猴山水庫防洪限制水位方案確定與防洪調(diào)度分析

郭 佳

(綏中縣大風(fēng)口水庫管理處，遼寧 葫蘆島 125200)

實(shí)踐表明，水庫防洪是實(shí)時(shí)掌握、及時(shí)控制洪水災(zāi)害的有效途徑，也是保證水庫長效安全運(yùn)行的重要前提。通過對流域水資源的合理利用和及時(shí)存儲(chǔ)，科學(xué)調(diào)節(jié)天然徑流量，對實(shí)現(xiàn)流域防洪抗旱以及水資源的科學(xué)合理利用具有重要意義，水庫防洪調(diào)度則是下游防洪安全和水利工程安全的重要保障。因此，必須結(jié)合水文地質(zhì)、自然概況、上下游防洪要求等實(shí)際情況，應(yīng)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)擬定科學(xué)合理的防洪方案，以實(shí)現(xiàn)科學(xué)利用、合理開發(fā)、興利蓄水的目標(biāo)[1-2]。

防洪限制水位的合理確定是防洪調(diào)度面臨的最大問題，對此國內(nèi)外諸多學(xué)者開展了深入研究。目前，水庫洪水調(diào)度是蓄水閘門比較常見的調(diào)度方式，探討閘門啟閉設(shè)備受洪水流量的影響，而研究防洪檢修閘門運(yùn)行方案也非常重要，如楊麗娜等驗(yàn)證了石佛寺水庫調(diào)度方案的有效性與可行性；防洪調(diào)度的有效途徑是確定和調(diào)整防洪限制水位，如余春華等研究了不同防洪限制水位的調(diào)整方案及其確定方法，對合理確定防洪水位具有重要意義[3-4]。此外，水庫防洪效果還收防洪指標(biāo)、方法等諸多因素的影響，構(gòu)建多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)模型研究分析水庫防洪控制計(jì)劃指標(biāo)及其水文要素特征，對水庫防洪利用科學(xué)的方法進(jìn)行量化極其重要，如代榮霞等研究了水庫防洪調(diào)度并且實(shí)用效果良好[5]。文章結(jié)合水庫水位-面積、水位-庫容關(guān)系，分析了水庫水量損失、供水任務(wù)和入庫水量等，通過計(jì)算防洪庫容、防洪限制水位、設(shè)計(jì)與校核洪水位等，明確了猴山水庫防洪調(diào)度方式，可為水庫調(diào)度提供一定數(shù)據(jù)支持。

1 徑流調(diào)節(jié)計(jì)算

1.1 水庫水位-面積、水位-庫容關(guān)系

水庫水位-面積、水位-庫容關(guān)系采用2008年測量的1∶5000庫區(qū)地形圖成果，水庫水位-面積、水位-庫容成果見表1、圖1。

表1 水庫水位面積-庫容關(guān)系

圖1 庫H-V、H-A曲線(推薦壩址)

1.2 水庫水量損失

水庫的水量損失包括庫面蒸發(fā)損失和水庫滲漏損失，經(jīng)計(jì)算多年平均庫面蒸發(fā)損失水深373.9mm，庫區(qū)地質(zhì)條件較好，多年平均滲漏按500mm，水庫建成后多年平均蒸發(fā)滲漏損失水深按873.9mm計(jì)。

1.3 水庫供水任務(wù)

1)需水預(yù)測顯示，2030年東戴河新區(qū)總需水量9391萬m3，其中生態(tài)環(huán)境、二產(chǎn)業(yè)、三產(chǎn)業(yè)和居民生活需水量為1106萬m3、5138萬m3、720萬m3、2427萬m3。從供需分析成果看，2030年東戴河新區(qū)年缺水量為9391萬m3，日缺水量為25.5萬t；考慮輸水損失和中水回用后，需擬建擬建工程補(bǔ)水和猴山水庫補(bǔ)水3639萬m3、3296萬m3。

2)狗河流域需補(bǔ)償水量。根據(jù)2030年猴山水庫下游大官帽-河口區(qū)間水資源供需分析計(jì)算成果，水庫建成前本區(qū)間缺水451萬m3，全部為農(nóng)業(yè)用水。水庫建成后，本區(qū)間缺水為538萬m3，需猴山水庫補(bǔ)償。

3)水庫壩下環(huán)境用水要求。猴山水庫建成后，減少下游河道水量，本階段水庫壩下及大官帽閘環(huán)境流量按斷面處多年平均徑流量的10%計(jì)算，其中壩址處環(huán)境流量為0.262m3/s，多年平均需水量為826.8萬m3，該需水量由猴山水庫供給；大官帽閘環(huán)境流量為0.35m3/s，多年平均需水量為1108.4萬m3，猴山水庫需供給72萬m3。

