猴山水库防洪限制水位方案确定与防洪调度分析

郭 佳

(绥中县大风口水库管理处，辽宁 葫芦岛 125200)

实践表明，水库防洪是实时掌握、及时控制洪水灾害的有效途径，也是保证水库长效安全运行的重要前提。通过对流域水资源的合理利用和及时存储，科学调节天然径流量，对实现流域防洪抗旱以及水资源的科学合理利用具有重要意义，水库防洪调度则是下游防洪安全和水利工程安全的重要保障。因此，必须结合水文地质、自然概况、上下游防洪要求等实际情况，应用先进的科学技术拟定科学合理的防洪方案，以实现科学利用、合理开发、兴利蓄水的目标[1-2]。

防洪限制水位的合理确定是防洪调度面临的最大问题，对此国内外诸多学者开展了深入研究。目前，水库洪水调度是蓄水闸门比较常见的调度方式，探讨闸门启闭设备受洪水流量的影响，而研究防洪检修闸门运行方案也非常重要，如杨丽娜等验证了石佛寺水库调度方案的有效性与可行性；防洪调度的有效途径是确定和调整防洪限制水位，如余春华等研究了不同防洪限制水位的调整方案及其确定方法，对合理确定防洪水位具有重要意义[3-4]。此外，水库防洪效果还收防洪指标、方法等诸多因素的影响，构建多目标风险模型研究分析水库防洪控制计划指标及其水文要素特征，对水库防洪利用科学的方法进行量化极其重要，如代荣霞等研究了水库防洪调度并且实用效果良好[5]。文章结合水库水位-面积、水位-库容关系，分析了水库水量损失、供水任务和入库水量等，通过计算防洪库容、防洪限制水位、设计与校核洪水位等，明确了猴山水库防洪调度方式，可为水库调度提供一定数据支持。

1 径流调节计算

1.1 水库水位-面积、水位-库容关系

水库水位-面积、水位-库容关系采用2008年测量的1∶5000库区地形图成果，水库水位-面积、水位-库容成果见表1、图1。

表1 水库水位面积-库容关系

图1 库H-V、H-A曲线(推荐坝址)

1.2 水库水量损失

水库的水量损失包括库面蒸发损失和水库渗漏损失，经计算多年平均库面蒸发损失水深373.9mm，库区地质条件较好，多年平均渗漏按500mm，水库建成后多年平均蒸发渗漏损失水深按873.9mm计。

1.3 水库供水任务

1)需水预测显示，2030年东戴河新区总需水量9391万m3，其中生态环境、二产业、三产业和居民生活需水量为1106万m3、5138万m3、720万m3、2427万m3。从供需分析成果看，2030年东戴河新区年缺水量为9391万m3，日缺水量为25.5万t；考虑输水损失和中水回用后，需拟建拟建工程补水和猴山水库补水3639万m3、3296万m3。

2)狗河流域需补偿水量。根据2030年猴山水库下游大官帽-河口区间水资源供需分析计算成果，水库建成前本区间缺水451万m3，全部为农业用水。水库建成后，本区间缺水为538万m3，需猴山水库补偿。

3)水库坝下环境用水要求。猴山水库建成后，减少下游河道水量，本阶段水库坝下及大官帽闸环境流量按断面处多年平均径流量的10%计算，其中坝址处环境流量为0.262m3/s，多年平均需水量为826.8万m3，该需水量由猴山水库供给；大官帽闸环境流量为0.35m3/s，多年平均需水量为1108.4万m3，猴山水库需供给72万m3。

1.4 水库入库水量分析

1)水库以上区间需水情况。2030年猴山以上区间国民经济各部门总需水量552万m3，其中乡镇工业需水量27万m3，农村人畜需水量216万m3，农业灌溉面积1120hm2，灌溉需水量309万m3。

2)猴山水库入库水量分析。坝址处天然径流量8475万m3，猴山水库以上2030年总需水量528万m3。经1956-2013年58a长系列水量平衡计算，猴山水库上游扣水量528万m3，余水7969万m3，即猴山水库入库水量为7969万m3，水资源供需分析如表2所示。

表2 2030年猴山水库以上区间水资源供需表 万m3

2 防洪限制水位方案比选

2.1 防洪库容计算

1)洪水组成。地区洪水组成采用同频率法分析计算，洪水典型年选用1975年和1984年。防洪控制断面选在铁路桥断面，设计洪水组成按两种情况考虑，分别为猴山水库以上区间设计(猴山-铁路桥区间相应)、猴山-铁路桥区间设计(猴山水库以上区间相应)。

2)水库控制运用条件。水库建设前，由下游堤防承担流域的防洪任务，水库以下两岸农田堤防防洪为5a一遇，安全泄量为1010m3/s；水库建成后，防洪标准提高到10a一遇。根据流域地区防洪要求、堤防防洪标准及安全泄量，猴山水库控制运用条件为：10a一遇防洪标准，安全泄量达到1010m3/s。

3)调度运用原则。①水库洪水调度方式既要满足下游防洪要求，又要保证大坝的安全，使水库调度方式安全可靠。②水库放流以入库流量及水库水位作为判别条件，分级控制水库下泄流量。③猴山水库在满足下游防洪要求时尽量放流，但水库最大下泄流量不应超过最大入库流量。

