辽宁省无水文资料地区小型水库全面复核技术解析

马传波

(辽宁省水利水电科学研究院，辽宁 沈阳 110003)

辽宁省无水文资料地区小型水库全面复核技术解析

马传波

(辽宁省水利水电科学研究院，辽宁 沈阳 110003)

本文从当前小型水库普遍存在的实际问题出发，通过对小型水库测量、调查和系统性水库特性复核计算等技术的深入研究，提出一整套的无水文资料地区小型水库全面复核关键技术，为彻底解决小型水库基础资料缺失、管护权责不清、防汛无据可依等诸多难题提供有力技术支撑。

小型水库；测量；调查；复核计算

防洪减灾是国家长期战略，水库作为防洪减灾体系的主体，具有防洪、抗旱、生态保护等多种功能，是调控水资源时空分布、优化水资源配置最重要的工程措施之一。辽宁省共有水库914座(《辽宁省第一次水利普查公告》统计数据)，小型水库807座，占比近88.29%，分布在全省14个市，可谓量大面广。这些水库90%以上是在 1958—1976年期间建成，受当时经济条件、技术水平、建筑材料和管理体制等方面的限制，很大一部分属“三边工程”，再加上长期以来工程管理粗放、老化失修、常年淤积，已成为防汛工作最大安全隐患。而我国绝大多数小型水库普遍存在工程质量差、防洪标准低、基础资料缺失、实际抗洪能力无从掌握、管护机制不健全等问题，因此，亟需根据小型水库特点，针对性地通过实地测量、调查、复核等一系列技术，重新对小型水库实际工程规模、特性和实际防洪能力，及管理体制、管理人员、运行状况和下游保护目标等进行调查分析，为小型水库防洪抗旱减灾提供有力技术支撑。

1 主要研究内容与技术路线

小型水库量大面广，复核内容的确定至关重要，稍有不当将导致工作量成倍增加或无法满足实际复核要求。本文针对小型水库普遍突出特点，提出了无水文资料地区的小型水库通用性的测量、调查和复核计算方法，并开发了库容曲线测算与绘制软件平台；同时，对复核成果进行了分析评价，提出了切实可行的建议措施，具有较强的可操作性，为小型水库今后的科学管理奠定了坚实基础[1]，主要内容和技术路线见图1。

图1 系统技术路线及主要研究内容框图

2 复核水库测量与调查

2.1 水库测量参数确定及技术方案

2.1.1 水库断面测量

水库断面测量主要内容分为水库断面布设、断面测量和基面选择等内容。为使水库各项测量成果与水库历年防汛工作相衔接，水库测量成果需采用水库原基面高程。

(1)水库断面布设

在库区内按地形变化情况，垂直于水流方向布设若干个有代表性的测量横断面，详细布设见图2。

图2 典型水库断面布设测量图

①第一条横断面应布设在平行水库大坝的坝脚处，水库最后一条横断面应布设在水库水面历年最大回水处附近。

②相邻两断面间距不应大于从第一条断面至河长测量最远处一条断面总距离的20%，且各断面应互相平行。

③水库水深最大和河道形状有明显变化处应布设断面。

(2)水库断面测量

①各条横断面两岸最高点应测至不低于水库坝顶高程。相邻两条断面的间距应根据两断面间构成的图形，采用中点互作垂线取其算数平均值或采用中点连线、平均间距等方法确定。

②各条横断面测点应测到完整的河床(库底)变化的转折点，两条断面垂线间距离不得大于应测该断面总距离的20%。

③水下高程部分借助船，采用测深杆、测深悬垂等测深(水深测量精度：当水深等于或大于5 m时，取0.1 m；小于5 m时，取0.01 m)，当水深很大时可采用回深测深仪测深，封冻期水下部分可打冰眼测深；当遇有全库无水时应注明库干及库干开始年、月、日。

