下游河道過流能力不滿足防洪標(biāo)準(zhǔn)時大型水庫防洪調(diào)度圖繪制探討

周 冉，張永平，劉 璐

（1.山東省水利勘測設(shè)計(jì)院有限公司，山東 濟(jì)南 250013；2.水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250013）

依據(jù)《山東省水庫汛期調(diào)度運(yùn)用計(jì)劃編制手冊》（魯水辦字[2019]14號）及相關(guān)的法律、法規(guī)編制調(diào)度運(yùn)用計(jì)劃過程中，遇到下游河道過流能力不滿足防洪標(biāo)準(zhǔn)等問題，本次針對該問題，提出以設(shè)計(jì)報告為調(diào)度依據(jù)，增添下游河道過流能力邊界線的方法繪制防洪調(diào)度圖，統(tǒng)籌水庫防洪和興利，使水庫最大程度發(fā)揮興利和防洪功能。

1 水庫概況

臥虎山水庫位于濟(jì)南市歷城區(qū)仲宮街道辦玉符河上游，水庫流域面積557 km2，根據(jù)增容工程批復(fù)，臥虎山水庫興利水位由129.00 m恢復(fù)至130.5 m，興利庫容0.637 億m3，總庫容1.203 億m3，是一座以防洪和城市供水為主，兼顧灌溉、養(yǎng)殖和生態(tài)補(bǔ)源等綜合利用的大（2）型水庫?，F(xiàn)樞紐工程由大壩、溢洪道（閘）、放水洞三部分組成。增容后于2017 年重新測量并啟用了新的庫容曲線。2018 年增容工程通過了山東省水利廳的竣工驗(yàn)收。綜上，臥虎山水庫調(diào)度運(yùn)用計(jì)劃需重新編制。

2 下游河道安全泄量

2.1 設(shè)計(jì)報告采用安全泄量

根據(jù)《山東省濟(jì)南市臥虎山水庫除險加固工程初步設(shè)計(jì)報告修編稿》（2008年）、《山東省濟(jì)南市臥虎山水庫增容工程初步設(shè)計(jì)報告》（2014年）、《濟(jì)南市臥虎山水庫大壩安全鑒定-防洪能力復(fù)核報告》（2019年），水庫防汛調(diào)度均按兩級控制：一級控泄防洪標(biāo)準(zhǔn)20 年一遇，最大安全泄量800 m3/s；二級控泄防洪標(biāo)準(zhǔn)100 年一遇，最大安全泄流量為1300 m3/s。

2.2 河道治理工程設(shè)計(jì)流量

2015年11月，濟(jì)南市水利建筑勘測設(shè)計(jì)研究院編制了《濟(jì)南市玉符河綜合治理工程初步設(shè)計(jì)報告（水利部份）》，對玉符河進(jìn)行綜合治理，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)50 年一遇。根據(jù)該報告，玉符河G104 橋以上至臥虎山水庫段河道子槽滿足240 m3/s過流能力，50 年一遇設(shè)計(jì)水位線漫灘，淹沒兩岸部分臺地（包括現(xiàn)狀的農(nóng)田、魚塘和部分村居等），規(guī)劃控制線規(guī)劃不小于淹沒線范圍，遠(yuǎn)期結(jié)合本地區(qū)的村居整合規(guī)劃進(jìn)行灘地和子槽兩側(cè)臺地的改造，淹沒線以下不再建設(shè)永久設(shè)施。玉符河已按照該初設(shè)報告治理完畢，但尚未進(jìn)行竣工驗(yàn)收。

2.3 下游河道安全泄量的確定

水庫設(shè)計(jì)安全泄量800 m3/s和河道治理工程過流能力240 m3/s不匹配。以240 m3/s作為下游河道安全泄量進(jìn)行汛中限制水位核算，為保大壩安全，汛中限制水位至少應(yīng)降至125.41 m。從保蓄水興利方面核算，汛中限制水位應(yīng)不低于126.92 m。綜上，以240 m3/s作為第一安全泄量，1300 m3/s作為第二安全泄量時，臥虎山水庫防洪和興利不能同時滿足要求。

綜合考慮臥虎山水庫設(shè)計(jì)情況、水庫管理單位的意見、玉符河河道治理現(xiàn)狀，臥虎山水庫近幾年實(shí)際運(yùn)行情況，權(quán)衡水庫防洪和興利等因素，確定安全泄量采用近期設(shè)計(jì)報告中的相關(guān)成果，即20 年一遇安全泄量800 m3/s，100 年一遇安全泄量1300 m3/s。

