平原型水庫增容措施效果對比研究

王世杰

(凌源市菩薩廟水庫管理處，遼寧 朝陽 122500)

運行管理

平原型水庫增容措施效果對比研究

王世杰

(凌源市菩薩廟水庫管理處，遼寧 朝陽 122500)

水庫作為我國水利基礎設施和防洪工程體系的重要組成部分，在供水、發(fā)電、灌溉、防洪等方面發(fā)揮著重要作用。當前，小型水庫主要面臨用水量增加和淤積等問題，水庫的興利功能難以實現，進而影響水庫效益的發(fā)揮。為提高水庫增容效果，本文對平原型水庫提出三種改建方案，并通過MATLAB 軟件調洪程序對實用型堰、迷宮堰和溢洪道修建閘門的增容效果進行研究。本研究對提高水庫興利庫容、改善區(qū)域的生態(tài)環(huán)境和發(fā)揮工程的經濟效益具有重要意義。

平原型水庫；增容措施；興利庫容；洪水流量過程線

水庫是我國水利基礎設施和防洪保安體系的重要組成部分，在供水、發(fā)電、灌溉、防洪等方面發(fā)揮著重要作用。目前，水庫存在著庫容逐年減小、泥沙大量淤積、工程老化失修等問題，造成水庫興利庫容減小，不能發(fā)揮興利效益，成為無功能的水庫。水庫進行增容使蓄水得到良性循環(huán)，防洪減災效果更加顯著，有利于促進區(qū)域內經濟的發(fā)展，提高人民生活質量，促進社會安定。水庫興利庫容的提高，有利于農業(yè)種植結構的調整，同時有效改善了農田灌溉條件，對改善區(qū)域的生態(tài)環(huán)境、增加農民收入具有重要的現實意義[1]?？茖W合理的工程改建方案，可以確保工程大壩的安全運行，解決水庫興利庫容減少、供水緊張等問題。本文對菩薩廟水庫采取實用型堰工程改建、溢洪道修建閘門、改造迷宮堰等措施的水庫增容效果進行了分析。結果表明：本研究對挖掘水庫供水潛能、增加水庫興利庫容、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

1 工程概況

1.1 流域概況

菩薩廟水庫是一座以農業(yè)灌溉、防洪為主，兼顧旅游、養(yǎng)魚、發(fā)電等綜合利用的中型平原型水庫[2]。菩薩廟水庫位于大凌河上游南支的支流西大川河上，壩址位于四官營子鎮(zhèn)大房申村上三家村民組，水庫壩址中心的地理坐標為東經119°29′，北緯41°04′，該水庫區(qū)域在遼寧省水文分區(qū)中屬于Ⅵ3水文分區(qū)。河流發(fā)源地在牛營子鄉(xiāng)的閆麻嶺，屬于巖層裂隙水補給型河流，當山區(qū)融雪或降雨時才形成洪水，壩址以上集雨面積118km2，河道平均比降12.2 ‰，河道長度22.2km。

1.2 氣象條件

菩薩廟水庫所在流域屬于北溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，春秋涼爽多風，夏季炎熱多雨，冬季嚴寒少雪，可謂四季分明[3]。流域內多年平均蒸發(fā)量為1840mm，降水受高空槽、臺風及華北氣旋等天氣系統(tǒng)影響，降水多集中在6、7、8、9四個月，約占全年降水量的73%，流域內多年平均徑流深為88mm，時空分布受降水影響也極不均勻，多年平均降水量在500mm左右，降水量的年際變化較大，豐、枯水年的降水量比值可達3倍以上。

2 模型及方案設計

2.1 控制方程

利用 MATLAB 軟件[4]進行調洪計算程序編寫，將簡單的程序代碼和 MATLAB函數庫運用到水庫調洪計算中，可在較短的時間內計算出水庫防洪水位及調洪庫容等參數，實用堰的流量計算公式為

(1)

迷宮堰的流量計算公式為

(2)