④各条横断面测点起点距精度一般取0.1 m，大于或等于100 m时，可取1 m。

⑤为了取得水库河道比降资料，各水库均应进行纵断面测量，选取水库有代表性的河段2000 m进行纵断面测量。

2.1.2 水库主要建筑物测量

(1) 大坝测量

坝顶高程、坝顶宽度、坝顶长度、大坝坡度(迎水坡、背水坡)，并说明大坝类型、护坡情况、排水设施情况。

(2) 溢洪道测量

溢洪道堰顶高程、溢洪道断面尺寸(溢流堰净宽、底坎高度(带底坎的宽顶堰)、堰长、边墙高度、陡槽长度及坡度)；对有闸门控制的溢洪道要量出闸孔净宽、说明孔数、闸门型式及尺寸(宽×高)； 说明溢洪道的形式、进水渠口形状、消能设施及下接渠道或河道情况。

(3) 输水洞测量

测量输水洞涵管进口底高程、出口底高程、输水洞长度、输水洞过水断面面积(方涵内径宽×高，圆管内直径)、闸门尺寸(宽×高)、可开启高度；并说明输水洞型式(如坝下涵管竖井式、塔式、深孔式、坝后闸阀式等)及输水洞涵管结构(如浆砌石方涵、混凝土方涵、混凝土园管等)。

2.2 水库调查

水库调查分析主要内容包括水库名称、经纬度、工程运行管理单位、管理人员经费来源、经营方式、是否确权划界、水库防洪功能(下游保护对象：村、户、人口数，企业、学校，铁路、公路等公共设施等)，水库兴利功能(灌溉面积、生活用水户、生活供水量、工业用水户、工业用水量、养鱼面积、装机容量)、水库主要水工建筑物、水情观测设施、通讯设施和防汛道路等。

3 水库库容曲线测算及特征值复核

3.1 防洪标准选取

水库防洪标准选取主要依据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252-2000)，根据小型水库规模及所处的地形特征(山区、丘陵区或平原、滨海区)等情况，选取复核标准。防洪标准均取下限，尤其对坝高小于15 m，且上下游最大水头差小于10 m的山丘、丘陵区水库，全部按照平原、滨海区标准确定，设计标准为10 a一遇洪水，校核标准为20 a一遇洪水。

3.2 水库水位～库容、面积测算与曲线绘制

水库水位～库容、面积测算与曲线绘制是小型水库全面复核的重要内容之一，本研究在传统测算与曲线绘制原则基础上，进行了软件系统开发，解决了小型水库复核人工计算库容耗时、计算失误多等难题，为水库复核提供全面技术支撑[2-4]。

3.2.1 水库水位～库容、面积测算与曲线绘制原则

水库各种水位与库容之间关系的曲线称为水库水位～库容曲线。根据断面测量成果，首先计算出水库不同水位级下的各横断面面积，并求出相邻横断面的平均面积，然后乘以两断面间的距离，即求出两相邻横断面的容积。以不同库水位和库容点绘曲线即为水库水位～库容曲线，再由库容曲线求得水库面积曲线。库容采用棱台体积公式进行计算。

(1)

式中：ΔV为不同水位级下的库容，104m3；ΔZ为不同水位级下水位高差，m；Aj为水面面积，104m2。

3.2.2 水库水位～库容、面积曲线测算与绘制系统开发与应用

传统的计算方法，人为因素多、误差大、效率低，本系统采用C/S模式开发，以现场测量数据为基础，针对不同水库库区内不同地形特点，借助计算机算法模型，构建通用型和实用性的小型水库库容、面积曲线测算与绘制系统，数据统计样表见表1。

表1 水库水位～容积、面积曲线计算表

(1)系统功能

系统功能主要由测量数据采集(录入)、水位～河宽～断面面积计算、水位～水面面积～库容计算等部分组成，系统功能流程见图3。

图3 系统功能流程图

(2)计算模型构建

平均断面法公式：

(2)

圆锥台体积法公式：

(3)

平均断面法加圆锥台体积法公式(设S1>S2)：

(4)

(5)

式中：Qt为相邻两断面之间的容积，m3；S1、S2为相邻第一断面、第二断面的断面面积，m2；L为相邻两断面的距离，m。

(3)系统界面开发

小型水库水位～库容、面积曲线测算与绘制系统功能主界面如图4所示，成果界面如图5所示。

图4 系统功能主界面

图5 水位～库容曲线绘制界面

3.3 水库水位～泄量关系复核

根据水库溢洪道、输水洞的不同结构型式、断面尺寸，采用不同的用水力学公式计算溢洪道、输水洞泄量，并绘制曲线。小型水库溢洪道绝大部分为开敞式，其输水洞多为有压泄流为主。溢洪道和输水洞泄流计算如下。

