枧坑水庫特征水位優(yōu)選分析

周清忠

(福建省中禹水利水電工程有限公司，福建 三明 366000)

0 引言

水庫特征水位是水庫重要的技術(shù)指標(biāo)，是水庫規(guī)劃設(shè)計和實際管理運行的重要依據(jù)[1]。特征水位的選取合理與否直接關(guān)系到水庫效益的發(fā)揮，也是評價水庫規(guī)劃設(shè)計優(yōu)劣的重要指標(biāo)。特征水位涉及水庫調(diào)度、水庫規(guī)模和淹沒問題，應(yīng)通過綜合論證予以確定。枧坑水庫在確定特征水位過程中，抓住主要矛盾，以水庫主要任務(wù)為導(dǎo)向，有的放矢，合理確定了死水位、正常蓄水位，放棄汛限水位，在安全經(jīng)濟的前提下做到了水庫效益最大化。

1 工程概況

光澤縣枧坑水庫位于福建省光澤縣西南部，距離光澤縣城約40 km。枧坑水庫工程建設(shè)任務(wù)以灌溉為主兼顧煙農(nóng)供水，受益灌溉枧坑、杞林、高坊、李坊等地共4607畝耕地，同時兼顧5342民煙農(nóng)的生活用水，水庫工程沒有防洪任務(wù)。枧坑水庫總庫容131.67萬m3，最大壩高49.90 m。工程引水管道總長5.84 km，灌溉受益面積為4607畝(其中保灌3581畝)，為沿線煙農(nóng)供水660 t/d。工程為Ⅳ等工程，水庫工程規(guī)模為小(1)型水庫。

2 水庫特征水位選擇

2.1 死水位選擇

2.1.1 水庫設(shè)計淤沙高程確定

由于渾水進(jìn)入庫區(qū)以后，流態(tài)發(fā)生變化，引起水流挾沙能力的降低，不足挾帶原有沙量而形成水庫泥沙淤積。

擬建枧坑水庫壩址控制流域面積4.62 km2，正常庫水面面積17.14萬m2，多年平均流量0.184 m3/s，多年平均徑流量580.7萬m3。依據(jù)泥沙水文分析成果，本流域懸移質(zhì)輸沙模數(shù)為80 t/(km2·a)，以此推算枧坑水庫懸移質(zhì)年均輸沙量為370 t。其推移質(zhì)輸沙量按懸移質(zhì)的25%計，則推移質(zhì)輸沙量為92.5 t。枧坑水庫年輸沙總量為462.5 t，見表1。

表1 枧坑水庫壩址泥沙特征值 單位：t

水庫多年淤積量擬采用攔沙率法估算，中值的攔沙率曲線近似地用式(1)表示：

(1)

其中β及V/W都以百分?jǐn)?shù)(%)表示。

計算得枧坑水庫攔沙率為92.9%。根據(jù)規(guī)范關(guān)于水庫泥沙沖淤計算年限問題的規(guī)定，即為壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載計算時，壩前泥沙淤積高程計算年限為50年～100年。水庫保持興利庫容的情況，沖淤計算年限一般為30年～50年。經(jīng)綜合分析，確定本水庫泥沙淤積高程計算年限按30年。預(yù)計30年淤積總量1.39萬t，懸移質(zhì)泥沙干容重1.3 t/m3，推移質(zhì)泥沙干容重1.4 t/m3，淤沙容積1.00萬m3。

影響水庫淤積形態(tài)的因素是多方面的，主要包括水庫的運用方式、水庫地形特點、進(jìn)庫水沙條件、支流匯入情況等。分析本工程水庫淤積形態(tài)采用的判別式(2)：

(2)

式中：α′為淤積形態(tài)判別系數(shù)。如α′<2.2，為錐體淤積；如α′>2.2，為三角洲或帶狀淤積；V為庫容，對長時期的淤積而言，用總庫容，萬m3；Ws為入庫沙量，對長時期的淤積而言，指多年平均入庫沙量，萬m3；J0為庫區(qū)原河道比降(本規(guī)劃水庫庫區(qū)為144.1‰)，以萬分率計。

計算得水庫淤積形態(tài)判別系數(shù)α′=2.81>2.2，由此可判別水庫泥沙淤積形態(tài)基本以帶狀形態(tài)為主。按類比法進(jìn)一步分析計算得出水庫壩前設(shè)計泥沙淤積高程為410.5 m。

