中小型水庫除險加固設計中水文水力計算分析

祝金珍

(上饒市水利電力勘測設計院，江西 上饒 334000)

由于水庫除險加固工程的時間節點性強、工作量較大，需要收集的相關資料較多。因此，對中小型水庫來說，如何尋找有效的水文水力計算方式，是除險加固工程設計的要點。采用多目標研究分析，以防洪作用最大化為原則，以實際數據作為水庫防洪中的參考標準。

1 水文水力計算的基本內容

水文水力計算的主要內容在于設計暴雨條件下的洪水過程線，通過實際測量來計算水位于庫容曲線，從而得出在不同頻率下的水位標準，并結合壩頂高程來計算合理的設計水位。傳統的水文設計工作中，無論選擇哪種數學模型，在實測資料缺乏的情況下都很難確定實際參數。尤其是當流域斷面面積較大，或是降雨獨立的情況下，準確地設計和控制斷面洪水，符合洪水規律是一項復雜的工作[1]。本次研究的基本內容是通過水文耦合計算模型與水動力的構件，推算出斷面各頻率的設計洪水，構建水力耦合模型，適用于流域內的設計要求，為防洪庫容與除險加固工作提供技術條件。

1.1 測站資料

水文站與降水量站均按照設計要求投入使用，在流域內的降水站觀測資料能夠保障有效的精度，作為工程設計的基本資料存在。區域內的降水站分布較為合理，能夠合理反映出設計流域內的降水特性，為相關研究提供數據支持[2]。

1.2 暴雨條件設計

流域內根據壩址來進行模擬，統計樣本為每年的最大一日暴雨，統計資料選擇1950—2018年內的所有年份資料，暴雨分區分析采用泰森多邊形法計算分區降水量面積的權重[3]。先用直線連接相鄰雨量站，構成n-2個銳角三角形后，作每個三角形邊的垂直平分線，將其作為劃分依據，將流域劃分為n個以流域邊界為界的多邊形，并按照面積加權法來推算流域的平均降雨量，模擬暴雨條件。這種方式適用于地形起伏相對穩定的區域，如地形比較復雜或流域內雨量站分布密集，則可以根據同時段雨量繪制等雨量線，計算平均降雨量[4]。

1.3 調洪計算

調洪計算中需要注意三個基本要素，即洪水過程線、庫容曲線與泄流曲線，分別通過洪水設計、水庫水位與流量關系和水位容積關系確定。根據這些基本資料可以采用水量平衡公式進行洪水調節計算。具體流程如圖1所示。

圖1 水文水力計算分析流程

2 斷面洪水計算

對于中小型水庫來說，斷面洪水計算采用暴雨洪水綜合法，或是采用流量法進行設計。根據本地流域的工程設計實例與歷史洪水情況來制定水文設計參數。但需要注意的問題在于斷面洪水設計中會受到一些因素的影響，例如水文測站的分布情況等，因此僅僅使用傳統水文學方法并不能有效地推測斷面洪水情況，參數的設定需要構件水文耦合計算模型[5]。

以實測資料作為水動力模型，區間的流域設計選擇水文暴雨洪水模型，與水動力模型進行耦合后，進行數據檢測，分析不同的斷面各頻率洪水設計情況，可以有效地解決洪水參數與模型的驗證問題。流域內水位站具有近年來的詳細水位資料，可以作為計算分析過程中的參考依據。另外，通過水動力與水文耦合計算模型能夠讓計算結果盡量符合實際情況，因此選用較大洪水進行驗證對比，可以將計算值與模擬值的差距控制在可以接受的范圍內，匯流模擬情況較好[6]。因此，通過模型將研究區域進行擴展，可以解決參數問題，精度有所保障，在后續的設計方案中可以進行參考和借鑒。

3 水文水力計算中應注意的問題

3.1 資料整合

資料整合是水庫除險加固設計中的關鍵，資料能夠反映水文成果與設計的合理性，發揮水庫的最大效益。一般情況下，對于水庫的設計資料收集是首要的工作，包括經營情況、效益情況、歷年來的除險加固資料等。

另外，水庫的地形圖與測量結果也應該作為重要資料保存。以目前的統計方式來看，在流域面積、河流長度等參數的計算過程中，如果仍然采用舊版地形圖。必然存在明顯誤差。因而，矢量化的地形圖與地理信息系統的有效配合，可以更加精確地收集流域的三大要素。在洪水設計中也應該加入匯流條件等因素的影響程度[7]。

在中小型水庫的除險加固工程當中，容積關系的計算會沿用傳統設計數據。但水庫長期運行會產生淤積等現象，水位變化難以避免。此時建議選擇遙感技術配合DEM展開水位于面積關系計算，模擬實測數據，分析水庫在不同的時間段的運行狀態[8]。

3.2 現場勘查

由于水庫情況多變，地形條件相對復雜，現場勘查中需要重點關注洪水淶水情況與梯級水庫的調度問題，還包括上游水庫設計。此外，水庫歷年來的運行和管理狀況需要進行嚴格考察，如溢洪道歷年過水情況、是否有其它建筑物參與泄洪等。

按照SL 252—2017《水利水電工程等級及洪水標準》的相關要求，需要考慮水庫下游的交通設施情況，視工程需求考慮是否要調整洪水標準。

3.3 參數分析

參數分析采用設計洪水成果與流域設計成果的數值比較結果作為主要參考依據。如果兩者之間差異過大，則需要重新對參數進行審核，提升準確性。另外，洪水調洪計算過程中還應該注重水位的合理性。例如水位計算成果與歷年水位之間存在明顯差異，則需要考慮重新計算參數。一般情況下，水庫的正常水位、豐水期水位于死水位具有相對穩定的特征，但水庫如果需要承擔水源地等責任，那么需要與水利部門協調后來進行水位調整，并經過實驗設計后確定方案的可行性[9]。

4 水庫所需的防洪庫容分析

本次研究對5個不同區域的實測水位與驗證計算水位進行了對比，見表1。

表1 水位測定結果 單位：m

經過檢測結果表明，實測水位于驗證計算水位之間的差異均在0.1m以內，說明精度符合實際要求，計算模型使用的特征參數可以用于實際的成果計算工作。

從區域防洪能力來分析，河道寬窄有明顯差異，最寬處寬度超過1km，防洪標準相對較低，局部地域未達到防洪標準。對于水庫除險加固工程來說，提升防洪標準，減少洪峰流量是主要的工作之一。另外，由于受到上游洪峰流量的控制，河道形態相對復雜，泄洪能力受限，有潛在的洪澇災害發生的可能性。研究按照一維數值模擬的方式來分析防洪水位的差異，綜合考慮水庫在流域的地理位置與流域水系分布情況，應選擇兩級控制模式，做好控制斷面與控制流量的規劃[10]。

5 結語

為保障基礎資料的有效性與準確性，在計算過程中應該重點對基礎資料和流域基本情況展開分析，最終將計算結果進行合理性分析，在此基礎上提供有效的計算成果。在今后的工作中，還可以借助GIS、遙感技術，建立數據庫的合理分析模式，模擬實測結果與資料，將設計結果與監測結果進行合理分析，尋求適合的規劃方案。

本文受限于研究范圍，并沒有對洪水預報系統的構建，對水文測站、河道水動力條件等相關要素進行分析，在未來的研究中應該以預測降雨量的數據為基礎構件預報系統，進一步分析周邊地區除險加固工作的有效性。