莒縣跋山水庫設(shè)計(jì)洪水計(jì)算及調(diào)洪方案研究

宋景春，許衍磊

（山東省莒縣水利局，山東 莒縣 276500）

1 引言

水工建筑物在長期使用過程中，會(huì)出現(xiàn)不同程度的破損現(xiàn)象，采取加固措施是十分必要的。設(shè)計(jì)洪水位是水庫加固設(shè)計(jì)的一個(gè)重要數(shù)據(jù)，可為科學(xué)、安全、經(jīng)濟(jì)水庫工程設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1-2]。結(jié)合跋山水庫，對(duì)設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算和防洪調(diào)節(jié)方案制定進(jìn)行研究。

跋山水庫位于淮河流域沂河干流中上游，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、發(fā)電、養(yǎng)殖等功能的大（2）型水庫。水庫控制流域面積1782 km2，現(xiàn)狀總庫容5.28 億m3。樞紐工程由土石壩、砌石壩、溢洪道（閘）、放水洞、壩后水電站等建筑物組成，擋水建筑物全長2216 m，最大壩高33.65 m。水庫灌溉面積48.7 萬畝，壩后電站總裝機(jī)容量5640 kW。水庫工程設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)100年一遇，庫水位179.95 m；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)10000年一遇，庫水位184.34 m。

2 設(shè)計(jì)洪水分析

2.1 實(shí)測(cè)流量資料計(jì)算設(shè)計(jì)洪水

跋山水庫上游有一座大型水庫田莊水庫，根據(jù)田莊水庫、跋山水庫1961年～2008年連續(xù)48年實(shí)測(cè)水位、蓄水量、出庫流量過程，采用水量平衡方程式分別推求兩座水庫歷年歷次實(shí)測(cè)入庫洪水過程。

根據(jù)跋山水庫歷次入庫洪水還原過程，扣除田莊水庫相應(yīng)溢洪流量，即可推算出田莊水庫～跋山水庫區(qū)間（以下簡稱田～跋區(qū)間）歷次洪水過程，集水面積為1358 km2。根據(jù)田莊水庫壩址至跋山水庫壩址河道實(shí)測(cè)斷面資料計(jì)算分析，洪峰傳播時(shí)間約為6 h。

將田莊水庫歷次入庫洪水過程與田～跋區(qū)間洪水疊加即得跋山水庫天然入庫洪水過程。

田～跋區(qū)間洪水及跋山水庫天然入庫洪水的洪峰流量及時(shí)段洪量均采用年最大值選樣方法。洪量的時(shí)段分別選取6 h、24 h、72 h。

田～跋區(qū)間及跋山以上全流域洪水逐年最大洪峰流量、時(shí)段洪量成果見圖1。

圖1 田～跋區(qū)間及跋山以上全流域洪水逐年最大洪峰流量、時(shí)段洪量成果（其中1 代表田～跋區(qū)間成果、2 代表全流域成果）

2.2 歷史洪水重現(xiàn)期論證及時(shí)段洪量的確定

2.2.1 歷史洪水調(diào)查資料

跋山水庫壩址處調(diào)查歷史洪水共有4 場(chǎng)，分別為1888年、1908年、1937年和1957年洪水。跋山水庫洪水調(diào)查成果見表1。

表1 跋山水庫歷史洪水調(diào)查成果表

跋山水庫天然洪水系列中，大洪水場(chǎng)次較少，系列中最大的洪峰流量僅為4270 m3/s，洪峰流量大于4000 m3/s 的年份只有1962年、1963年和1984年，調(diào)查的四場(chǎng)歷史洪水洪峰流量均大于實(shí)測(cè)系列成果。為了提高成果的可靠性，本次設(shè)計(jì)洪水計(jì)算加入四場(chǎng)歷史洪水成果。

2.2.2 歷史洪水時(shí)段洪量的推求

采用跋山水庫1961年～2008年天然洪水系列的年最大洪峰流量分別與其最大6 h、24 h、72 h 洪量建立峰量關(guān)系，根據(jù)相關(guān)方程推求各場(chǎng)歷史洪水的最大6 h、24 h、72 h 時(shí)段洪量。跋山水庫各分區(qū)歷史洪水洪量計(jì)算成果見表2。跋山水庫流域內(nèi)有大型水庫一座（田莊水庫）、中型水庫一座（紅旗水庫）、小（1）型水庫28 座。由于這些蓄水工程興建年份不一，其攔蓄水量和用水量對(duì)跋山水庫的入庫徑流有一定的影響。為使徑流資料具有較好的一致性，需進(jìn)行天然徑流量還原計(jì)算。在計(jì)算中，考慮蓄水影響程度及水文資料情況，采用劃分單元區(qū)進(jìn)行計(jì)算，劃分田莊水庫以上單元及田莊水庫～跋山水庫單元。

