水库洪水复核及调洪演算数值解法研究.pdf

LOW CARBON WORLD 2023/7水库洪水复核及调洪演算数值解法研究熊佩玉袁张旭（荆州市水利水电勘测设计院，湖北 荆州 434020）【摘要】洪水复核及调洪演算具有一定的难度袁需要与水库实际情况相结合袁提高对水库参数的调节作用袁保证调洪控制能够发挥效果遥 基于此袁以罗家山堰水库作为研究对象袁先从洪峰流量尧洪水复核尧设计净雨等方面对水库洪水复核进行分析袁做好洪水参数的分析与验证曰再围绕洪水调度尧调洪演算尧演算成果对调洪演算数值进行解析袁采用水量平衡方程实现调洪计算袁保障调洪控制方法的精准度遥【关键词】洪水复核曰调洪演算曰数值解法【中图分类号】TV122【文献标识码】A【文章编号】2095-2066（2023）07-0139-030 引言水库洪水复核及调洪演算是实现洪灾预防的关键，需要采用合理的演算方式，通过公式及设计暴雨情况进行推导，对水库参数进行合理配置，采用规范化的设计条件，增强洪水设计分析的效果。洪水复核及调洪演算采用 EXCEL 表格进行分析，从而清晰呈现水库参数，方便对水库参数控制与求解进行把关，加大调洪过程的数据整合力度。1 工程概况罗家山堰水库位于公安县黄山头镇马鞍山村，距离中心城区 60 km，水库承雨面积为 0.40 km2。该水库大坝为均质土坝，大坝全长为 225.00 m，面宽为3.0 m，坝顶高程为 48.0 m，最大坝高为 6.2 m。溢洪道为开敞式宽顶堰，堰顶高程为 47.00 m。输水管为预制混凝土圆涵，底板高程为 43.20 m。本次复核后校核洪水位为 47.76 m，设计洪水位为 47.59 m，正常蓄水位为 47.00 m，死水位为 43.20 m，水库总库容为12.19 万 m3，其中兴利库容为 8.08 万 m3。来水区域年均降雨量为 1 200 mm。下游防洪保护区涉及人口400 人，耕地 650 亩，是一座以灌溉为主，兼顾防洪、生态旅游等综合效益的小型水库。水库自建成以来，已运行近 60 年，对促进黄山头镇农业经济的发展和人民生活水平的提高发挥了重要作用。在防洪减灾方面，充分发挥了水库拦洪错峰、调洪削峰的作用，保护了下游 650 亩农田和 400 人的生命财产安全。2 水库水位洪水复核2.1 洪峰流量水库洪水复核过程中，需要考虑洪峰流量的影响，以及暴雨环境下水库的调洪能力，结合实际水位情况展开分析，对水库的调洪效果进行检验。洪峰流量成因较为复杂，受到地面或河床的影响，洪水水位将会急剧增加，一旦未能及时采取泄洪措施，将会超过水库容量的警戒线。设计洪水流量计算公式如下：Q越K伊Fn。（1）式中：Q设计洪水流量，m3/s；K洪水频率变化系数；F流域面积，km2；n洪水频率变化指数。设计洪峰流量还需要结合实际情况进行分析，采用水库库容曲线和水位泄流曲线进行分析，对洪峰流量指标进行判断，增强水库库容的控制效果。2.1.1 水库库容水库库容反映了水库的容量情况，根据分析水位变化情况，便于确定水库库容的整体变化。在此过程中，如果暴雨对水位的影响较大，就需要对水位采取控制措施。当水位变化情况为 4146 m 时，得到对应的水库库容值在 07.87 万 m3，库容平均速度为1.57 万 m3/m，水库容量以近似倾斜直线的方式上升。2.1.2 水位泄洪泄洪量用于描述水库的泄洪能力，判断泄洪中存在的阻碍因素，实现对泄洪过程的精准校验。泄洪量计算公式如下：Q=着mB2g姨H032。（2）式中：Q泄洪量，m3/s；B总净宽，m；H0计入流速水头的堰上总水头，m；m堰流流量系数；着堰流侧收缩系数。如果水库有着较高的泄流效率，且大于水位的积累情况，表明水库能够持续进行泄洪，避免出现水库库容较高的情况，可提高对洪峰流量的抵御作用1。当水位变化情况为 4648 m 时，得到对应库容值在0.01 万13.28 万 m3，库容平均速度为 6.64 万 m3/m，水位泄流具有显著的上升趋势。2.2 洪水复核洪水复核分析是确保调洪演算精度的关键，需要结合水库所处环境的实际情况，操作流程如图 1能源管理139LOW CARBON WORLD 2023/7所示。罗家山堰水库上游地势为山丘，山坡植被良好，水库控制流域范围为 0.4 km2，主河道长度为 0.2 km，河道比降为 5译。洪水复核方法采用图表法，对相关数据进行记录，便于对复核结果进行检验。洪水复核需要对特征水位进行确定，结合水库库容及泄流情况进行分析，根据复核情况对大坝进行加高，保障大坝具有良好的高程。大坝加高需要考虑安全承受要求，对坝顶高程情况展开计算，计算公式如下：y越R垣A。