枧坑水庫特征水位優選分析

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指標，是水庫規劃設計和實際管理運行的重要依據[1]。特征水位的選取合理與否直接關系到水庫效益的發揮，也是評價水庫規劃設計優劣的重要指標。特征水位涉及水庫調度、水庫規模和淹沒問題，應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，以水庫主要任務為導向，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。枧坑水庫工程建設任務以灌溉為主兼顧煙農供水，受益灌溉枧坑、杞林、高坊、李坊等地共4607畝耕地，同時兼顧5342民煙農的生活用水，水庫工程沒有防洪任務。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)，為沿線煙農供水660 t/d。工程為Ⅳ等工程，水庫工程規模為小(1)型水庫。

2 水庫特征水位選擇

2.1 死水位選擇

2.1.1 水庫設計淤沙高程確定

由于渾水進入庫區以后，流態發生變化，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。依據泥沙水文分析成果，本流域懸移質輸沙模數為80 t/(km2·a)，以此推算枧坑水庫懸移質年均輸沙量為370 t。其推移質輸沙量按懸移質的25%計，則推移質輸沙量為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都以百分數(%)表示。

計算得枧坑水庫攔沙率為92.9%。根據規范關于水庫泥沙沖淤計算年限問題的規定，即為壩體結構設計荷載計算時，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。經綜合分析，確定本水庫泥沙淤積高程計算年限按30年。預計30年淤積總量1.39萬t，懸移質泥沙干容重1.3 t/m3，推移質泥沙干容重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、進庫水沙條件、支流匯入情況等。分析本工程水庫淤積形態采用的判別式(2)：

(2)

式中：α′為淤積形態判別系數。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為庫區原河道比降(本規劃水庫庫區為144.1‰)，以萬分率計。

計算得水庫淤積形態判別系數α′=2.81>2.2，由此可判別水庫泥沙淤積形態基本以帶狀形態為主。按類比法進一步分析計算得出水庫壩前設計泥沙淤積高程為410.5 m。

2.1.2 死水位確定

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

2.2 正常蓄水位選擇

水庫壩址以上區域內河道為典型峽谷河道，河道呈“V”型，坡陡水急，河道兩側無人口、房屋、耕地及其它基礎設施與自然文化景觀等，基本處于原始的天然狀態。水庫庫區淹沒為河灘地與林地，庫區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經濟合理為原則。

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。經分析初擬水庫正常蓄水位445 m、447 m、448 m、449 m四個方案進行比選，各方案特征指標見表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來看，隨正常蓄水位抬高，淹沒實物指標增加，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)從地質條件考慮，高程超過447 m以上，拱壩壩址左岸拱端地質條件差，導致工程量增加，投資增大，顯得不利。

(3)從灌溉面積考慮，灌區受益灌溉面積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，水量基本已經利用。從水量利用系數及增加灌溉畝數情況來看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，但市發改委已批復了正常蓄水位447 m，若修改為448 m，工程規模將會發生變化。因此本次設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，無法承擔下游防洪任務。因此，工程的防洪任務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。根據項目區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，說明設置汛限水位后，水庫汛期結束后無法蓄至正常蓄水位447 m，根據水量平衡計算，若本工程汛限水位取446 m，由于無法蓄到正常蓄水位447 m，復核后項目區保灌面積為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，復核后項目區保灌面積為3435畝，減少了146畝。設置汛限水位后會與項目興利庫容有沖突，因此不考慮設置防洪限制水位。

表3 枧坑水庫不同汛限水位方案興利調節計算成果表

3 結語

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