淺析小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)中水文水利計(jì)算

虞 慧，張麗玲，胡久偉

（1.江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029；2.江西省水工安全工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330029；3.福建省三明市水利局，福建 三明 365000）

水文水利計(jì)算是水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)的重要組成部分。水文水利計(jì)算在調(diào)查水庫(kù)基本情況的基礎(chǔ)上，復(fù)核水庫(kù)的基本參數(shù)及洪峰流量，計(jì)算出相應(yīng)頻率下的洪水過(guò)程。經(jīng)調(diào)洪計(jì)算得特征水位后，分析水庫(kù)大壩在不同的工況下能否滿足防洪要求。其工作的主要特點(diǎn)：時(shí)間節(jié)點(diǎn)性強(qiáng)，工作量大，收集資料多，與各種專業(yè)相關(guān)性強(qiáng)，同時(shí)需要遵循多種方法結(jié)合、綜合分析數(shù)據(jù)、合理選用成果的工作原則。因此，針對(duì)小型水庫(kù)水文水利計(jì)算工作而言，其往往時(shí)間緊任務(wù)重，如何找到切合實(shí)際、簡(jiǎn)便且行之有效的水文水利計(jì)算方法，是小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)的主要工作之一。

1 主要工作內(nèi)容

水文水利計(jì)算的主要工作內(nèi)容為由設(shè)計(jì)暴雨而求出的各頻率下的洪水過(guò)程線、由實(shí)測(cè)量算得出的水位～庫(kù)容曲線與泄流建筑物的水位～泄量關(guān)系曲線進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計(jì)算，從而得出相應(yīng)頻率下的水位，再根據(jù)壩頂高程復(fù)核計(jì)算得出其最終的校核水位及設(shè)計(jì)水位。

1.1 計(jì)算基本流程

小型水庫(kù)水文水利計(jì)算的基本流程如圖1 所示。

1.2 設(shè)計(jì)暴雨

江西省小型水庫(kù)多處于小流域，基本沒(méi)有適合的水文站進(jìn)行水文比擬法計(jì)算，一般做法是根據(jù)壩址以上流域中心位置查閱2010年編制的《江西省暴雨洪水查算手冊(cè)》（以下簡(jiǎn)稱《手冊(cè)》）得出年最大24 h、年最大6 h、年最大1 h的暴雨均值和變差系數(shù)。如雨量站有降雨量資料，可將其與《手冊(cè)》法結(jié)果對(duì)比，綜合選取適合本水庫(kù)的暴雨均值和變差系數(shù)。選定暴雨均值（P24）后，將暴雨均值（P24）、模比系數(shù)（KP）與點(diǎn)面系數(shù)（a）三者之積得出各個(gè)時(shí)段的面雨量H24。再根據(jù)《手冊(cè)》中相應(yīng)時(shí)段的暴雨時(shí)程分布，按各時(shí)段所占百分?jǐn)?shù)計(jì)算各時(shí)段雨量，得到各頻率下的時(shí)段暴雨分配量。

1.3 設(shè)計(jì)洪水

設(shè)計(jì)洪水計(jì)算分為產(chǎn)流和匯流計(jì)算，其最終目的是得到洪水過(guò)程線。

1.3.1 產(chǎn)流計(jì)算

查閱《手冊(cè)》中產(chǎn)流分區(qū)，相應(yīng)流域最大蓄水量IM及前期土壤含水量Pa。由24 h 平均暴雨強(qiáng)度I=H24/24查閱相應(yīng)附表，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式得到各頻率下的下滲率，后得到凈雨過(guò)程表。

