黃山市B 水庫(kù)特征水位選取探討

戎文杰，干家欣，李 鐵

（淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,江蘇 淮安 223001）

1 引言

水庫(kù)特征水位,是體現(xiàn)水庫(kù)樞紐利用水資源具體要求的指標(biāo),也是確定水庫(kù)建筑物安全運(yùn)行程度、運(yùn)行效益等的主要依據(jù)[1-3]。黃山市B 水庫(kù)是一座以供水為主要功能任務(wù)的水庫(kù),是祁門縣縣城供水應(yīng)急備用水源,其特征水位的確定不僅決定了區(qū)域內(nèi)百姓的用水安全,而且對(duì)下游河道防洪也發(fā)揮著重要作用。

2 工程概況

B 水庫(kù)樞紐工程處于安徽省黃山市祁門縣祁山鎮(zhèn)沙溪村境內(nèi),壩址位于大洪水支流平溪河支溪上,水庫(kù)控制流域面積2.55 km2,主流長(zhǎng)2.83 km,是一座以供水為主的水庫(kù)。設(shè)計(jì)供水保證率不小于95%, 近期受益人口約6.0 萬(wàn)人, 遠(yuǎn)期（2030 年）受益人口約10.0 萬(wàn)人。壩型為混凝土重力壩,水庫(kù)總庫(kù)容280.40 萬(wàn)m3,上下游最大水頭差30.70 m。水庫(kù)距自然水廠管道入口約8 km,之間存在約30 m 水頭差。根據(jù)國(guó)家《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50201-2014）所規(guī)定的分等、分級(jí)指標(biāo),B 水庫(kù)屬小（1）型水庫(kù),工程等別為Ⅳ等,主要建筑物為4 級(jí),次要建筑物等級(jí)為5 級(jí),設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期為30 年一遇,校核洪水重現(xiàn)期為200 年一遇。

3 基礎(chǔ)參數(shù)計(jì)算

3.1 水庫(kù)庫(kù)容特性曲線

B 水庫(kù)水位相應(yīng)的面積與庫(kù)容用1∶1000 地形圖量算,水庫(kù)水位～面積～庫(kù)容曲線表見(jiàn)表1。

表1 B 水庫(kù)水位～面積～庫(kù)容曲線表

3.2 水庫(kù)下泄流量曲線

溢洪道采用開(kāi)敞式結(jié)構(gòu),堰型為實(shí)用堰。堰面采用WES冪曲線,冪曲線公式：

式中：x、y 為以堰頂為原點(diǎn)的坐標(biāo),m；Hd為堰面曲線定型設(shè)計(jì)水頭,m。

溢洪道下泄能力按照《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253-2018）實(shí)用堰公式計(jì)算,公式如下：

式中：Q 為流量,m3/s；c 為上游堰面影響坡度修正系數(shù),取0.988；m 為流量系數(shù),取0.501；ε為側(cè)收縮系數(shù),取0.952；σs為淹沒(méi)系數(shù),取1.0；B 為實(shí)用堰總凈寬,10 m；H0為計(jì)入行近流速的堰上總水頭,m。

根據(jù)計(jì)算,水庫(kù)水位流量關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。

圖1 水庫(kù)下泄流量曲線圖

3.3 設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線

B 水庫(kù)匯水面積較小,源短流急,因此設(shè)計(jì)暴雨根據(jù)短歷時(shí)暴雨進(jìn)行計(jì)算。由于壩址處無(wú)實(shí)測(cè)資料,根據(jù)聯(lián)楓站實(shí)測(cè)最大l h、24 h 降雨資料繪制P-Ⅲ頻率曲線,得到30 年與200 年一遇最大1 h 和最大24 h 設(shè)計(jì)暴雨（點(diǎn)面折算系數(shù)取1）,具體結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 最大1h 和最大24h 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算表

根據(jù)《安徽省暴雨參數(shù)等值線圖》,并采用瞬時(shí)單位線法進(jìn)行洪水過(guò)程計(jì)算。工程位置屬皖南山丘區(qū),30 年一遇24 h面凈雨量扣損70 mm,200 年一遇24 h 面凈雨量扣損50 mm。根據(jù)流域特征值F=2.55 km2,J=20.36,單位線參數(shù)m1=nk,查“皖南地區(qū)k 值查算表”得到不同設(shè)計(jì)頻率的單位線參數(shù),結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 單位線參數(shù)計(jì)算表