上二式中m——流量系數；

δs——淹沒系數；

ε——側收縮系數；

W——堰寬，m；

Q——流量，m3/s ；

g——重力加速度，m/s2；

B——溢流堰凈寬，m。

2.2 方案設計

增容措施的主要原理[5]是在確保水庫總庫容不變的前提下，改造水庫的泄水建筑物，提高水庫的下泄流量，使調洪庫容減少，進而增加興利庫容。本文對菩薩廟水庫采取實用型堰改建、溢洪道修建閘門、改造迷宮堰等增容措施進行研究，將洪水流量過程線與庫容曲線進行組合，比較不同的工程措施對水庫興利庫容的影響并進行分析。以校核洪水位為控制條件，并對起調水位進行模擬計算，若模擬校核洪水結果與原水庫的校核洪水位相等，起調水位即水庫的正常蓄水位。

3 平原型水庫的增容效果分析

將庫容曲線分別與不同類型的洪水流量過程線進行組合，兩種類型的洪水流量過程線的洪水總流量為 1316.19m3/s；偏態(tài)系數Cs分別為1.51和0.79；洪水歷時為 3.5h，變差系數Cv分別為 1.21和1.13；洪峰流量分別為355m3/s和263m3/s。

3.1 實用型堰工程改建方案

水工建筑物中實用堰既能擋水又能泄水，將原溢洪道改建為實用堰，溢流凈寬為 1000cm，堰高 300cm。堰頂上游由三段圓弧相連而成，堰垂直水流方向布置，三圓弧的半徑分別為R1=112.5cm、R2=45cm、R3=9cm。兩種類型的洪水流量過程線對應的調洪演算如圖1所示。

圖1 平原型水庫實用堰調洪成果

洪水過程線為Ⅰ型的水庫，實用型堰興利庫容的提高率為20.05%；洪水過程線為Ⅱ型的水庫，實用型堰興利庫容的提高率為 3.15%。峰高型洪水過程線即Ⅰ型洪水過程線興利庫容的提高率更高。調洪計算結果見表1。

表1 平原型水庫實用型堰調洪結果

3.2 溢洪道建閘工程改建方案

溢洪道建閘工程改建方案在原大壩溢洪道處修建閘門，閘門寬 10m，防洪限制水位為 1771m。高于防洪限制水位后，閘門全部開啟；低于防洪限制水位時，開啟控制閘門。不同類型的洪水流量過程線的調洪演算如圖2所示。

在水庫溢洪道上修建閘門控制，在庫水位相同時，有閘溢洪道的泄洪能力大于無閘溢洪道；在同樣滿足下游河道允許安全泄量q允許的情況下，有閘控制的防洪庫容小于無閘控制，可減少上游淹沒損失和大壩投資。在汛期用以防洪，非汛期蓄水興利，可以減小水庫的總庫容?？稍趨^(qū)間來水較大時，利用閘門控制減小水庫下泄量，待區(qū)間洪水減小時，再加大水庫下泄量，使上游洪水與區(qū)間洪水錯開，從而有效地削減下游河道的最大流量。洪水過程線為Ⅰ型和Ⅱ型的水庫，溢洪道修建閘門其興利庫容的提高率分別為29.81%和23.56%。調洪計算結果見表2。

圖2 平原型水庫溢洪道建閘調洪成果

表2 平原型水庫溢洪道建閘調洪結果

3.3 迷宮堰工程改建方案

迷宮堰主要通過堰高來提高水庫水位，增加水庫效益和調蓄能力。泄量一定時，可以顯著降低溢流水頭，進行迷宮堰工程增容改建，在泄洪量不變的情況下可實現正常蓄水位的抬高，進而達到增加水電站水頭和有效庫容的目的。通過水工模型試驗，實現迷宮堰的體型的規(guī)劃、淹沒流和自由流流量系數的確定。迷宮堰工程壽命長，運行管理較為方便，供水期堰頂自然溢流，無需人工操作和維修。采用迷宮堰技術改造已建水庫溢洪道，要求溢洪道泄槽有足夠的底坡比和寬度，以避免因過堰能力增大導致泄槽段出現淹沒流流態(tài)。結構上，根據工程條件，選擇合適的尺寸參數和型式，并驗算其穩(wěn)定性和強度，以達到經濟、安全的目的。