1.3.2 匯流計(jì)算

確定水庫(kù)在《手冊(cè)》中推理公式法分區(qū)。根據(jù)下列公式計(jì)算地面洪峰流量：

設(shè)θ=L/J1/3，即

式中：h—各時(shí)段對(duì)應(yīng)的總凈雨量（mm）；

τ、t—時(shí)間（h）；

F—流域面積（km2）；

Q—流量（m3/s）；

L—主河道長(zhǎng)（km）；

J—河道平均坡降；

m—匯流參數(shù)。

通過(guò)點(diǎn)繪Qt～t 和Qτ～τ 曲線，兩曲線的交點(diǎn)即為所求的地面設(shè)計(jì)洪峰流量（QM地下）和匯流時(shí)間（τ）。地面流量過(guò)程線由概化五點(diǎn)折腰多邊形過(guò)程線推求，各轉(zhuǎn)折點(diǎn)的值由相應(yīng)的百分?jǐn)?shù)確定。地下徑流峰值按以下公式計(jì)算：

式中：QM地下—地面徑流終止點(diǎn)，地下徑流過(guò)程采用以QM地下為頂點(diǎn)的等腰三角形，底寬為二倍的地面徑流過(guò)程時(shí)間；

R下—地下徑流深（mm）；

T—地面徑流過(guò)程底寬（h）；

W—洪水總量（104m3）。

自QM地下開(kāi)始向后每增加一個(gè)時(shí)段，流量均隨之減少一個(gè)ΔQM地下，（ΔQM地下=Δt/T·ΔQM地下）即得地下徑流過(guò)程。地面流量過(guò)程和地下徑流過(guò)程相加得設(shè)計(jì)洪水過(guò)程。

1.4 調(diào)洪計(jì)算

在洪水調(diào)節(jié)計(jì)算中，有3個(gè)基本要素，分別為洪水過(guò)程線、泄流曲線和庫(kù)容曲線。洪水過(guò)程線由設(shè)計(jì)洪水得出。庫(kù)容曲線通過(guò)對(duì)地形圖進(jìn)行復(fù)核計(jì)算得出水位～容積關(guān)系。泄流曲線為小型水庫(kù)的水位～流量關(guān)系曲線，小型水庫(kù)溢洪道一般為寬頂堰或明渠，根據(jù)相應(yīng)流量計(jì)算公式得到溢洪道泄流曲線。

根據(jù)以上的3 項(xiàng)基本資料，利用水量平衡公式，采用試算法對(duì)各頻率設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計(jì)算。

1.5 壩頂高程復(fù)核

通過(guò)洪水調(diào)節(jié)計(jì)算出相應(yīng)頻率下對(duì)應(yīng)的最高洪水位，需要復(fù)核其壩頂高程能否滿足規(guī)范要求。

江西省大部分小型水庫(kù)大壩為土石壩，根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）要求，壩頂高程=最大波浪在壩頂?shù)呐栏撸≧）+最大風(fēng)壅水面高度（e）+安全加高（A）。在規(guī)范中有幾種求壩頂爬高（R）的方法，常用為采用莆田試驗(yàn)站公式和鶴地水庫(kù)公式，在一般情況下兩種公式都能適用，實(shí)際采用時(shí)需根據(jù)水庫(kù)所處的地理?xiàng)l件及流域條件而定。

圖1 小型水庫(kù)水文水利計(jì)算流程圖

2 應(yīng)注意的問(wèn)題

2.1 資料收集

水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中要求基本資料全面、充分及準(zhǔn)確，這樣復(fù)核得出的水文成果，才能保障水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)合理、可行且發(fā)揮水庫(kù)最大效益。因而收集水庫(kù)基本資料顯得尤為重要。應(yīng)收集的資料有：

（1）水庫(kù)初步設(shè)計(jì)資料、三查三定資料（即對(duì)1981年底前對(duì)已建成水利工程查安全、定標(biāo)準(zhǔn)；查效益、定措施；查綜合經(jīng)營(yíng)、定發(fā)展計(jì)劃的資料）、水庫(kù)安全鑒定書(shū)、水庫(kù)登記注冊(cè)資料及水庫(kù)歷年除險(xiǎn)加固等資料。