經(jīng)查表計(jì)算,得到不同頻率洪水設(shè)計(jì)入庫(kù)流量過(guò)程,根據(jù)流域特征,洪峰修正系數(shù)取0.91,結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 30 年一遇與200 年一遇洪水入庫(kù)流量過(guò)程線圖

4 特征水位選取

4.1 死水位選取

水庫(kù)死水位確定與輸沙量密切相關(guān),由于工程所在地?zé)o泥沙實(shí)測(cè)資料,淤沙量設(shè)計(jì)參照長(zhǎng)江流域規(guī)劃辦公室水文處（現(xiàn)稱“長(zhǎng)江水利委員會(huì)”）編寫的《水利工程實(shí)用水文水利計(jì)算》（1980 年）中推薦公式計(jì)算,即采用多年平均庫(kù)容淤損率v來(lái)確定水庫(kù)淤積量,其計(jì)算公式如下：

式中：WT 為水庫(kù)蓄水T 年的總淤積量,m3；V 為水庫(kù)的總庫(kù)容,m3；T 為水庫(kù)的蓄水年數(shù),按50 年和20 年計(jì)算；v為水庫(kù)多年平均淤損率；G 為流域年平均侵蝕模數(shù),t/km2, 取200 t/km2；r 為淤沙容重,1.3 t/m3；F 為水庫(kù)控制面積,km2。

經(jīng)計(jì)算,水庫(kù)50 年泥沙淤積總量約為1.97 萬(wàn)m3,20 年泥沙淤積總量約為0.79 萬(wàn)m3。水庫(kù)死庫(kù)容須不小于泥沙淤積總量,考慮到泥沙淤積總量作為公式計(jì)算值,其結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比具有一定的局限性,故在確定死庫(kù)容時(shí)宜考慮一定的擴(kuò)大系數(shù),以保證水庫(kù)的正常運(yùn)行。此外,對(duì)于同一正常蓄水位,當(dāng)水庫(kù)死水位逐漸抬高時(shí),死庫(kù)容隨之增大,興利庫(kù)容有所減少,B 水庫(kù)為應(yīng)急備用水源,保持一定的興利庫(kù)容是十分必要的,故死水位不宜太高。因此綜合考慮,最終確定水庫(kù)死水位（放空涵洞底孔底高程）145.00 m,死庫(kù)容3.87 萬(wàn)m3。

為保證緊急狀況下B 水庫(kù)能夠穩(wěn)定供水,供水口高程確定首先應(yīng)滿足高于死水位的要求,其次為了提高飲用水量,進(jìn)水口宜取低,故綜合考慮飲水量和飲用水水質(zhì)等因素,最終確定供水取水口底高程150.00 m,相應(yīng)庫(kù)容15.89 萬(wàn)m3。

4.2 正常蓄水位選取

B 水庫(kù)建成后供水方式為：現(xiàn)有水源地一旦發(fā)生緊急情況,切斷現(xiàn)有水源供水方式,改采用B 水庫(kù)作為水源供水。據(jù)《祁門縣縣城給水工程專業(yè)規(guī)劃（2014～2030）》,祁門自來(lái)水廠近期日均供水量1.5 萬(wàn)m3,最大日供水量2 萬(wàn)m3,遠(yuǎn)期（2030 年）最大日供水量3 萬(wàn)m3。應(yīng)急備用水源供水啟動(dòng)分以下2 種情況：（1）現(xiàn)有閶江供水水源發(fā)生緊急事件,啟動(dòng)應(yīng)急備用水源供水周期按30 天考慮；（2）干旱年份啟動(dòng)應(yīng)急備用水源供水周期按75 天考慮。為保證B 水庫(kù)在任何情況下都能滿足供水條件,設(shè)計(jì)應(yīng)急供水調(diào)節(jié)周期按最不利情況考慮,即應(yīng)急供水周期按75 天計(jì)。因此,緊急狀態(tài)時(shí)近期需水量150 萬(wàn)m3,遠(yuǎn)期需水量225 萬(wàn)m3。