設計迷宮堰溢洪道的溢流寬度為10m，平面布置2個宮，總展長30m；堰頂采用1/4圓弧，堰高3m，半徑0.3m ，寬高比為2；單宮正堰長0.65m，單宮長15m，單宮寬5m，單宮側長6.2m，單宮中心線與側墻夾角12°。不同水位情況下，兩種洪水過程線迷宮堰泄流量成果如圖3所示。

圖3 平原型水庫迷宮堰調洪成果

通過對正常蓄水位的高程進行比較，可以看到，對于平原型水庫改建為迷宮堰而言，不論洪水過程線為Ⅰ型還是為Ⅱ型的水庫，在保持校核洪水位不變時，均可將其正常蓄水位抬至最高，興利庫容的提高率分別為37.50%和20.21%。峰高型洪水過程線即Ⅰ型洪水過程線興利庫容的提高率更高。調洪計算結果見表3。

表3 平原型水庫迷宮堰調洪結果

4 結 論

本文對菩薩廟水庫采取實用型堰工程改建、溢洪道修建閘門、改造迷宮堰等增容措施的增容效果進行了分析，得出以下結論：

a.對于平原型水庫而言，不論洪水過程線為Ⅰ型還是為Ⅱ型的水庫，改建為迷宮堰可以將其正常蓄水位抬至最高，興利庫容的提高率分別為37.50%和20.21%，表明興利庫容恢復與擴充也最明顯。

b.洪水過程線為Ⅰ型的水庫，實用型堰興利庫容的提高率為20.05%；洪水過程線為Ⅱ型的水庫，實用型堰興利庫容的提高率為 3.15%。

c.洪水過程線為Ⅰ型和Ⅱ型的水庫，溢洪道修建閘門其興利庫容的提高率分別為29.81%和23.56%。

[1] 李孟俊,張坤強,高范華,等.于家河水庫水電站增容改造經濟效益分析研究[J].水利科技與經濟,2015,(3):11-14.

[2] 黃家文,胡瀅,李華穗.梯級水庫聯合優(yōu)化調度模型及其應用[J].中國水能及電氣化,2011(12):11-16.

[3] 買買提·塔什.基于RTK數字測深儀的水庫容量計量研究[J].中國水能及電氣化,2015(3):55-57.

[4] 梁文章,韓永升,孫強.石佛寺水庫綜合利用規(guī)劃與生態(tài)水庫建設初探[J].水利建設與管理,2010(4):79-80.

[5] 張朝輝.引觀入本工程可供水量分析[J].水資源開發(fā)與管理,2015(4):35-37.

Comparative Study of Plain Reservoir Capacity Increasing Measure Effect

WANG Shijie

(LingyuanCityBodhisattvaTempleReservoirAdministrativeOffice,Chaoyang122500,China)

Reservoir is regarded as the important constituent part of water conservancy infrastructure and flood control project system in our country, which plays an important role in water supply, electricity generating, irrigation, flood control and so on. At present, small reservoir mainly faces problems such as increasing of water supply volume and sedimentation and so on, the utilizable capacity of reservoir is difficult to realize and then affects the playing of reservoir benefit. In order to improve capacity-increase effect of the reservoir, the article put forward three rebuilding scheme to plain reservoir and make research to the capacity increase effect of utility-type weir, maze weir and building gate on spillway via MATLAB software flood regulation procedure. The research is significant to enhance reservoir utilizable capacity, improve regional environment and give play to the economic benefit of the project.

plain reservoir; capacity increase measures; utilizable capacity; flood discharge curve

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.03.010

TV62

A

1673- 8241(2017)03- 0034- 04