1.4 水庫入庫水量分析

1)水庫以上區(qū)間需水情況。2030年猴山以上區(qū)間國民經(jīng)濟(jì)各部門總需水量552萬m3，其中鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)需水量27萬m3，農(nóng)村人畜需水量216萬m3，農(nóng)業(yè)灌溉面積1120hm2，灌溉需水量309萬m3。

2)猴山水庫入庫水量分析。壩址處天然徑流量8475萬m3，猴山水庫以上2030年總需水量528萬m3。經(jīng)1956-2013年58a長系列水量平衡計(jì)算，猴山水庫上游扣水量528萬m3，余水7969萬m3，即猴山水庫入庫水量為7969萬m3，水資源供需分析如表2所示。

表2 2030年猴山水庫以上區(qū)間水資源供需表 萬m3

2 防洪限制水位方案比選

2.1 防洪庫容計(jì)算

1)洪水組成。地區(qū)洪水組成采用同頻率法分析計(jì)算，洪水典型年選用1975年和1984年。防洪控制斷面選在鐵路橋斷面，設(shè)計(jì)洪水組成按兩種情況考慮，分別為猴山水庫以上區(qū)間設(shè)計(jì)(猴山-鐵路橋區(qū)間相應(yīng))、猴山-鐵路橋區(qū)間設(shè)計(jì)(猴山水庫以上區(qū)間相應(yīng))。

2)水庫控制運(yùn)用條件。水庫建設(shè)前，由下游堤防承擔(dān)流域的防洪任務(wù)，水庫以下兩岸農(nóng)田堤防防洪為5a一遇，安全泄量為1010m3/s；水庫建成后，防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到10a一遇。根據(jù)流域地區(qū)防洪要求、堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)及安全泄量，猴山水庫控制運(yùn)用條件為：10a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)，安全泄量達(dá)到1010m3/s。

3)調(diào)度運(yùn)用原則。①水庫洪水調(diào)度方式既要滿足下游防洪要求，又要保證大壩的安全，使水庫調(diào)度方式安全可靠。②水庫放流以入庫流量及水庫水位作為判別條件，分級(jí)控制水庫下泄流量。③猴山水庫在滿足下游防洪要求時(shí)盡量放流，但水庫最大下泄流量不應(yīng)超過最大入庫流量。

4)防洪庫容的確定。根據(jù)猴山水庫對下游的調(diào)度運(yùn)用方式，進(jìn)行猴山水庫樞紐洪水調(diào)節(jié)計(jì)算，水庫防洪庫容2797萬m3，如表3所示。

表3 控制斷面洪水組合流量成果表

經(jīng)計(jì)算，等蓄量法確定的防洪庫容為3291萬m3，區(qū)間補(bǔ)償法防洪庫容為2014萬m3，分級(jí)控泄法確定的防洪庫容分別為2797萬m3，綜合考慮工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性和防洪安全本階段采用分級(jí)控泄法確定的防洪庫容，即猴山水庫工程防洪庫容為2797萬m3。

2.2 防洪限制水位計(jì)算

1)方案擬定。在可行性研究階段通過對各方案成果綜合分析比較，正常蓄水位推薦值124.0mm。在保證經(jīng)濟(jì)區(qū)供水的情況下，水庫的防洪與興利庫容為2797萬m3、12720萬m3?？紤]不同的結(jié)合方式初步擬定三個(gè)防洪限制水位，如表1所示。

2)費(fèi)用現(xiàn)值比較。擬建水源工程初步設(shè)計(jì)中城市供水水價(jià)為1.75元/ m3，初步估算二期工程白石至青山水庫出口工程水價(jià)為1.2元/ m3，則擬建水源工程供水至青山水庫出口的水價(jià)為2.95元/ m3，考慮青山水庫到經(jīng)濟(jì)區(qū)工程投資后，擬建水源供水至新區(qū)的水價(jià)估算為4.5元/ m3，而猴山水庫工程水價(jià)為2.5元/ m3。擬定的三個(gè)方案在向東戴河新供水量相同的情況下，投資小的方案，需擬建水源補(bǔ)給水量大、水費(fèi)較高，投資高的方案需擬建水源補(bǔ)給水量小、水費(fèi)較低。因此需對三個(gè)方案進(jìn)行費(fèi)用現(xiàn)值的比較，如表4所示。

表4 水庫防洪限制水位表

由表4可知，方案一的投資為159212萬元，費(fèi)用現(xiàn)值為161047萬元，按2.0元/m3的差值計(jì)算特枯水年組多補(bǔ)給水量，考慮最不利情況(2030年出現(xiàn)枯水年)的折現(xiàn)值為1835萬元；方案二的投資為159417萬元，費(fèi)用現(xiàn)值為160779萬元，特枯水年組補(bǔ)水折現(xiàn)后現(xiàn)值1362萬元；方案三的投資為169018萬元，費(fèi)用現(xiàn)值為160373萬元，特枯水年組補(bǔ)水現(xiàn)后現(xiàn)值355萬元。