（3）式中：y坝顶高程，m；R最大波浪在坝顶上的爬高，m；A安全加高，m。通过这种方式，可保证大坝具有较高的有效性，基于加高条件进行洪水复核，实现对水库洪水复核结果的实际校验2。2.3 设计点暴雨设计点暴雨根据时段情况进行分析，得出对应的点雨量和面雨量，保证各时段暴雨分析的充分性。选取频段 P越2%的情况研究发现，时段为 1 h 时，点雨量和面雨量分别为 77.23 mm、74.14 mm；时段为6 h 时，点雨量和面雨量分别为 190.02 mm、182.42 mm；时段为 24 h 时，点雨量和面雨量分别为 294.58 mm、282.8 mm。设计点暴雨量需要对递减指数进行分析，在上述条件下，16 h 递减指数为 0.402，624 h 递减指数为 0.651，说明递减指数在一定程度上增加。同时，还需要结合时程雨量情况展开分析，确定时程雨量的占比情况，每隔 30 min 进行一次统一，得到设计点暴雨的雨型情况，增强各时段雨量分布的研究效果，使设计点雨量分析能够发挥作用。2.4 设计净雨设计净雨需要考虑到时程分配情况，确定水量的扣损情况，对各时段净雨数据进行解析。各个时段净雨计算公式如下：Ii越Ri-fc 驻t。（4）式中：Ii为第 i 时段的净雨，mm；Ri第 i 时段的雨量，mm；驻t 取值为 0.5 h；fc雨量稳损，mm。各种频率净雨数据如表 1 所示。在频率 P 为2%、10%情况下对净雨过程展开计算，得到不同时程的雨量、扣损、净雨量情况，从中可以直观地看出雨量的变化情况，得到较为精准的雨量分析参数3。2.5 洪水流量不同时段洪水流量存在差异，需要结合径流情况展开分析，针对洪水流量情况进行设计，发挥出洪水流量控制的作用，基于时段进行洪水设计，使洪水设计指标更加具体化。洪水流量分析结合地表径流、地下径流情况，根据时段情况得到洪水流量，提高洪水流量设计的可靠性。洪水计算需要进行合理性分析，确保设计洪水能够满足水库需求，对不同情况下的水库设计成果进行汇总，结合暴雨资料对设计洪水进行推测，得到较为精准的分析成果。各种频率洪水流量数据如表 2 所示。基于暴雨资料的全面考量，当频率 P越2%时，设计洪峰流量为 9.28 m3/s，洪水总量为 12.4 万 m3；当频率 P=10%时，设计洪峰流量为7.19 m3/s，洪水总量为 10.58 万 m3。图 1 洪水复核操作流程数据的收集、处理洪水场次划分关联降雨过程，构建样本集合产流过程相似性分析汇流过程相似性分析流域洪水响应相似性分析时程雨量扣损雨量扣损净雨量14.500.738.590.967.6224.780.739.120.968.1635.060.739.660.968.7045.970.7310.730.967.1956.820.7311.850.9610.89611.150.7319.390.9618.43721.920.7328.170.9627.21835.770.7346.260.9645.0098.350.7314.530.9613.57105.090.738.080.967.89114.220.738.050.967.09123.940.737.510.966.55移117.578.76181.9411.52186.30P越2%P越10%3.774.054.334.906.0910.4221.1935.477.633.433.493.21107.98净雨量表 1 各种频率净雨数据单位院mmP越2%P越10%地表径流 地下径流地表径流 地下径流 设计洪水10.0000.0160.0000.0120.01221.7520.0220.8670.0160.88332.1170.0281.0510.0211.07242.3360.0331.1630.0251.18852.6330.0391.3180.0291.34762.9420.0441.6190.0341.65274.7270.0502.6620.0382.69987.0030.0565.2900.0425.332911.4540.0618.8630.0468.910104.9160.0673.1330.0513.183112.8390.0721.7000.0551.756122.2360.0781.1850.0591.245移44.9550.56628.8510.42829.279设计洪水0.0161.7742.1452.3692.6722.9874.7777.05911.5154.9832.9122.31445.523时段表 2 各种频率洪水流量数据单位院m3/s能源管理140LOW CARBON WORLD 2023/72.6 施工期洪水及水库水位洪水复核是实现除险加固的重要手段，有助于提高大坝洪水治理的效率，将坝体加高至适宜高度，保证大坝能够更好地投入使用，降低水库治理中存在的风险。