（2）水庫(kù)萬(wàn)分之一地形圖和庫(kù)區(qū)地形圖，地勘測(cè)量圖。通過(guò)萬(wàn)分之一地形圖確定水庫(kù)的位置、集雨面積、主河道長(zhǎng)、主河道比降，同時(shí)確保高程系統(tǒng)的一致性。而就目前所采用的方法而言，在量算流域面積、河流長(zhǎng)度、河道比降上仍沿用老版地形圖，存在一定的偏差；如采用已矢量化后的新版地形圖同時(shí)結(jié)合地理信息軟件提取流域三大要素更為精確。在設(shè)計(jì)洪水中應(yīng)考慮后期人為對(duì)產(chǎn)、匯流條件改變或新建水庫(kù)的影響程度。

（3）原設(shè)計(jì)的水位～面積～容積關(guān)系曲線。在小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中，往往會(huì)沿用原設(shè)計(jì)的水位～面積～容積關(guān)系，但由于長(zhǎng)期運(yùn)行中，水庫(kù)會(huì)存在一定程度的淤積，此時(shí)的水位～面積關(guān)系會(huì)發(fā)生一定的變化，如運(yùn)用DEM 與遙感技術(shù)相結(jié)合對(duì)水庫(kù)的水位～面積關(guān)系進(jìn)行測(cè)定計(jì)算，可彌補(bǔ)因水庫(kù)在豐水期等原因無(wú)法對(duì)其進(jìn)行實(shí)測(cè)的缺陷。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)檢查

在以往的設(shè)計(jì)中，水文設(shè)計(jì)人員往往忽略現(xiàn)場(chǎng)檢查，而對(duì)于小型水庫(kù)而言，由于其地形條件復(fù)雜，來(lái)水情況不一，現(xiàn)場(chǎng)情況多變，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查是十分必要的。在現(xiàn)場(chǎng)檢查中需要對(duì)以下資料進(jìn)行收集：

（1）水庫(kù)在本地區(qū)的流域條件、洪水成因情況等?，F(xiàn)場(chǎng)檢查時(shí)詳細(xì)了解洪水的來(lái)水情況，是否存在梯級(jí)水庫(kù)調(diào)度問(wèn)題，是否為庫(kù)中庫(kù)，是否存在引水情況等。如上游來(lái)水為水庫(kù)泄水，需查閱上游水庫(kù)的設(shè)計(jì)相關(guān)資料；如來(lái)水有渠道或涵洞引流，應(yīng)首先了解其是否為閘門控制及控制的方式；再了解渠道坡降，長(zhǎng)度、高度及凈寬，襯砌形式等。

（2）水庫(kù)歷年運(yùn)行管理情況及對(duì)歷史洪水進(jìn)行調(diào)查。如歷年險(xiǎn)情，大壩是否曾進(jìn)行加高加固，歷年最高水位等。

（3）溢洪道歷年過(guò)水深度，溢洪道控制段高程是否曾提高或降低及其原因；溢洪道類型、溢流凈寬、襯砌形式；有閘門控制的溢洪道，閘頂高程、閘孔數(shù)、閘孔凈寬以及閘門開(kāi)啟度；如有其他建筑物參與泄洪，其斷面尺寸、進(jìn)出口底板高程、縱坡降及襯砌形式。

2.3 洪水標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《水利水電工程等級(jí)及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000）及針對(duì)小型水庫(kù)的基本壩型為土石壩進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，小（一）型水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇；?。ǘ┬退畮?kù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇。但在實(shí)際應(yīng)用中，常綜合考慮水庫(kù)下游交通設(shè)施重要程度、水庫(kù)總庫(kù)容的變化、壩高及上下游水頭差等條件，適當(dāng)調(diào)整洪水標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 合理性分析

水文水利計(jì)算成果的合理性分析，一般采用將設(shè)計(jì)洪水成果與附近流域的水庫(kù)的設(shè)計(jì)成果進(jìn)行比較分析的方法。如差異較大，需要重新復(fù)核所使用的參數(shù)的準(zhǔn)確性。在洪水調(diào)洪計(jì)算中，水位的合理性也能反映設(shè)計(jì)洪水的合理性，兩者相輔相成。水位計(jì)算成果與歷年水位進(jìn)行比較分析；在壩頂高程復(fù)核中，出現(xiàn)壩頂高程不滿足要求時(shí)，調(diào)查其是否存在漫頂情況，根據(jù)歷年情況進(jìn)行分析判斷。水文水利計(jì)算結(jié)果需結(jié)合實(shí)際情況分析水位的合理性。