(1)开敞式溢洪道的泄流量按式(6)进行计算，其流量系数的选择见图6。

(6)

(2)水库输水洞水位～泄量复核计算按式(7)进行计算。

(7)

图6 流量系数选择示意图

4 水库坝顶高程复核及溃坝流量计算

4.1 水库坝顶高程复核

为了保证水不从坝顶漫过，土坝坝顶高程应在水库校核洪水位以上，而且应有足够的超高，超高的数值等于波浪在坝坡上爬高加上安全超高。其主要影响参数是波浪的平均波高和平均波周期，计算时可选择的计算公式有安特烈雅波夫经验公式、莆田公式等，小型水库复核计算建议采用《碾压式土石坝设计规范》(SL 274-2001)的莆田公式进行计算。

(1)平均波高计算

(8)

式中：hm为平均波高，m；Tm为平均波周期，s；Lm为平均波长，m；W为计算风速，m·s-1；D为风区长度，m；Hm为水域平均水深，m；g为重力加速度，取9.81 m·s-2。

(2)平均波周期计算

(9)

(3)平均波长计算

(10)

式中：H为坝迎水坡前水深,m；对于深水波，即当H≥0.5Lm时，可简化为th(2πH/Lm)=1。

4.2 水库溃坝流量计算

溃坝流量计算采用坝顶高程作为溃坝计算时的高程水位，该坝顶高程为实测坝顶高程，本次复核溃坝流量计算时，只计算坝体瞬间局部垮时溃坝流量，溃坝宽度分别取20 m和50 m两种工况。采用“辽宁计算公式”进行计算。

(11)

式中：b为坝址断面溃口宽度，m；B为坝址断面平均宽度，m；g为重力加速度，取9.81 m·s-2；h为溃坝前的坝前水深，m；Qm为溃坝时坝址处最大流量，m3·s-1。

5 水库复核综合评价

水库复核综合评价是复核工作的总结，根据上述复核计算，分别按照防洪标准复核结论、工程等别及建筑物级别、水库主要建筑物级别安全评价结论、水库工程效益、运行管理情况，工程质量、结构安全评价等给出水库复核综合评价并列表，详见表2。

表2 水库复核情况表(东港市马家沟水库复核情况表)

6 结 语

据《第一次全国水利普查公报》统计，我国共有水库98 002座，是世界上水库最多的国家，其中小型水库93 308座，占95.2%。随着我国社会经济的发展，许多小型水库下游风险区人口、经济、社会设施等较当年建库时有较大幅度的增长，一旦溃坝，将造成严重的人民生命、财产损失。辽宁省小型水库复核技术研究与应用总结并取得一整套实用、先进具有推广价值的技术成果，解决了长期困扰小型水库基础资料缺失的技术难题。在本复核成果基础上，降等报废水库68座；构建了辽宁省小型水库报汛系统，实现了全省小型水库的统一报汛；设立了小型水库管理人员机制，彻底改变了小型水库管护模式，为保障水库及下游人民生命财产安全、社会和谐稳定，促进小型水库社会、经济效益发挥提供了有力支撑。

[1] 庞毅，马传波.等辽宁省小型水库复核工程特性汇编[M].辽宁科学技术出版社，2015.

[2] 许明家, 高祥涛, 胡金龙. 基于消息的水利数据共享交换平台设计与实现[J]. 水利信息化, 2012(4):29-33.

[3] 陈国新，操文健，卞俊杰.手机短信在水文测站报汛中的应用[J].水利水电快报，2008(12):15-17.

[4] 李建勋, 解建仓, 李维乾,等. 面向水利业务构建的应用支撑信息服务中心[J]. 长江科学院院报, 2013(1):71-75.

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马传波(1978-)，男，高级工程师，主要从事水利自动化与信息化方面的工作。E-mail:sunrain1212@126.com

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