中型水库洪水复核及调洪演算数值解法分析

刘蓥蓥

（北京中水利德科技发展有限公司太原分公司，山西 太原 030024）

0 引言

水库工程洪水计算以及调洪演算是水库洪灾管理中的重要非工程措施,也是新建水库设计及病险水库除险加固中的重要水文复核项目。山西省现有水库工程中大部分工程建设时间早,因设计水平低、系列径流资料缺乏,水库水文参数计算通常通过经验公式或设计暴雨推求,所得到的计算成果与水库工程运行实际相差甚远。出于水库防洪调度及水资源利用效率等方面的要求,应选取中型代表库进行水库水文要素的长期观测,以便为水库洪水计算及调洪演算积累数据资料。

坝址洪水指水库建成前通过坝址断面处的洪水,入库洪水指由水库四周汇入水库以及库面降雨等所形成的洪水。设计洪水指满足水库工程设计要求和防洪标准的洪水。水库工程溢洪道通常采取宽顶堰或实用堰型式,自由出流且无闸门控制,故而水库库容、出库流量等呈非线性关系。在计算已建水库入库洪水计算时必须借助库水位过程线、下泄流量及库容曲线进行洪水入库过程反演,而水库调洪演算过程主要研究洪水经由水库调节后过程线的变化,可见,水库洪水计算与调洪演算均以水量平衡为基本原理[1]。

试算法、全图解法、半图解法均属于常规的调洪演算求解方法,其中,半图解法应用最为广泛,但是常规计算方法普遍存在精度不高、过程繁琐,手工操作等劣势,无法为水库工程防洪管理决策提供及时、可靠、准确的数据支撑。Excel所具备的强大的数据整理、分析功能可进行快速、准确、自动的水库调洪演算,克服常规手工算法的弊端,为水库洪水复核、调洪演算及运行管理提供保证。

1 工程概况

郭堡水库位于山西省太谷县乌马河河道,属于中型水库。乌马河属于汾河二级支流,河道全长83 km,流域面积1730 km2,河流平均比降4.49‰,糙率均值0.025,年降水量均值457.5 mm,年径流均值29.9 mm。根据1979 年航拍1/5 万地形图,配合大比例尺地形,勾绘流域分水线,进行流域面积、河长及河流纵比降量算,在实地查勘的基础上,结合《水文计算手册》流域下垫面划分图,进行流域产、汇流地类划分,所得到的郭堡水库流域面积228 km2,流域长度20.6 km,流域纵坡18.1‰。乌马河流域洪水属于暴雨型,集中于7月~8月,在流域下垫面、流域特性以及暴雨时空分布等的综合影响下,洪水爆发突然且来势凶猛、历时短、挟沙能力强、年内年际变化大。郭堡水库现状防洪能力设计洪水标准为P=2%,超过河道治理设计断面的设计标准（P=10%）,因此,洪水分析计算不考虑水库溃坝的影响。根据郭堡水库除险加固工程初设报告,水库起调水位937.60 m,郭堡水库水位~库容~泄量关系具体见表1。

表1 郭堡水库水位~库容~泄量关系表

2 设计洪水计算

2.1 洪峰流量

对于具体流域而言,天然来水年洪峰流量最大值近似服从P-Ⅲ分布,所以可以通过水库水位-库容曲线、出库流量曲线、汛期水位过程线进行洪水过程线及各年洪峰流量最大值推求,并根据各年独立选样所得到的流量系列,结合坝址历史洪水,通过P-Ⅲ分布进行设计洪峰流量值适线计算[2]。水位-库容关系和实测水位溢洪道+泄洪洞总泄量关系的拟合等均可通过Excel中的回归方程进行,将表1数据输入Excel表格可以得出以下函数关系：

式中：V为水库库容,104m3；Z为库水位,m；Q为总泄量,m3/s。

郭堡水库水位-库容曲线以及水位-总泄量关系曲线见图1和图2。

图1 库水位—库容关系曲线

图2 库水位—总泄量关系曲线

经过适线所得到的流量最大值均值为310 m3/s,变差系数Cv=0.92,Cs/Cv=6.9,则当设计频率P分别取10%、1%时,泄洪洞和溢洪道总泄量分别为559 m3/s、1520 m3/s。参考晋中市水利勘测设计院编制的《乌马河太谷县城区段河道治理工程》报告,采用流域水文模型法（综合瞬时单位线法）计算的郭堡水库10 年一遇洪峰流量为548 m3/s,与本次单位线法计算结果相近。

2.2 洪水过程线

结合郭堡水库历年流量系列,选择洪峰流量和设计流量最为接近的洪水过程,并同比放大以得出P=1%的天然洪水过程线,具体见表2。

表2 郭堡水库天然洪水过程线（P=1%）

续表2

3 调洪演算数值解法

为进行郭堡水库调洪演算数值解法的应用,必须通过函数关系式表示各关系曲线,假设开始时刻和结束时刻分别为t1和t2,所对应的入库流量分别用I1、I2表示,出库流量分别用V1、V2表示,入库流量均值用I表示。为简化分析过程,暂不考虑库水位蒸发及渗漏损失、动库容等情况。则t1~t2时段内水量平衡方程可表示如下：

将上式变形可得：

借助Excel分析工具便可完成郭堡水库调洪演算过程,洪水标准P=1%的结果见表2,其余洪水标准下调洪演算计算过程同样处理；起调水位选择在937 m处,所对应的出库流量为零；表中的第四列数值通过式（4）计算得出；第五列为溢洪道出流量与涵管泄流量7.00 m3/s之和,其中溢洪道出流量主要通过式（2）得出；第六列数值通过式（5）得到。表中的三~六列数据可完全借助Excel单元格引用工具,通过鼠标拖动自动填充完成计算,过程简捷,结果准确。

续表3

根据表3中计算结果，设计频率P=1%时郭堡水库出库流量最大值为198 m3/s，最高水位940.44 m，将调洪演算结果与原设计参数比较，认为该水库原设计方案安全合理。

表3 郭堡水库调洪演算结果（P=1%）

表3 闸泵方案比选表

4 结论

本研究分析过程及结果表明,水库所在流域兴建水利工程后坝址洪水便成为入库洪水,动力波也演变为压力波,进而使洪峰流量增大、洪峰时间提前。所以对实测系列资料完善的水库以入库设计洪水为防洪复核依据则更加符合水库工程运行实际。借助Excel工具进行库水位流量、库容等变量关系的拟合,进而计算下泄流量及库水位变化,为水库防洪特征水位、库容等的确定以及回水推算、水库防洪效益的提升提供依据。

为保证本研究所提出的采用Excel工具进行水库洪水复核及调洪演算数值解法的准确应用,首先,必须保证所选取的入库流量资料系列不短于30年,并应在现有资料中加入坝址历史洪水数据,以保证资料具有代表性,避免因洪峰流量计算结果偏下而埋下安全隐患；此外,通过P-Ⅲ曲线进行洪峰流量适线分析时,应以曲线中上部为重点考虑区域；由于水位段次过于稀疏会使洪水流量得到削减,故所沿用的水位过程必须为按设计要求所加密的段次水位。第二,出于水库工程运行安全考虑,应在洪水选场时选择峰形较为矮胖的洪水过程,并放大,使其在入库洪峰流量相同情况下库水位达到最大；最后,必须检查调洪演算数值解法所得结果的合理性,并将其与水库实际最大流量水位和频次进行比较,以判断计算成果是否准确可靠。若计算结果明显与水库运行实际不符,则应通过计算洪水总量、移置设计暴雨和径流系数等措施检查问题所在,保证水库洪水复核及调洪演算数值解法结果的准确。