4)防洪库容的确定。根据猴山水库对下游的调度运用方式，进行猴山水库枢纽洪水调节计算，水库防洪库容2797万m3，如表3所示。

表3 控制断面洪水组合流量成果表

经计算，等蓄量法确定的防洪库容为3291万m3，区间补偿法防洪库容为2014万m3，分级控泄法确定的防洪库容分别为2797万m3，综合考虑工程建设的经济性和防洪安全本阶段采用分级控泄法确定的防洪库容，即猴山水库工程防洪库容为2797万m3。

2.2 防洪限制水位计算

1)方案拟定。在可行性研究阶段通过对各方案成果综合分析比较，正常蓄水位推荐值124.0mm。在保证经济区供水的情况下，水库的防洪与兴利库容为2797万m3、12720万m3。考虑不同的结合方式初步拟定三个防洪限制水位，如表1所示。

2)费用现值比较。拟建水源工程初步设计中城市供水水价为1.75元/ m3，初步估算二期工程白石至青山水库出口工程水价为1.2元/ m3，则拟建水源工程供水至青山水库出口的水价为2.95元/ m3，考虑青山水库到经济区工程投资后，拟建水源供水至新区的水价估算为4.5元/ m3，而猴山水库工程水价为2.5元/ m3。拟定的三个方案在向东戴河新供水量相同的情况下，投资小的方案，需拟建水源补给水量大、水费较高，投资高的方案需拟建水源补给水量小、水费较低。因此需对三个方案进行费用现值的比较，如表4所示。

表4 水库防洪限制水位表

由表4可知，方案一的投资为159212万元，费用现值为161047万元，按2.0元/m3的差值计算特枯水年组多补给水量，考虑最不利情况(2030年出现枯水年)的折现值为1835万元；方案二的投资为159417万元，费用现值为160779万元，特枯水年组补水折现后现值1362万元；方案三的投资为169018万元，费用现值为160373万元，特枯水年组补水现后现值355万元。

综上分析，在供水效益相同的情况下，方案二的费用现值最低，即160779万元。因此，以方案二作为推荐方案，校核水位136.27m，防洪限制水位131.5m，正常蓄水位134m。

2.3 设计与校核洪水位的计算

1)工程等级。按《防洪标准》有关规定，猴山水库为大(2)型水库，工程为Ⅱ等，主要建筑物有混凝土挡水坝段、溢流坝段、引水坝段、副坝及引水隧洞，均为2级建筑物。防洪标准按百年一遇设计，千年一遇校核。

2)泄流曲线。猴山水库采用溢洪道泄流，溢洪道堰顶高程120m，总净宽55m，共设5孔，每孔净宽11m。水库全开、单孔以及单宽水位-泄量关系见表5，图2。

图2 猴山水库水位-泄流关系曲线

表5 水位-泄量关系

3)防洪调度运用方式。猴山水库溢流堰总净宽度55m，共设5孔闸门，闸门单孔净宽11m，堰顶高程120m。水库防洪调度运用方式是依据水库控制运用条件和运用原则，同时满足各种典型洪水条件下的防洪要求确定的控制运用方式[6-8]。经全区洪水调节计算，猴山水库的防洪调度运用方式推荐为分级控泄法。

4)枢纽洪水调节计算。采用地区洪水调节计算确定的水库调度运行规则，进行水库枢纽洪水调节计算，猴山水库选定方案泄水调节成果见表6，猴山水库洪水调节计算过程见图3。

表6 枢纽洪水调节计算成果表

2.4 防洪调度方式

根据洪水组合特性和防护对象要求，按分级控制和固定下泄流量相结合的方式，猴山水库防洪调度方式如下：① 当防洪控制断面流量<600m3/s，并且猴山水库入库流量<450m3/s时，也就是当猴山水库和控制断面发生<2a一遇洪水时，猴山水库按来量下泄，使水库水位保持在防洪限制水位。②区间涨水阶段，当防洪控制断面流量在600-1000m3/s，猴山水库入库流量在450-1480m3/s时，也就是当猴山水库和控制断面发生>2a一遇，>10a一遇洪水时，控制猴山水库按230m3/s放流，使防洪控制断面最大流量不超过1010m3/s。③ 区间退水阶段，当防洪控制断面流量由1000m3/s消落至<500m3/s，猴山水库入库流量在470-1480m3/s时，可加大水库放流，控制猴山水库按680m3/s放流，考虑猴山水库至防洪控制断面的传播时间为3h，当水库放流传播至控制断面时，防洪控制断面的流量可以消落至300m3/s以下，使防洪控制断面最大流量不超过1010m3/s，并可尽快使水库水位回落至防洪限制水位。④ 当防洪控制断面流量>1000m3/s，猴山水库入库流量>1480m3/s时，也就是当猴山水库和控制断面发生>10a一遇洪水时，水库改为保证大坝安全的调度方式，不再控制泄流，将闸门全部打开，按水库泄流能力放流[8-11]。

3 结 论

文章结合水库水位-面积、水位-库容关系，分析了水库水量损失、供水任务和入库水量等，通过计算防洪库容、防洪限制水位、设计与校核洪水位等，明确了猴山水库防洪调度方式。经计算，防洪限制水位131.5m，全区洪水调节计算表明，猴山水库的防洪调度运用方式推荐为分级控泄法，对改善东戴河新区地下水超采及海水入侵状况，提高水库下游防洪标准发挥着重要作用。