马力沟水库运行调度方式及回水情况分析

2024-02-27田华

陕西水利 2024年2期

田华

（陕西建工集团股份有限公司,陕西西安 710000）

1 引言

水库运行调度方式对水库工程效益的发挥影响较大,为了提升水库综合效益,制定科学、合理的运行调度方式是十分必要的[1-3]。水库运行调度方式需要充分考虑水库工程的功能需求,保障运行方案的可行性。水库淤积是影响水库效益的另一个因素, 在工程设计前期需要充分考虑淤积的影响[4-6]。结合马力沟水库实际情况,对水库运行调度以及淤积情况进行分析,为下一步工作提供参考。

2 工程概况

陕西白河县马力沟水库多年平均供水量55.7 万m3,供水（月）保证率95.0%,水库多年平均下泄生态水量36.5 万m3（未计入弃水量）,生态流量保证率81.0%。调节时段（水位在正常水位与死水位之间时段）占总时段比例为55%。工程为Ⅳ等小（1）型工程,主要水工建筑物级别为4 级,确定大坝设计洪水标准为50 年一遇,校核洪水标准为200 年一遇,相应天然洪峰流量分别为144 m3/s 和191 m3/s。

3 死水位和正常蓄水位

3.1 死水位

马力沟水库主要任务是为县城一水厂调蓄补充供水。水库死水位选择主要受水库坝前泥沙淤积高程影响,由水库淤积计算结果可知,坝前30 年淤积高程为754.00 m。进水口底槛高程为755.00 m,考虑最小淹没深度后确定水库死水位为759.00 m。该水位可满足坝前淤积高程及放水孔进水要求,并与冲砂孔紧临布置,保证进口门前清,也可进一步提高水库供水可靠性。

3.2 正常蓄水位

白河县城近期（2025 年）规划水源仍以一水厂红石河为主水源,维持红石河现状取水坝不变,在红石河上游支沟马力沟内修建水库作为调蓄补充水源工程。本项目可研批复的水库正常蓄水位为794.00 m,调节库容为122.1 万m3。本阶段由于坝轴线有所调整（由于坝址区河段平均比降较陡,约5.0%,不同坝轴线方案处的河床高程、基岩面高程、正常蓄水位及其它特征高程均不同,相差2 m～4 m）,本次按同等调节库容（122.1 万m3）的原则在推荐坝轴线方案位置来确定水库正常蓄水位。根据上述调节计算结果,当库容为122.1 万m3时,能够满足水库供水任务。结合水库死水位对应的死库容,并考虑30 年后淤积库容,计算正常蓄水位以下库容为135.2 万m3,查水库的水位～库容关系曲线,确定推荐坝轴线位置的水库正常蓄水位为798.00 m。

3.3 调洪计算

本工程为Ⅳ等小（1）型工程,主要水工建筑物级别为4级,确定大坝设计洪水标准为50 年一遇,校核洪水标准为200 年一遇,相应天然洪峰流量分别为144 m3/s 和191 m3/s。大坝水位流量关系水库枢纽采用2 孔无闸溢流表孔泄洪,单孔宽度10 m,总宽20 m,堰顶高程798.00 m,大坝上游水位～流量关系曲线见图1。

图1 水位～泄量关系曲线

图2 调洪演算成果

本工程无防洪任务,未设防洪库容,洪水起调水位为堰顶高程（即正常水位798.00 m）,调洪计算成果见表1。

表1 调洪计算成果表

从表1 可见,经水库调节后,入库洪峰流量被消减19.5 m3/s～27.3 m3/s,水库最高水位降低0.25 m 左右,水库调洪削峰作用较小,偏安全考虑,本次在确定大坝上游洪水位不考虑水库的调峰作用。根据水库水位～流量关系曲线,在下泄校核洪峰流量191 m3/s 时,相应校核洪水位为800.67 m,水库总库容155.2 万m3。在下泄设计洪峰流量144 m3/s 时,大坝设计洪水位为800.23 m。

4 水库运行方式

4.1 水库运行水位和流量

马力沟水库正常蓄水位798.00 m,死水位759.00 m,大坝下泄生态流量3.8 万m3/月（放水流量0.015 m3/s）。水库为多年调节水库,水库除特枯年和连续枯水年水位降至死水位外,绝大部分时间在正常蓄水位和死水位之间运行。马力沟水库向县城一水厂设计多年平均年供水量为55.0 万m3,日变化系数取1.4,设计最大放水流量0.293 m3/s（含生态放水流量0.015 m3/s）。