在調(diào)度圖繪制時，雖不按照240 m3/s控泄，為給超過子槽設(shè)計(jì)流量存在淹沒風(fēng)險的村莊轉(zhuǎn)移提供參考，按照子槽設(shè)計(jì)流量240 m3/s繪制了240 m3/s泄洪邊界線。

3 汛期控制運(yùn)用指標(biāo)

3.1 汛中限制水位

從水庫工程安全、保護(hù)下游和興利蓄水三方面統(tǒng)籌考慮，確定水庫汛中限制水位為127.00 m。

表1 臥虎山水庫汛中限制水位核算成果表

3.2 允許超蓄水位

從蓄水服從防洪安全角度考慮，臥虎山水庫汛中允許超蓄水位為127.00 m。

3.3 汛末蓄水位

臥虎山水庫增容工程竣工驗(yàn)收后水庫興利水位為130.50 m，汛末蓄水位為130.50 m。

3.4 允許壅高水位

臥虎山水庫為兩級控泄，自127.00 m起調(diào)，水庫遭遇20 年一遇洪水時，按一級安全泄量800 m3/s控泄；當(dāng)水庫遭遇100 年一遇洪水時，按二級安全泄量1300 m3/s控泄。

采用式（1）進(jìn)行調(diào)洪演算：

式中：Q1、Q2為時段初、時段末入庫流量，m3/s；q1、q2為時段初、時段末出庫流量，m3/s；V1、V2為時段初、時段末水庫蓄水量，104m。

臥虎山水庫溢洪道堰型為低堰，類似WES堰（實(shí)用堰），閘門為鋼板弧形閘門。當(dāng)0.1＜e/H≤0.75時，為孔流；e/H＞0.75時，為堰流。堰流設(shè)計(jì)流量采用除險加固報告中模型試驗(yàn)成果?？琢饔?jì)算采用下式（2）計(jì)算：

其中：σs為淹沒系數(shù)；0為閘孔自由出流的流量系數(shù)，它綜合反映閘孔形狀和閘門相對開度e/H對泄流量的影響；e為閘門開啟高度；n為閘孔孔數(shù)，溢洪閘共計(jì)5 孔；b為每孔凈寬，取13 m；H0為包括行進(jìn)流速水頭的堰前水頭，即。

曲線型實(shí)用堰弧形閘門流量系數(shù)計(jì)算公式見式（3）：

經(jīng)計(jì)算，按照固定閘門高度方式調(diào)洪，遭遇20 年一遇洪水時，閘門同步開啟1.58 m，第一允許壅高水位為128.97 m；遭遇20 年一遇洪水時，閘門同步開啟1.93 m，第二允許壅高水位為134.21 m。

3.5 警戒水位

臥虎山水庫設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇，警戒水位為100年一遇水位134.21 m。

3.6 允許最高水位

本次采用校核洪水標(biāo)準(zhǔn)5000 年一遇洪水，考慮中小洪水控泄的要求，計(jì)算5000 年一遇洪水位作為允許最高水位，為137.16 m。

4 防洪調(diào)度圖繪制

本次采用實(shí)測流量法推求的設(shè)計(jì)洪水，橫坐標(biāo)為全流域天然最大24 h凈雨深（R24），為方便使用，本次先分析了入庫洪水24 h徑流深（Y24）與水庫全流域天然最大24 h凈雨（R24）的關(guān)系Y24～R24隨后確定了P+Pa與全流域天然最大24 h凈雨（R24）的關(guān)系P+Pa～R24。由此，通過查雨前水位和P+Pa值可迅速確定所屬的調(diào)度區(qū)，選定最優(yōu)泄洪方式，預(yù)估最高庫水位，方便指導(dǎo)汛期水庫調(diào)度運(yùn)行。

4.1 24 h凈雨R24與24 h徑流深Y24關(guān)系分析

流域出口斷面流量過程線時段數(shù)采用式（4）計(jì)算：

式中：L為流域出口斷面流量過程線時段數(shù)；n為經(jīng)驗(yàn)單位線時段數(shù)，根據(jù)臥虎山水庫資料分析，臥虎山水庫經(jīng)驗(yàn)單位線時段數(shù)為31；m為凈雨時段數(shù)，凈雨時段數(shù)為24。

