某水库特征水位分析及洪水调节研究

邹吉余

(盖州市水利事务服务中心，辽宁 盖州 115200)

0 引 言

水库工程建设具有灌溉、发电、调洪等综合作用。合理分析水库库容，确定特征水位，是水库设计的基础数据。通过计算确定水库的兴利调节、洪水调节方案，可将水库的效益最大化，具有十分重要的研究意义。在水库调节过程中需要考虑水库的作用，例如生态因素[1]、防洪调度[2]、联合调度[3-4]、结构安全[5-6]等。

2 工程概况

水库位于淮河流域沂河干流中上游，是一座以防洪为主，兼顾灌溉、发电、养殖等功能的大(2)型水库。水库控制流域面积1782 km2，现状总库容5.28亿m3。枢纽工程由土石坝、砌石坝、溢洪道(闸)、放水洞、坝后水电站等建筑物组成，工程等别为Ⅴ等，挡水建筑物全长2216m，最大坝高33.65m。水库灌溉面积9.74×104hm2，坝后电站总装机容量5640kW。库区岸坡岩性以碎石土为主，河谷地貌呈 “U”字形，地形坡降较大。设计洪水标准为10年一遇(P=10%)，校核洪水标准为50年一遇(P=2%)，洪峰流量分别为49.2m3/s、67.4m3/s。溢流堰单孔净宽5.0m，共3孔。

3 特征水位分析

3.1 泥沙淤积计算

该流域的泥沙，主要来源于流域上游的水土流失。设计流域位于50-150t/km2区域内，本阶段设计流域悬移质输沙模数取75t/km2，推悬比按20%计。

水库设计流域面积为1.93km2，通过计算，坝库址处年输沙量为173.7t，其中悬移质输沙量144.8t，推移质输沙量28.9t，水库库址处多年平均来水量为19.3万m3，则坝址处悬移质泥沙多年平均含沙量为0.75kg/m3。

根据其水沙条件、地形特征等，采用类比法并结合有关经验公式确定：

K=V/(Ws·Jo)K<2.2为锥体，K>2.2为三角洲或带状

(1)

式中：V为正常蓄水位以下库容(以万m3计)；Ws为设计淤积年限内总入库沙量(以万m3计)；Jo为库区河床平均比降(以万分率计)。

经计算，坝址处K=14.2，K值小于>2.2，为三角洲或带状淤积。采用多年平均库容淤积损失率法计算，计算公式为：

WT=avVT

(2)

式中：WT水库蓄水T年总淤积量，m3；av多年平均库容淤积损失率，%，V为原有库容；T为淤积年数。

av确定方法如下：

工程等别为Ⅴ等，坝型为均质土坝，合理使用年限为50年，因此水库设计淤积年限按50年计。水库淤积库容为3202.5m3，水平淤沙高程为233.15m。

3.2 特征水位

3.2.1 死水位

根据泥沙计算成果，塘坝运行50年后，坝址淤积总库容为0.32万m3，水平淤积高程233.15m，据此确定塘坝死水位为233.2m，相应死库容为0.34万m3。

3.2.2 正常蓄水位

山区小型塘坝一般不设结合库容，泄水建筑物大多为开敞式的溢洪道。本工程为现有塘坝除险加固工程，为不增加田土淹没面积及迁占工作，塘坝维持原溢洪道顶高程不变，正常蓄水位为236.0m。

4 兴利调节

4.1 基础数据

根据现场调查并结合水利局等部门提供的资料，流域内无村寨及工矿企业。因此本次设计不再考虑坝址以上年用水量。库容曲线根据实测地形图，采用水库库容数学模型计算得到。水库库容计算公式如下：

(3)

式中：ΔV为水库库容增量；S1、S2为相邻两高程面的水库面积；H为相邻高程面的间距。

水库水位-面积-库容关系成果见图1。

4.2 兴利调节计算

水库是以供水为任务的月调节水库，径流调节计算按“以供定需”的原则来进行用水供需平衡计算，第i月时段的计算公式为：

Vi+1=Vi+W来-W用-W损

(4)

式中：Vi、Vi+1为分别水库第i月月初及月末的蓄水量；W来水库第i月来水量；W用水库第i月用水量；W损水库第i月渗漏、蒸发损失量；

1)径流计算

根据水文计算成果，水库多年平均来水量为19.3万m3，50%年来水量为13.26万m3。50%典型年月径流分配成果进行分配结果见表1：

2)蒸发、渗漏损失

蒸发量按水面面积乘以各月蒸发深计算，渗漏量按正常蓄水位相应库容的1%计。

3)用户需水量分析

水库灌溉范围内主要种植玉米和小麦和部分经济作物，此次农田灌溉用水量及用水过程见表2：

表2 水库典型年各月灌溉用水量成果表

4)兴利调节计算

根据需水过程，采用完全年调节，以月为计算单位，确定起调月份(7月)。当水位高于设计蓄水位(85.00m)时则弃水，往复计算直至起调库容与结束月末库容相一致。详见表3。

表3 水库兴利调节计算成果表

经兴利调节计算，水库正常蓄水位236.0m，P=50%保证率下的来水量可满足150亩农田灌溉用水，对应的最大供水能力为13.26万m3。

5 洪水调节

水库泄洪建筑物为开敞式溢洪道自由泄洪，溢流堰堰顶高程为正常蓄水位，洪水调度以保护大坝自身安全为原则，未设置防洪限制水位，当来水大于供水及生态用水要求时，水库蓄水，直至正常蓄水位，当蓄水位超过正常蓄水位时，来水通过溢洪道自由下泄；当发生洪水时，水库通过溢洪道泄洪，同时通过水库滞洪库容消减洪峰流量，直至来水流量等于下泄流量，水库水位达到最大值，再经过溢洪道泄洪，库水位逐渐回落到正常蓄水位。水库泄量关系见表4。

表4 水库泄量关系成果表

水库洪水调节计算的基本原理是水量平衡，即水库的入库流量过程线与经过水库调蓄后的出库流量过程线之间的关系，可用水量平衡方程式来表示，即：

(5)

式中：Q1、Q2为时段初、时段末的入库流量，m3/s；q1、q2为时段初、时段末的出库流量，m3/s；V1、V2时段初、时段末的水库蓄水量，万m3；Δt为计算时段，h(本次调算中取Δt=0.1h)。

水量平衡方程式中q2与V2是未知数，还必须建立水库下泄流量与库容的关系，即：

q=f(V)

(6)

洪水调节计算成果见表5，图2、图3。

表5 水库洪水调节计算成果表

图2 洪水(P=10%)调节成果

图3 洪水(P=2%)调节成果

5 结 语

坝址正常蓄水位236.0m，死水位233.2m，兴利库容1.29万m3，死库容0.34万m3。水库设置溢洪道，无防洪限制水位要求，库满溢流，主要功能为拦截上游汛期水作为非汛期时农田灌溉。运行水位从正常蓄水位236.0m至死水位233.2m，满足设计保证率(P=50%)下灌溉水量4.33万m3。水库具有年调节性能，运行时，水库水位在正常蓄水位与死水位之间变动。