青山水庫樞紐防洪限制水位方案比選及其防洪調度研究

張立明

青山水庫樞紐防洪限制水位方案比選及其防洪調度研究

張立明

（遼寧省葫蘆島水文局，遼寧 葫蘆島 125000）

青山水庫作為葫蘆島市供水和防洪的重要基礎工程，對地區流域的水環境平衡和穩定至關重要。文章結合六股河流域青山水庫實際水文環境，制定并必選了不同的防洪限制水位方案，通過天然徑流量、回歸水量、水庫調節系數等20項指標分析了水庫的防洪限制水位，通過對三個方案供水量、投資、經濟比較成果等綜合分析，確定青山水庫防洪限制水位。針對青山水庫防洪要求對其洪水調節進行了計算，繪制青山水庫洪水調節過程，并取得了良好的洪水調度效果。研究成果能夠為類似水庫工程防洪調度提供借鑒和指導。

青山水庫樞紐；防洪限制水位；比選方案；防洪調度

水庫防洪是對洪水災害及時控制、實時掌握的重要手段之一，也是水利工程安全的前提和保證。通過對流域內的天然徑流進行調節，及時存儲、合理利用流域水資源，也是流域內實現抗旱、保證水資源合理、科學利用的關鍵［1］。而水庫防洪調度則是在此基礎上，保證水庫工程安全和下游防洪安全的重要保證。結合實際條件、上下游防洪要求、自然狀況、水文地質及其先進的科學技術，擬定切實可行的防洪方案，以實現興利蓄水、合理開發、科學利用的目的［2］。

防洪調度最大的問題便是確定防洪限制水位，眾多專家和學者對此進行了大量的研究。通過蓄水閘門進行水庫洪水調度是目前較為常見的一種方式，研究洪水流量對閘門啟閉設備的影響，對防洪檢修閘門小流量調度運行的可行性方案進行研究同樣至關重要，文獻［3］通過石佛寺水庫實際調度驗證了方案的可行性和有效性。防洪限制水位的調整和確定是防洪調度的重要手段，LUODonglan，王文凱，余春華，雷洪，管益平［4-7］等分別對水庫的防洪限制水位的調整方案進行了研究，提出了不同的防洪限制水位的確定方法，對防洪水位的確定具有重要的指導意義。水庫防洪的方法、指標也是影響水庫防洪效果的重要因素，因此，構建多目標風險模型［8］， 分析水 庫 水 文 要 素 特征［9］， 研 究 水 庫 防洪控制計劃指標［10］，采用科學合理的計算方法對水庫防洪進行量化具有重要的理論價值。此外，王冶志［11］， 周玉華［12］， 代榮霞［13］等也對水庫防洪調度進行了研究，并取得了豐碩的研究成果。

本文針對青山水庫防洪限制水位情況展開深入研究，對水位確定的各種方案進行了比選，并通過對青山水庫進行防洪調度及其相關計算，取得了較好的調度效果。

1 青山水庫防洪限制水位確方案比選

根據《水利工程水利計算規范》（SL104-95），水庫防洪限制水位選定在設計枯水年汛后正常用水條件不受影響時［14］。本次對青山水庫正常蓄水位85.7m時，防洪限制水位分別擬定84.5m、85.0m和85.7m三個方案在徑流調節計算、回水計算兩方面進行對比分析。

1.1 徑流調節計算

根據多年徑流調節計算可知，防洪限制水位為84.5m時，多年平均向葫蘆島市供水水量為5544.0萬m3，比防洪限制水位85.7m方案供水量減少635.2萬m3；防洪限制水位85.0m時，多年平均向葫蘆島市供水量為5790.0萬m3，比防洪限制水位85.7m方案供水量減少389.2萬m3；防洪限制水位為85.7m時，多年平均向葫蘆島市供水量為6179.2萬m3。青山水庫不同防洪限制水位方案水庫徑流調節計算成果見表1。

表1 青山水庫不同防洪限制水位方案水庫徑流調節計算成果表

根據上述計算成果，若考慮降低防洪限制水位，向葫蘆島市供水量將減少。主要是六股河流域年徑流特點造成的，年內分配不均勻、來水主要集中在汛期（7～9月上旬），多年平均來水量15227.9萬m3，占年徑流量的76%，汛后來水量較少，多年平均為1780萬m3，特別是枯水年份汛后來水量更少，若降低水庫防洪限制水位，會影響水庫正常供水。

通過對以上20個項目進行研究，從多年平均供給下游環境水量、凈節水量、水庫棄水量等進行對比分析可知：青山水庫防洪限制水位可以確定為85.7m。

1.2 洪水調節回水計算

通過對三個方案分別進行了工程投資和移民投資計算，防洪限制水位84.5m、85m和85.7m方案的工程總投資分別為184196.6萬元、184411.6萬元、185193.5萬元。經經濟分析比較，汛限84.5m方案與85m方案比較，差額內部收益率為45.81%，汛限85m方案與85.7m方案比較，差額內部收益率為26.88%，因此，汛限85.7m方案優于其他兩個汛限水位方案。各防洪限制水位方案經濟比較指標見表2。根據三個方案供水量、投資、經濟比較成果等綜合分析，確定青山水庫防洪限制水位為85.7m。

表2 青山水庫不同防洪限制水位方案比較表

2 青山水庫洪水調節計算

2.1 全區防洪要求及水庫運用方式

2.1.1 全區防洪要求

根據《遼寧省葫蘆島市六股河流域規劃報告》及其批復，六股河流域由青山水庫與堤防共同承擔水庫下游的防洪任務。青山水庫建設前，由堤防承擔流域的防洪任務：綏中縣城的防洪標準30年一遇，水庫以下農田達到10年一遇洪水標準；青山水庫建成后將綏中縣城防洪標準由30年一遇提高到50年一遇，青山水庫以下兩岸農田防洪標準由10年一遇提高到20年一遇。