表2 跋山水庫歷史洪水洪量計(jì)算成果表

2.2.3 歷史洪水重現(xiàn)期

1888年為四場(chǎng)歷史洪水的最大值，距今120年。但根據(jù)史料，1730年洪水為1730年～2008年的第一大洪水，1888年洪水為該時(shí)期第二大洪水，以此計(jì)算1888年洪水重現(xiàn)期為140年。

2.3 統(tǒng)計(jì)參數(shù)分析計(jì)算

2.3.1 統(tǒng)計(jì)參數(shù)分析計(jì)算

根據(jù)加入歷史洪水組成的不連序洪水系列，按矩法估算洪水系列統(tǒng)計(jì)參數(shù)，采用P-Ⅲ型頻率曲線，取CS=2.5CV進(jìn)行適線，以理論頻率曲線與經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)擬合較好為原則，確定統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算成果。跋山水庫、田～跋區(qū)間設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果見表3。

表3 跋山水庫天然入庫洪水、區(qū)間洪水不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量、時(shí)段洪量成果表

本次計(jì)算考慮上游田莊水庫的調(diào)蓄影響。跋山水庫的設(shè)計(jì)洪水過程線由田～跋區(qū)間洪水過程線與田莊水庫調(diào)洪后下泄的洪水過程線組成。

設(shè)計(jì)洪水的地區(qū)組成采用同頻率地區(qū)組成法。選定田莊～跋山區(qū)間出現(xiàn)與跋山水庫同頻率的洪量，田莊水庫以上相應(yīng)洪量總數(shù)按水量平衡原則推求。田莊水庫相應(yīng)頻率洪水洪峰流量、洪量成果見表4。

表4 田莊水庫相應(yīng)頻率洪峰流量、洪量成果表

2.4 分區(qū)單元設(shè)計(jì)洪水過程線的推求

采用同頻率放大典型洪水過程線法推求田～跋區(qū)間及田莊水庫不同頻率設(shè)計(jì)洪水過程線。

2.4.1 典型洪水過程線的選取

典型洪水過程線應(yīng)選取峰高量大、主峰集中且能代表本流域大洪水特性、對(duì)水庫防洪不利的洪水。經(jīng)綜合分析，選取1963年7 月19 日至7 月22 日區(qū)間洪水作為田～跋區(qū)間典型洪水，選取相應(yīng)時(shí)間田莊水庫入庫洪水作為田莊水庫典型洪水。

該場(chǎng)洪水峰高、量大，其洪峰流量位于系列中第二位，各時(shí)段洪量均為系列中最大值，其3 h、6 h 洪量占24 h 洪量的比例分別為21.6%、42.9%，與不同頻率設(shè)計(jì)洪水3 h、6 h 洪量占24 h洪量的比例接近，因此1963年7 月19 日洪水更能代表本流域洪水特性，田～跋區(qū)間、田莊水庫典型洪水過程見圖2。

圖2 田～跋區(qū)間、田莊水庫典型洪水過程

2.4.2 放大方法

采用分時(shí)段同頻率控制法，即用同一個(gè)頻率的洪峰流量和各時(shí)段的洪量控制放大典型洪水過程線。

2.5 跋山水庫設(shè)計(jì)洪水過程線的推求

2.5.1 田莊水庫調(diào)洪

按照以下原則對(duì)田莊水庫進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計(jì)算：起調(diào)水位采用原設(shè)計(jì)汛限水位310.64 m。洪水調(diào)節(jié)計(jì)算按兩級(jí)控制，低于20年一遇防洪高水位按600 m3/s 下泄，高于20年一遇防洪高水位按1000 m3/s 控制下泄，超過50年一遇防洪高水位為自由敞泄。

2.5.2 跋山水庫設(shè)計(jì)洪水過程線的推求

跋山水庫設(shè)計(jì)洪水過程線由田莊水庫泄流過程線錯(cuò)時(shí)段與田～跋區(qū)間洪水過程線迭加而成。

2.6 設(shè)計(jì)洪水成果修正

跋山水庫流域建有小（1）型水庫28 座，其它小（2）型水庫及塘壩若干座，總控制流域面積236.71 km2，總興利庫容0.396 億m3，總庫容0.74 億m3，分別占跋山水庫總面積、興利庫容、總庫容的13.2%、14.8%、14.0%，其中總庫容占田～跋區(qū)間10000年一遇24h 洪量的9.6%。以上小型水庫均無詳細(xì)的洪水記錄資料，無法就其對(duì)跋山水庫入庫洪水的影響作定量分析計(jì)算。但從定性角度分析，小型水庫的攔蓄會(huì)影響跋山水庫的入庫洪水水量，特別是中小水年份，攔蓄水量比較多，從而削減了水庫的入庫洪水水量。實(shí)測(cè)系列中絕大部分洪水為中小洪水，由此計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水成果有偏小的可能。另外由于上游小水庫防洪能力較低，跋山水庫發(fā)生校核標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，小水庫潰壩的可能性較大。鑒于以上原因，為了水庫防洪安全，應(yīng)對(duì)跋山水庫校核標(biāo)準(zhǔn)洪水增加安全修正值。