采用上式計(jì)算出臥虎山水庫流域出口斷面流量過程線的時段數(shù)為54，即24 h凈雨R24對應(yīng)的洪量應(yīng)為設(shè)計(jì)洪水過程線中最大54小時的洪量（W54）。Y24對應(yīng)的為最大24小時洪量（W24）。根據(jù)洪量和流域面積計(jì)算出不同頻率的R24和Y24，擬合兩者關(guān)系，成果見式（5）和圖1。

圖1 臥虎山水庫R24～Y24關(guān)系圖

4.2 不泄水邊界線

臥虎山水庫汛中限制水位為127.00 m，相應(yīng)庫容為4892 萬m3。設(shè)置不同的雨前水位，計(jì)算相應(yīng)庫容，從而確定水庫所需蓄存水量。將蓄存水量根據(jù)W72～Y24關(guān)系式轉(zhuǎn)換為Y24，根據(jù)R24～Y24關(guān)系式轉(zhuǎn)換為R24，成果見表2。

表2 不泄水邊界線計(jì)算成果表

4.3 限制泄洪區(qū)邊界線

根據(jù)除險加固已批復(fù)的不同頻率設(shè)計(jì)洪水，確定最大24小時徑流深Y24和洪峰、洪量的關(guān)系。假定不同的Y24計(jì)算相應(yīng)的洪峰、不同時段洪量，計(jì)算入庫洪水，按照汛限水位127.00 m以下不泄洪，汛中限制水位和一、第二允許壅高水位之間均限泄，最高水位剛好達(dá)到第一、二允許壅高水位，進(jìn)行水庫調(diào)算，試算相應(yīng)的雨前水位，成果見表3和表4。

表3 限制泄洪區(qū)邊界線（限泄800 m3/s）計(jì)算成果表

表4 限制泄洪區(qū)邊界線（限泄1300 m3/s）計(jì)算成果表

4.4 自由泄洪區(qū)

根據(jù)上述方法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水。按照考慮中小洪水兩級控制，進(jìn)行水庫調(diào)算。根據(jù)不同頻率洪水試算相應(yīng)的雨前水位，成果見表5。

表5 自由泄洪區(qū)邊界線計(jì)算成果表

4.5 240 m3/s泄洪邊界線

按照汛限水位以下不泄洪，達(dá)到汛中限制水位127.00 m時閘門開啟1.58 m，進(jìn)行水庫調(diào)算，最大泄量為240 m3/s，最高水位不超過127.00 m，試算相應(yīng)的雨前水位，成果見表6。

圖2 淮河下游 通榆河 大團(tuán)（通北）站 2009年水位～流量關(guān)系曲線圖

4 結(jié)論

（1）橋測的精度可以滿足國家標(biāo)準(zhǔn)《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》的要求，是一種行之有效的水文測驗(yàn)方法。尤其是它具有機(jī)動靈活、安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效、便于搶測洪水流量和有利于提高測洪能力等優(yōu)點(diǎn)，是防汛抗旱的重要技術(shù)手段之一。

（2）在橋體上下游范圍內(nèi)，水流皆受到橋墩的影響，相對而言，橋體上游水流較平穩(wěn)，下游水流較紊亂，流速儀不易穩(wěn)定，測驗(yàn)精度較差。因此，橋測斷面應(yīng)布設(shè)在橋體上游為宜。

（3）在橋測流量計(jì)算中，過水?dāng)嗝婷娣e是否排除橋墩面積，流速是否進(jìn)行改正，決定于橋測斷面的布設(shè)位置。為計(jì)算方便和不致使流量計(jì)算精度因進(jìn)行計(jì)算而降低，如能將橋測斷面設(shè)在橋墩對水流影響范圍以外，較為有利。一般來說，水網(wǎng)區(qū)因流速較?。╒max＜1 m/s），離開橋墩2 m即可。

（4）由于通榆河上均為新建的橋梁，標(biāo)準(zhǔn)較高且孔數(shù)較少，故斷面垂線應(yīng)以橋孔中央線對稱布設(shè)為佳。每條垂線的測點(diǎn)數(shù)以兩點(diǎn)法為佳。有時因搶測洪峰的需要，或有其它困難，亦可采用相對水深0.6一點(diǎn)法。

（5）隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是走航式ADCP在水文測驗(yàn)上的普遍應(yīng)用，盡管橋測方法較之ADCP測流有一定的局限性，但仍然較為實(shí)用，尤其是在人手緊張的洪水期。為具備一定的比測驗(yàn)證成果，應(yīng)在平時開展橋測與走航式ADCP比測率定工作，以備測洪之需。