綜上分析，在供水效益相同的情況下，方案二的費(fèi)用現(xiàn)值最低，即160779萬元。因此，以方案二作為推薦方案，校核水位136.27m，防洪限制水位131.5m，正常蓄水位134m。

2.3 設(shè)計(jì)與校核洪水位的計(jì)算

1)工程等級(jí)。按《防洪標(biāo)準(zhǔn)》有關(guān)規(guī)定，猴山水庫為大(2)型水庫，工程為Ⅱ等，主要建筑物有混凝土擋水壩段、溢流壩段、引水壩段、副壩及引水隧洞，均為2級(jí)建筑物。防洪標(biāo)準(zhǔn)按百年一遇設(shè)計(jì)，千年一遇校核。

2)泄流曲線。猴山水庫采用溢洪道泄流，溢洪道堰頂高程120m，總凈寬55m，共設(shè)5孔，每孔凈寬11m。水庫全開、單孔以及單寬水位-泄量關(guān)系見表5，圖2。

圖2 猴山水庫水位-泄流關(guān)系曲線

表5 水位-泄量關(guān)系

3)防洪調(diào)度運(yùn)用方式。猴山水庫溢流堰總凈寬度55m，共設(shè)5孔閘門，閘門單孔凈寬11m，堰頂高程120m。水庫防洪調(diào)度運(yùn)用方式是依據(jù)水庫控制運(yùn)用條件和運(yùn)用原則，同時(shí)滿足各種典型洪水條件下的防洪要求確定的控制運(yùn)用方式[6-8]。經(jīng)全區(qū)洪水調(diào)節(jié)計(jì)算，猴山水庫的防洪調(diào)度運(yùn)用方式推薦為分級(jí)控泄法。

4)樞紐洪水調(diào)節(jié)計(jì)算。采用地區(qū)洪水調(diào)節(jié)計(jì)算確定的水庫調(diào)度運(yùn)行規(guī)則，進(jìn)行水庫樞紐洪水調(diào)節(jié)計(jì)算，猴山水庫選定方案泄水調(diào)節(jié)成果見表6，猴山水庫洪水調(diào)節(jié)計(jì)算過程見圖3。

表6 樞紐洪水調(diào)節(jié)計(jì)算成果表

2.4 防洪調(diào)度方式

根據(jù)洪水組合特性和防護(hù)對象要求，按分級(jí)控制和固定下泄流量相結(jié)合的方式，猴山水庫防洪調(diào)度方式如下：① 當(dāng)防洪控制斷面流量<600m3/s，并且猴山水庫入庫流量<450m3/s時(shí)，也就是當(dāng)猴山水庫和控制斷面發(fā)生<2a一遇洪水時(shí)，猴山水庫按來量下泄，使水庫水位保持在防洪限制水位。②區(qū)間漲水階段，當(dāng)防洪控制斷面流量在600-1000m3/s，猴山水庫入庫流量在450-1480m3/s時(shí)，也就是當(dāng)猴山水庫和控制斷面發(fā)生>2a一遇，>10a一遇洪水時(shí)，控制猴山水庫按230m3/s放流，使防洪控制斷面最大流量不超過1010m3/s。③ 區(qū)間退水階段，當(dāng)防洪控制斷面流量由1000m3/s消落至<500m3/s，猴山水庫入庫流量在470-1480m3/s時(shí)，可加大水庫放流，控制猴山水庫按680m3/s放流，考慮猴山水庫至防洪控制斷面的傳播時(shí)間為3h，當(dāng)水庫放流傳播至控制斷面時(shí)，防洪控制斷面的流量可以消落至300m3/s以下，使防洪控制斷面最大流量不超過1010m3/s，并可盡快使水庫水位回落至防洪限制水位。④ 當(dāng)防洪控制斷面流量>1000m3/s，猴山水庫入庫流量>1480m3/s時(shí)，也就是當(dāng)猴山水庫和控制斷面發(fā)生>10a一遇洪水時(shí)，水庫改為保證大壩安全的調(diào)度方式，不再控制泄流，將閘門全部打開，按水庫泄流能力放流[8-11]。

3 結(jié) 論

文章結(jié)合水庫水位-面積、水位-庫容關(guān)系，分析了水庫水量損失、供水任務(wù)和入庫水量等，通過計(jì)算防洪庫容、防洪限制水位、設(shè)計(jì)與校核洪水位等，明確了猴山水庫防洪調(diào)度方式。經(jīng)計(jì)算，防洪限制水位131.5m，全區(qū)洪水調(diào)節(jié)計(jì)算表明，猴山水庫的防洪調(diào)度運(yùn)用方式推薦為分級(jí)控泄法，對改善東戴河新區(qū)地下水超采及海水入侵狀況，提高水庫下游防洪標(biāo)準(zhǔn)發(fā)揮著重要作用。