2.1.2 死水位確定

綜上泥沙淤積分析，考慮到灌溉、供水進(jìn)水口布置以及進(jìn)水口的防渦深要求，擬定死水位413 m，相應(yīng)死庫容2.0萬m3。

2.2 正常蓄水位選擇

水庫壩址以上區(qū)域內(nèi)河道為典型峽谷河道，河道呈“V”型，坡陡水急，河道兩側(cè)無人口、房屋、耕地及其它基礎(chǔ)設(shè)施與自然文化景觀等，基本處于原始的天然狀態(tài)。水庫庫區(qū)淹沒為河灘地與林地，庫區(qū)淹沒不存在制約性因素，因此水庫正常蓄水位選擇以滿足灌溉和供水的用水要求與技術(shù)經(jīng)濟合理為原則。

枧坑水庫壩址以上流域面積4.62 km2，多年平均徑流量580.7萬m3。經(jīng)分析初擬水庫正常蓄水位445 m、447 m、448 m、449 m四個方案進(jìn)行比選，各方案特征指標(biāo)見表2。

表2 枧坑水庫正常蓄水位方案比較表

從表2各正常蓄水位方案比較表中可知：

(1)從水庫淹沒實物指標(biāo)來看，隨正常蓄水位抬高，淹沒實物指標(biāo)增加，主要是林地，沒有人口和耕地。因此水庫淹沒不是制約因素。

(2)從地質(zhì)條件考慮，高程超過447 m以上，拱壩壩址左岸拱端地質(zhì)條件差，導(dǎo)致工程量增加，投資增大，顯得不利。

(3)從灌溉面積考慮，灌區(qū)受益灌溉面積4607畝，隨著保灌面積增加，需水量需增加，單位受益灌溉面積投資隨正常高水位增加而增加。

(4)從煙農(nóng)供水需求看各方案皆可滿足要求。

(5)四個正常蓄水位方案中，水庫在445 m方案時棄水量為80.32萬m3,水庫在447 m方案時棄水量為45.67萬m3，448 m方案時為22.28萬m3，449 m方案時為8.07萬m3，分別占P=90%枯水年來水量的21.96%、12.48%、9.56%和2.21%，水庫水位在448 m后棄水量已很小，水量基本已經(jīng)利用。從水量利用系數(shù)及增加灌溉畝數(shù)情況來看448 m方案較為合適。正常蓄水位從447 m增加到448 m壩高增加了1 m，工程投資增加56萬元，但庫區(qū)淹沒征地增加了林地7.8畝，淹沒投資增加了61.31萬元，總投資增加117.31萬元。其中447 m方案可比直接總投資為2059.01萬元，單位保灌面積投資為0.5750萬元/畝；448 m方案可比直接總投資為2176.32萬元，單位保灌面積投資為0.5751萬元/畝，448 m方案相對447 m方案增加了203畝保灌面積略有利，但市發(fā)改委已批復(fù)了正常蓄水位447 m，若修改為448 m，工程規(guī)模將會發(fā)生變化。因此本次設(shè)計仍推薦正常蓄水位447 m方案。

2.3 汛限水位

本工程水庫庫容有限，無法承擔(dān)下游防洪任務(wù)。因此，工程的防洪任務(wù)是確保大壩樞紐自身安全。水庫壩頂掛閘，水庫泄洪采用閘門控制。根據(jù)項目區(qū)P=90%枯水年來水量過程可知本工程來水量主要集中在3月～5月份，來水量占全年來水量的63.4%，水庫正常蓄水位基本靠前3月來水蓄滿，水庫7月～11月份為主供水期，需水量大于來水量，汛期結(jié)束后，無法蓄滿。

由表3可知，不同汛限水位方案下，水庫興利庫容小于正常蓄水位447 m方案下的123萬m3，說明設(shè)置汛限水位后，水庫汛期結(jié)束后無法蓄至正常蓄水位447 m，根據(jù)水量平衡計算，若本工程汛限水位取446 m，由于無法蓄到正常蓄水位447 m，復(fù)核后項目區(qū)保灌面積為3301畝，減少了280畝；汛限水位取446.5 m時，也無法蓄到正常蓄水位447 m，復(fù)核后項目區(qū)保灌面積為3435畝，減少了146畝。設(shè)置汛限水位后會與項目興利庫容有沖突，因此不考慮設(shè)置防洪限制水位。

表3 枧坑水庫不同汛限水位方案興利調(diào)節(jié)計算成果表

3 結(jié)語

枧坑水庫工程以灌溉和煙農(nóng)供水為主要任務(wù)，從泥沙淤積、灌溉供水口布置方面確定了死水位；從庫容、調(diào)節(jié)能力、保灌面積、淹沒損失和投資方面綜合優(yōu)選了447 m的正常蓄水位；針對水庫無下游防洪任務(wù)的特點，抓住保灌溉面積效益優(yōu)先的主線放棄設(shè)置防洪限制水位，使得枧坑水庫得到最優(yōu)的特征水位值，從經(jīng)濟社會效益和工程投資方面得到較好的平衡。