正常蓄水位選取主要與所需庫(kù)容大小有關(guān),所需庫(kù)容根據(jù)水庫(kù)所承擔(dān)的興利任務(wù)確定。B 水庫(kù)的開(kāi)發(fā)目標(biāo)及主要任務(wù)是應(yīng)急供水,其興利庫(kù)容主要由應(yīng)急供水任務(wù)確定。供水取水口底高程為150.00 m,相應(yīng)庫(kù)容15.89 萬(wàn)m3。因此,B 水庫(kù)作為應(yīng)急備用水源,為保證近期應(yīng)急供水可供水量不少于150 萬(wàn)m3,遠(yuǎn)期應(yīng)急供水可供水量不少于225 萬(wàn)m3,近期水庫(kù)正常蓄水位相應(yīng)庫(kù)容不宜小于165.89 萬(wàn)m3（相應(yīng)水位不應(yīng)低于165.88 m）,遠(yuǎn)期正常蓄水位相應(yīng)庫(kù)容不宜小于240.89 萬(wàn)m3（相應(yīng)水位不應(yīng)低于169.92 m）。從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮,隨著社會(huì)發(fā)展,為滿足生產(chǎn)生活用水需求量不斷加大的要求,正常蓄水位在條件允許的情況下宜取大,同時(shí)結(jié)合壩址處地形、地質(zhì)等實(shí)際狀況,水庫(kù)正常蓄水位取170.50 m。

4.3 調(diào)洪演算

B 水庫(kù)主要功能為保證供水安全,其防洪功能為次要功能,故該工程未設(shè)置汛期限制水位,其開(kāi)敞式溢流堰頂高程即為正常蓄水位。當(dāng)蓄水超過(guò)正常蓄水位時(shí),上游來(lái)水通過(guò)溢流堰自由下泄,同時(shí)通過(guò)水庫(kù)滯洪庫(kù)容削減洪峰流量,直至來(lái)水流量等于下泄流量,水庫(kù)水位將達(dá)到最大值,之后經(jīng)過(guò)溢洪道泄洪,庫(kù)水位將逐漸回落至正常蓄水位。這一洪水過(guò)程對(duì)水庫(kù)水位產(chǎn)生的影響通常采用調(diào)洪演算進(jìn)行分析。

水庫(kù)調(diào)洪演算的基本原理是水量平衡,即水庫(kù)的入庫(kù)流量過(guò)程線與經(jīng)過(guò)水庫(kù)調(diào)蓄后的出庫(kù)流量過(guò)程線之間的關(guān)系,可用水量平衡方程式來(lái)表示,即：

式中：Q1、Q2為時(shí)段初、末的入庫(kù)流量,m3/s；q1、q2為時(shí)段初、末的出庫(kù)流量,m3/s；V1、V2為時(shí)段初、末的水庫(kù)蓄水量,萬(wàn)m3；Δ t 為計(jì)算時(shí)段,1 h。

經(jīng)過(guò)計(jì)算,水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)成果見(jiàn)圖3。

圖3 30 年一遇與200 年一遇調(diào)洪演算成果

根據(jù)調(diào)洪演算結(jié)果可以看出,B 水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位為171.3 m,最大下泄流量16.0 m3/s；校核洪水位為171.7 m,最大下泄流量27.6 m3/s。水庫(kù)設(shè)計(jì)壩頂高程172.3 m,高于校核洪水位,當(dāng)流域發(fā)生校核洪水時(shí),水庫(kù)安全。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,B 水庫(kù)特征水位的選擇涉及到泥沙淤積分析、供水量計(jì)算與調(diào)洪演算等。由于B 水庫(kù)的主要功能任務(wù)為供水,在確定特征水位過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)分析正常蓄水位,以保證水庫(kù)在緊急情況下能夠提供足夠的安全用水,其次通過(guò)調(diào)洪演算合理確定水庫(kù)的設(shè)計(jì)與校核洪水位,為流域防洪調(diào)度、洪水預(yù)警提供重要依據(jù),并為洪水量級(jí)以及水庫(kù)防洪能力評(píng)價(jià)提供重要參考。