通過對(duì)資料條件、抽樣誤差、上游小型水庫影響程度等進(jìn)行綜合分析，結(jié)合本流域?qū)嶋H情況，確定對(duì)跋山水庫校核標(biāo)準(zhǔn)（100年以上）設(shè)計(jì)洪水的洪峰流量和不同時(shí)段洪量均增加10%的安全修正值，以確保水庫防洪安全。跋山水庫不同頻率設(shè)計(jì)洪水洪峰流量、不同歷時(shí)洪量見表5。跋山水庫設(shè)計(jì)洪水過程線成果見圖3。

表5 跋山水庫不同頻率設(shè)計(jì)洪水洪峰流量、不同歷時(shí)洪量

圖3 跋山水庫設(shè)計(jì)洪水過程線

3 洪水調(diào)節(jié)方案

3.1 水位～庫容～泄量關(guān)系

本次跋山水庫除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)擬對(duì)原溢洪閘進(jìn)行改建，溢洪閘16 孔，單孔凈寬10 m，閘底板高程為171.0 m。跋山水庫溢洪閘改建后水位～庫容～泄量關(guān)系見表6。

3.2 洪水調(diào)節(jié)計(jì)算

3.2.1 洪水調(diào)節(jié)計(jì)算原則

（1）起調(diào)水位

按水量平衡原理對(duì)水庫進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計(jì)算，起調(diào)水位采用興利水位178.00 m。

（2）控制運(yùn)用方式

跋山水庫防洪調(diào)度方案按20年一遇、50年一遇兩級(jí)控泄。

第一級(jí)安全泄流量為2000 m3/s，相應(yīng)防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，其控制斷面為沂水縣城附近沂河老橋，20年一遇洪水水庫控泄主要是保護(hù)沂河堤防，水庫下游跋山～沂水區(qū)間河道堤防防洪保護(hù)區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀人口15 萬人，耕地20 萬畝。

表6 跋山水庫水位～庫容～泄量關(guān)系表

第二級(jí)安全泄流量為3120 m3/s，相應(yīng)防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，其控制斷面為北社攔河壩，該標(biāo)準(zhǔn)主要是保護(hù)水庫下游沂水縣城。沂水縣城區(qū)現(xiàn)狀人口28 萬，規(guī)劃到2020年人口達(dá)50萬人，水庫下游重要基礎(chǔ)設(shè)施有S229、S335 兩條省道。

根據(jù)水庫1985年測(cè)繪“跋山水庫下游洪水淹沒范圍及群眾轉(zhuǎn)移路線圖”，在保證水庫自身防洪安全的前提下，充分發(fā)揮水庫攔蓄洪水、削峰錯(cuò)峰的作用，跋山水庫管理處編制了“防洪調(diào)度方案”。水庫防汛調(diào)度滿足洪水調(diào)度方案編制要求，此次洪水調(diào)節(jié)按現(xiàn)有的兩級(jí)控制計(jì)算。

20年一遇設(shè)計(jì)洪水，按2000 m3/s 控制下泄，得到20年一遇防洪高水位；50年一遇設(shè)計(jì)洪水，低于20年一遇防洪高水位按2000m3/s 下泄，高于20年一遇防洪高水位按3120 m3/s 控制下泄，得到50年一遇防洪高水位；100年一遇及以上設(shè)計(jì)洪水，低于20年一遇防洪高水位按2000 m3/s 下泄，高于20年一遇防洪高水位按3120 m3/s 控制下泄，超過50年一遇防洪高水位自由敞泄。

3.2.2 洪水調(diào)節(jié)計(jì)算成果

根據(jù)選定的跋山水庫設(shè)計(jì)洪水成果，按洪水調(diào)節(jié)計(jì)算原理及控制原則進(jìn)行調(diào)算。不同頻率設(shè)計(jì)洪水調(diào)節(jié)計(jì)算成果見表7。

表7 跋山水庫設(shè)計(jì)洪水調(diào)節(jié)計(jì)算成果表

4 結(jié)論

跋山水庫除險(xiǎn)加固工程中設(shè)計(jì)洪水推求是十分重要工作內(nèi)容，為了計(jì)算出合理的設(shè)計(jì)洪水成果，采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)收集、歷史洪水調(diào)查、參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析等方法，充分考慮了上游田莊水庫及其他小（1）型水庫和塘壩等工程對(duì)跋山水庫洪水的影響，得到不同頻率下的設(shè)計(jì)洪水成果，并對(duì)跋山水庫的洪水調(diào)節(jié)方案進(jìn)行分析，可為類似工程提供參考。