4.2 水库运行方式

本水库主要任务是城市供水,其次是满足下游河段生态环境用水要求,水库供水原则是“以需定供”。白河县供水水源配置方案为：①优先选用红石河水源供水；②一般枯水年红石河水源不足水量由马力沟水库补充；③特枯年及连续枯水年,红石河和马力沟水库供水不足,由汉江抽水补充。

生态环境用水下泄原则如下：当库水位低于788.00 m 时,不下泄生态流量；当库水位高于788.00 m 时,按3.8 万m3/月从水库下泄生态流量。根据上述原则拟定的水库运行方式如下：

（1）当红石河水源满足白河县城供水要求时,马力沟水库除按要求下泄生态流量外,多余水量存于库中。

（2）当红石河水源供水不足时,不足水量由马力沟水库补充,并按要求下泄生态流量,水库水位在正常蓄水位798.00 m 与死水位759.00 m 之间运行。

（3）特枯年和连续枯水年,由于入库流量很小,而供水量大,水库将逐渐降至死水位。水库在死水位运行,当入库流量小于等于需水量时,全部来水量下泄；当入库流量大于需水量时,按需水量下泄供水,多余水量存于库中。

5 水库淤积及回水计算

5.1 水库淤积计算

马力沟水库推荐坝址以上流域面积8.64 km2,主沟道长4.51 km,平均比降9.6%。马力沟水库库区谷底宽5 m～15 m,蓄水后库区水面宽30 m～153 m,水深1 m～56 m。马力沟水库推荐坝址年入库沙量6440 t（其中悬移质4950 t,推移质1490 t）。悬移质容重按1.3 t/m3、推移质容重按1.8 t/m3计算,折合入库泥沙体积为13.91 万m3。

（1）水库淤积计算结果

根据《水利水电工程建设征地移民安置规划设计规范》（SL 290-2009）,水库设计洪水回水位的确定,根据本工程河流泥沙特性、水库运行方式、上游无调节水库以及受淹对象的重要程度,本水库采用30 年泥沙淤积。

假设推移质全部淤积在库中,悬移质按照拦沙率法估算,拦沙率估算公式如下：

式中：β为拦沙率,即入库悬移质的淤积百分数；V为水库调节库容,m3；W入为入库水量,m3；V/W入以百分数计算。

按上式逐年计算拦沙率、悬移质淤积量和剩余库容；随着淤积量的增加,有效库容逐年减小,拦沙率逐年降低。

坝址悬移质年平均入库沙量3808 m3,推移质年平均入库沙量828 m3,总量4636 m3。经计算,不同淤积年限的泥沙淤积量见表2。水库天然河道及30 年淤积水位库容关系见图3。

表2 马力沟水库推荐坝址多年淤积量及坝前淤积高程计算成果表

图3 水位～库容关系曲线

（2）淤积库容曲线及库区河床纵剖面计算结果

①泥沙淤积形态判断根据《水库泥沙》,水库纵向淤积形态按以下公式判别：

式中：α为判别系数；V为水库汛期平均水位以下的库容,V=155.3 万m3；WS为多年平均悬移质输沙量,WS=3808 万m3；J0为水库库区原河床平均比降（1/10000）,J0=961。

计算得α=4.2×10-5<2.2,库区纵向淤积形态为锥体淤积。

②横向滩槽淤积分配因滞洪壅水位较高,漫滩水深较大,淤积量又大,滩槽淤积属同一形态,所以淤积分布可不分滩槽。

③淤积末端位置的确定。

淤积起点距坝址距离为：

式中：k为经验系数,取1.03；L0为水库正常蓄水位与原库底的交点距坝址水平距离。

④试摆确定淤积部位从淤积末端出发,试做几条淤积纵剖面线,然后分别用库区各断面的高程与面积曲线求其淤积体积；并用内插法,求得所需淤积量的坝前淤积高程。坝前30 年淤积高程为754.00 m。

5.2 水库回水计算

根据水库淹没处理要求,需计算5 年和20 年一遇洪水的水库回水。采用恒定渐变流方程,在淤积30 年的床面上进行水库回水计算,河道横断面共8 个,回水计算断面位置见图4。坝前起始水位：坝址断面起始水位根据大坝上游水位～流量关系曲线查得：5 年一遇洪水位799.40 m,20 年一遇洪水位799.93 m,5 年和20 年一遇洪水的水库回水在0.64 km 处（DM7）与天然河道水面线尖灭。