水庫以下兩岸堤防10年一遇安全泄量為5020m3/s；綏中縣城防洪堤進行了整修，根據《六股河綏中縣城區段堤防提標工程初步設計報告》，防洪標準為30年一遇，安全泄量為8700m3/s［15］。

2.1.2 水庫控制和調度運用原則和方式

（1）運用原則

水庫洪水調度方式既要滿足下游防洪要求，又要保證大壩的安全，使水庫調度方式安全可靠；水庫放流以入庫流量作為判別條件，分級控制水庫下泄流量；青山水庫在滿足下游防洪要求時盡量放流，但水庫最大下泄流量不應超過最大入庫流量。

（2）運用方式

根據可研審查意見，初設階段在遵循水庫防洪調度原則基礎上，對水庫防洪調度運用方式進行了復核，復核后水庫防洪調度運用方式見表3。

表3 防洪調度運用方式

根據可研審查意見，初設階段對水庫泄流設施的泄洪能力進行了方案比較，各方案綜合比較了工程投資、淹沒投資，經分析溢流堰堰頂高程76m、總凈寬57.5m時，工程總投資最少，因此，初設階段確定溢流堰頂高程76m、凈寬57.5m。

2.2 地區洪水調節計算成果

采用上述6個典型洪水成果、按水庫控制運用條件及青山水庫防洪調度運用方式，對不同正常蓄水位方案進行地區洪水調節計算。經計算：

頻率P=5%時，水庫水位86.6頻率8m，相應庫容3.56億m3，頻率P=2%時，水庫防洪高水位為87.92m，相應庫容3.94億m3。綏中控制斷面的組合流量詳見表4。

表4 綏中站洪水組合流量成果表

3 樞紐洪水調節成果

采用地區洪水調節計算確定的水庫調度運行規則，分別進行各正常蓄水位方案的水庫樞紐洪水調節計算。根據青山水庫樞紐洪水調節計算成果，水庫設計洪水位為91.80m，相應庫容5.24億m3，校核水位為95.40m，相應庫容6.61億m3。不同防洪限制水位方案洪水條件計算成果詳見表5。由于所取數據較多，因此在此繪制了P=5%、P=2%、P=0.2%、P=0.02%的水庫洪水調節過程示意圖，見圖1、圖2、圖3、圖4。

表5 水庫樞紐洪水調節計算成果表

通過以上圖表，在防洪限制水位為85.7m條件下，水庫樞紐的最大洪峰量和最大泄量與調節頻率成反比關系。當頻率P=0.02時，最大洪峰達到2.01×103m/s，而當頻率P=20時，最大洪峰僅為1.38×103m/s，變化幅度較大，頻率P=2時，最大洪峰僅為6.57×103m/s，最大洪峰值仍小于平均值。因此，通過數據處理分析可知，水庫樞紐的調節頻率與最大洪峰成反比，并近似呈現倒數關系。此外，有上表5可知，最大洪量和最高水位與頻率P也漸成反比關系，隨著頻率的逐漸增大，最大泄量、最高水位和最大庫容逐漸減小，最高水位和最大庫容減小幅度較小。

圖1 青山水庫（P=5%）洪水調節過程線圖

圖2 青山水庫庫（P=2%）洪水調節過程線圖

圖3 青山水庫庫（P=0.2%）洪水調節過程線圖

圖4 青山水庫庫（P=0.02%）洪水調節過程線圖

綜上可知，青山水庫防洪限制水位為85.7m，通過對圖1至圖4分析可知，在P=5%、P=2%、P=0.2%和P=0.02%條件下，隨著入庫洪水峰值的提高，頻率越大，出庫洪水量越大，表現為出庫洪水過程線逐漸增高，這說明頻率P對洪水的調節起到重要作用。此外，隨著入庫洪量的增多，出庫洪水過程線出現陡降的時間逐漸延長，這主要是因為洪水調節百分數的減少導致每一次的時間增長，當P=0.02%時，出庫洪水達到基本保持平衡時的時間接近60h，洪水調節量最大值達到1.3×104m3/s，效果較為顯著。這說明洪水調節方案和防洪限制水位方案較為合理。

經過統計計算可知：六股河流域2020年設計水平年青山水庫建成后，流域內總需水量為13420萬m3，其中地表水總需水量為13332萬 m3，沿海平原區地下水需水量為88.0萬m3，地表水資源開發利用程度為42.13%，通過防洪限制水位調節過程顯著，基本能夠滿足六股河流域青山水庫調水要求。

4 結語

青山水庫是葫蘆島市六股河流域的關鍵一環，對葫蘆島市的供水、防洪具有重要作用，同時也為六股河流域的水環境平衡和穩定具有重要影響。本文針對青山水庫實際水文情況和環境，對不同防洪限制水位方案進行比選，通過天然徑流量、回歸水量、水庫調節系數等20項指標對水庫的防洪限制水位進行了分析，通過對三個方案供水量、投資、經濟比較成果等綜合分析，確定青山水庫防洪限制水位為85.7m。針對青山水庫防洪要求對其洪水調節進行了計算，繪制了 P=5%、P=2%、P=0.2%、P=0.02%的水庫洪水調節過程示意圖，并取得了良好的洪水調度效果。目前，青山水庫防洪工作已經完全展開，隨著水庫工程的防洪加固等建設工程的完善，對水庫防洪調度的研究將會更加深入。

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TV697.13

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1008-1305（2017）05-0065-04

10.3969/j.issn.1008-1305.2017.05.022

2017-04-11

張立明（1977年—），男，高級工程師。