原大坝的填筑质量较差，存在围堰顶高不足的情况，需要重新对坝顶高度进行规划，对坝体进行加高处理，提高水库的完全泄洪能力。水位控制是保证安全泄洪的关键，需要做好施工期的复核工作，针对水库水位采取应对措施。水库洪水复核需要结合水库水位实际情况，综合设计洪水情况进行，确保洪水复核能够发挥效果，避免水库水位对工程造成影响。施工期洪水按照 5 年一遇洪水进行设计，降水量为 120 mm，按照净流系数0.4 计算，总水量为 1.92 万 m3。施工期需要对水坝高程进行控制，考虑到超高和浪爬的影响，施工期洪水水位取 44.20 m，将施工围堰顶高确定为45.00 m。通过这种方式，实现了水库水位的精准评估，降低不同时段洪水流量的影响，提高洪水负荷结果的准确性4。3 水库调洪演算数值解法3.1 洪水调度水库调洪演算前需要做好洪水调度工作，基于调度原则展开控制，具体原则要求如下：淤局部服从整体原则。结合整体情况展开局部调度设计，确保局部控制能够照顾到全局，降低对整体控制效果的影响，明确整体与局部的服从条件。于防洪兼顾兴利原则。防洪控制需要与水利工程结合起来，既要将洪水灾害的影响降至最低，又要兼顾水利工程的利用，将水库用于灌溉、发电等民生项目，避免洪水调度过程影响到兴利条件。水库调洪演算应考虑到上述条件，保证调洪演算能够符合实际情况，提高洪水调洪控制的效率。罗家山堰水库溢洪道堰顶高程为47.00 m，堰顶宽 5.0 m，正常蓄水位为 46.00 m，行进流速为 0.50 m/s。溢洪道无闸门控制，并且为自由泄流方式。3.2 调洪演算调洪演算是保证水库水量平衡的关键，变量参数包括入库流量、出库流量、计算时段、水库容积，演算核心在于掌握变量之间的平衡关系，通过理论公式进行检验，使调洪演算方法能够发挥效果。调洪演算计算时段为时段初到时段末，采用水库水量平衡方程进行调洪计算，计算公式如下：Q1+Q22驻t-q1+q22驻t=V2-V1。（5）式中：Q1时段初的入库流量，m3/s；Q2时段末的入库流量，m3/s；q1时段初的出库流量，m3/s；q2时段末的出库流量，m3/s；驻tt1到 t2的计算时段，s；V1时段初的水库容积，万 m3；V2时段末的水库容积，万 m3。调洪演算利用 Excel 规划求解工具，对参数具有良好的拟合作用，在表格中对参数进行修改，通过公式编辑得到对应演算结果，便于对调洪过程进行操作5。3.3 演算成果水库调洪演算涉及变量众多，在不同频率下，需要保证起调水位不变，将起调水位设置为 46.00 m，保证调洪演算在相同的条件下。水库调洪演算成果情况如表 3 所示，通过频率 P越2%时校验 P越10%时的结果，判断不同变量参数得到的偏差，得到演算结果的精度情况。从表 3 数据可以看出，不同频率下的参数变量相差不大，通过校验可使结果更加精准，提高校验分析方法的有效性，增强变量参数的验收效果。4 结语水库洪水复核及调洪演算需要采用合理化的分析方式，在解法上适合采用 EXCEL 图表构建数值解法，提高对参数数值的把控能力，确保参数能够得到合理应用，保障调洪演算结果满足精度要求。洪水复核及调洪演算分别在频率 2%和 10%的情况下构建解法，在求解结果上可起到检验作用，实现对演算方法的准确应用，使计算结果能够得到有效呈现，保障调洪演算过程顺利推进。参考文献1 高仁杰，左冬，范立柱.高州水库大坝安全鉴定洪水复核计算分析J.东北水利水电，2022，40（11）：59-62.2 陈刚.努尔加水库洪水泄流能力及大坝安全性复核J.水利科学与寒区工程，2021，4（4）：150-153.3 王海强，张甲栋，贾云龙.扶风县蔡刘水库设计洪水复核计算浅析J.陕西水利，2021（10）：79-83.4 柴扬.托克逊县阿拉沟水库下游段河道洪水复核分析计算J.水利科技与经济，2022，28（2）：44-48.5 代超，施文俊，郑红.俄垤水库除险加固工程设计洪水和防洪安全复核分析J.陕西水利，2022（2）：53-55.作者简介院熊佩玉（1991），女，汉族，湖北天门人，本科，工程师，主要从事水利工程设计工作。项目名称洪峰流量/（m3 s-1）8.8711.38下泄流量/（m3 s-1）4.525.31最高洪水位/m46.9647.07相应库容/m311.5411.81起调水位/m46.0046.00备注设计校核P越10%P越2%表 3 水库调洪演算成果情况能源管理141