運(yùn)行方式如下：

（1）當(dāng)紅石河水源滿足白河縣城供水要求時(shí),馬力溝水庫除按要求下泄生態(tài)流量外,多余水量存于庫中。

（2）當(dāng)紅石河水源供水不足時(shí),不足水量由馬力溝水庫補(bǔ)充,并按要求下泄生態(tài)流量,水庫水位在正常蓄水位798.00 m 與死水位759.00 m 之間運(yùn)行。

（3）特枯年和連續(xù)枯水年,由于入庫流量很小,而供水量大,水庫將逐漸降至死水位。水庫在死水位運(yùn)行,當(dāng)入庫流量小于等于需水量時(shí),全部來水量下泄；當(dāng)入庫流量大于需水量時(shí),按需水量下泄供水,多余水量存于庫中。

5 水庫淤積及回水計(jì)算

5.1 水庫淤積計(jì)算

馬力溝水庫推薦壩址以上流域面積8.64 km2,主溝道長4.51 km,平均比降9.6%。馬力溝水庫庫區(qū)谷底寬5 m～15 m,蓄水后庫區(qū)水面寬30 m～153 m,水深1 m～56 m。馬力溝水庫推薦壩址年入庫沙量6440 t（其中懸移質(zhì)4950 t,推移質(zhì)1490 t）。懸移質(zhì)容重按1.3 t/m3、推移質(zhì)容重按1.8 t/m3計(jì)算,折合入庫泥沙體積為13.91 萬m3。

（1）水庫淤積計(jì)算結(jié)果

根據(jù)《水利水電工程建設(shè)征地移民安置規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 290-2009）,水庫設(shè)計(jì)洪水回水位的確定,根據(jù)本工程河流泥沙特性、水庫運(yùn)行方式、上游無調(diào)節(jié)水庫以及受淹對(duì)象的重要程度,本水庫采用30 年泥沙淤積。

假設(shè)推移質(zhì)全部淤積在庫中,懸移質(zhì)按照攔沙率法估算,攔沙率估算公式如下：

式中：β為攔沙率,即入庫懸移質(zhì)的淤積百分?jǐn)?shù)；V為水庫調(diào)節(jié)庫容,m3；W入為入庫水量,m3；V/W入以百分?jǐn)?shù)計(jì)算。

按上式逐年計(jì)算攔沙率、懸移質(zhì)淤積量和剩余庫容；隨著淤積量的增加,有效庫容逐年減小,攔沙率逐年降低。

壩址懸移質(zhì)年平均入庫沙量3808 m3,推移質(zhì)年平均入庫沙量828 m3,總量4636 m3。經(jīng)計(jì)算,不同淤積年限的泥沙淤積量見表2。水庫天然河道及30 年淤積水位庫容關(guān)系見圖3。

表2 馬力溝水庫推薦壩址多年淤積量及壩前淤積高程計(jì)算成果表

圖3 水位～庫容關(guān)系曲線

（2）淤積庫容曲線及庫區(qū)河床縱剖面計(jì)算結(jié)果

①泥沙淤積形態(tài)判斷根據(jù)《水庫泥沙》,水庫縱向淤積形態(tài)按以下公式判別：

式中：α為判別系數(shù)；V為水庫汛期平均水位以下的庫容,V=155.3 萬m3；WS為多年平均懸移質(zhì)輸沙量,WS=3808 萬m3；J0為水庫庫區(qū)原河床平均比降（1/10000）,J0=961。

計(jì)算得α=4.2×10-5<2.2,庫區(qū)縱向淤積形態(tài)為錐體淤積。

②橫向?yàn)┎塾俜e分配因滯洪壅水位較高,漫灘水深較大,淤積量又大,灘槽淤積屬同一形態(tài),所以淤積分布可不分灘槽。

③淤積末端位置的確定。

淤積起點(diǎn)距壩址距離為：

式中：k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),取1.03；L0為水庫正常蓄水位與原庫底的交點(diǎn)距壩址水平距離。

④試擺確定淤積部位從淤積末端出發(fā),試做幾條淤積縱剖面線,然后分別用庫區(qū)各斷面的高程與面積曲線求其淤積體積；并用內(nèi)插法,求得所需淤積量的壩前淤積高程。壩前30 年淤積高程為754.00 m。

5.2 水庫回水計(jì)算

根據(jù)水庫淹沒處理要求,需計(jì)算5 年和20 年一遇洪水的水庫回水。采用恒定漸變流方程,在淤積30 年的床面上進(jìn)行水庫回水計(jì)算,河道橫斷面共8 個(gè),回水計(jì)算斷面位置見圖4。壩前起始水位：壩址斷面起始水位根據(jù)大壩上游水位～流量關(guān)系曲線查得：5 年一遇洪水位799.40 m,20 年一遇洪水位799.93 m,5 年和20 年一遇洪水的水庫回水在0.64 km 處（DM7）與天然河道水面線尖滅。

圖4 庫區(qū)回水計(jì)算斷面位置示意圖

6 結(jié)論

為了提升馬力溝水庫綜合效益,制定科學(xué)、合理的運(yùn)行調(diào)度方式。結(jié)合馬力溝水庫實(shí)際情況,對(duì)水庫運(yùn)行調(diào)度以及淤積情況進(jìn)行分析,得到以下結(jié)論：

（1）根據(jù)馬力溝水庫實(shí)際情況,考慮最小淹沒深度后確定水庫死水位為759.00 m。工程無防洪任務(wù),未設(shè)防洪庫容,洪水起調(diào)水位為堰頂高程（即正常水位798.00 m）。

（2）考慮水庫功能需求、調(diào)洪演算結(jié)果,對(duì)水庫運(yùn)行調(diào)度方式進(jìn)行分析,當(dāng)庫水位低于788.00 m 時(shí),不下泄生態(tài)流量；當(dāng)庫水位高于788.00 m 時(shí),按3.8 萬m3/月從水庫下泄生態(tài)流量。

（3）經(jīng)過計(jì)算,水庫壩前30 年淤積高程為754.00 m。5 年和20 年一遇洪水的水庫回水在0.64 km 處（DM7）與天然河道水面線尖滅。