2.5 正常蓄水位及死水位的確定

通常在設(shè)計(jì)中，水庫(kù)的正常水位及死水位等水位往往維持不變，但在設(shè)計(jì)中需綜合考慮。如水庫(kù)原庫(kù)容較小或水庫(kù)承擔(dān)較為重要的責(zé)任（如水源地），可與水工人員協(xié)調(diào)調(diào)整水位的可行性，同時(shí)上報(bào)上級(jí)主管部門；如水庫(kù)因其他原因曾降低正常水位，此時(shí)應(yīng)和當(dāng)?shù)厮块T協(xié)調(diào)重新確定正常水位。死水位與壩頂高程復(fù)核息息相關(guān)，如當(dāng)?shù)厮块T需要將涵管的進(jìn)口底高程與渠道相接，或是通過(guò)抬高該水位使得改善其當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件。這些水位的調(diào)整都需要在反復(fù)論證中確定該方案的可行性。

2.6 與當(dāng)?shù)厮块T協(xié)調(diào)

在小型水庫(kù)設(shè)計(jì)中，水文水利計(jì)算工作還需要和水利工程相關(guān)專業(yè)進(jìn)行配合。此外，更為重要的是及時(shí)、有效地與當(dāng)?shù)氐乃块T進(jìn)行溝通，掌握水庫(kù)更詳細(xì)的信息，實(shí)現(xiàn)工程的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 結(jié)語(yǔ)

水文水利計(jì)算是小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)工作影響重大，其成果的正確性直接關(guān)系到水庫(kù)的安全、投資及效益。水文水利計(jì)算成果的正確性與基礎(chǔ)資料的可靠性、準(zhǔn)確性息息相關(guān)。在計(jì)算過(guò)程中，應(yīng)著重對(duì)基礎(chǔ)資料收集、對(duì)流域要素及設(shè)計(jì)暴雨取值分析復(fù)核，對(duì)水位～面積～容積關(guān)系曲線、水位～泄量關(guān)系曲線進(jìn)行細(xì)致的復(fù)核，繼而分析計(jì)算水庫(kù)的特征水位，同時(shí)將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理性分析，在此基礎(chǔ)上為水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)提供切合實(shí)際及可靠的計(jì)算成果。

在今后的小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)的水文水利計(jì)算中，應(yīng)將重點(diǎn)研究小型水庫(kù)在小流域及特小流域上計(jì)算的參數(shù)及方法和利用GIS 技術(shù)、建立數(shù)據(jù)庫(kù)的分析方法對(duì)水文計(jì)算中的基礎(chǔ)資料進(jìn)行提取和分析。在設(shè)計(jì)洪水中，有些小型水庫(kù)集雨面積不到1 km2，其下墊面和下滲的情況都有一定的差異，同時(shí)在設(shè)計(jì)洪水合理性分析上沒(méi)有類似的水庫(kù)進(jìn)行比較，故這類水庫(kù)的實(shí)際情況與最終結(jié)果存在一定的偏差。而對(duì)于小型水庫(kù)而言，其最為缺乏的是實(shí)測(cè)洪水資料，如在重點(diǎn)的小流域上建立雨量站或水文站，將設(shè)計(jì)結(jié)果與監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行比較分析，同時(shí)建立小型水庫(kù)監(jiān)測(cè)分析數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)比不同的流域上設(shè)計(jì)洪水結(jié)果的差異，尋求出適合小型水庫(kù)的方法。

［1］SL252-2000，水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］江西省水文局.江西省暴雨洪水查算手冊(cè)［R］.2010.

［3］SL274-2001，碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］SL104-1995，水利工程水利計(jì)算規(guī)范［S］.