青山水库枢纽防洪限制水位方案比选及其防洪调度研究

张立明

青山水库枢纽防洪限制水位方案比选及其防洪调度研究

张立明

（辽宁省葫芦岛水文局，辽宁 葫芦岛 125000）

青山水库作为葫芦岛市供水和防洪的重要基础工程，对地区流域的水环境平衡和稳定至关重要。文章结合六股河流域青山水库实际水文环境，制定并必选了不同的防洪限制水位方案，通过天然径流量、回归水量、水库调节系数等20项指标分析了水库的防洪限制水位，通过对三个方案供水量、投资、经济比较成果等综合分析，确定青山水库防洪限制水位。针对青山水库防洪要求对其洪水调节进行了计算，绘制青山水库洪水调节过程，并取得了良好的洪水调度效果。研究成果能够为类似水库工程防洪调度提供借鉴和指导。

青山水库枢纽；防洪限制水位；比选方案；防洪调度

水库防洪是对洪水灾害及时控制、实时掌握的重要手段之一，也是水利工程安全的前提和保证。通过对流域内的天然径流进行调节，及时存储、合理利用流域水资源，也是流域内实现抗旱、保证水资源合理、科学利用的关键［1］。而水库防洪调度则是在此基础上，保证水库工程安全和下游防洪安全的重要保证。结合实际条件、上下游防洪要求、自然状况、水文地质及其先进的科学技术，拟定切实可行的防洪方案，以实现兴利蓄水、合理开发、科学利用的目的［2］。

防洪调度最大的问题便是确定防洪限制水位，众多专家和学者对此进行了大量的研究。通过蓄水闸门进行水库洪水调度是目前较为常见的一种方式，研究洪水流量对闸门启闭设备的影响，对防洪检修闸门小流量调度运行的可行性方案进行研究同样至关重要，文献［3］通过石佛寺水库实际调度验证了方案的可行性和有效性。防洪限制水位的调整和确定是防洪调度的重要手段，LUODonglan，王文凯，余春华，雷洪，管益平［4-7］等分别对水库的防洪限制水位的调整方案进行了研究，提出了不同的防洪限制水位的确定方法，对防洪水位的确定具有重要的指导意义。水库防洪的方法、指标也是影响水库防洪效果的重要因素，因此，构建多目标风险模型［8］， 分析水 库 水 文 要 素 特征［9］， 研 究 水 库 防洪控制计划指标［10］，采用科学合理的计算方法对水库防洪进行量化具有重要的理论价值。此外，王冶志［11］， 周玉华［12］， 代荣霞［13］等也对水库防洪调度进行了研究，并取得了丰硕的研究成果。

本文针对青山水库防洪限制水位情况展开深入研究，对水位确定的各种方案进行了比选，并通过对青山水库进行防洪调度及其相关计算，取得了较好的调度效果。

1 青山水库防洪限制水位确方案比选

根据《水利工程水利计算规范》（SL104-95），水库防洪限制水位选定在设计枯水年汛后正常用水条件不受影响时［14］。本次对青山水库正常蓄水位85.7m时，防洪限制水位分别拟定84.5m、85.0m和85.7m三个方案在径流调节计算、回水计算两方面进行对比分析。

1.1 径流调节计算

根据多年径流调节计算可知，防洪限制水位为84.5m时，多年平均向葫芦岛市供水水量为5544.0万m3，比防洪限制水位85.7m方案供水量减少635.2万m3；防洪限制水位85.0m时，多年平均向葫芦岛市供水量为5790.0万m3，比防洪限制水位85.7m方案供水量减少389.2万m3；防洪限制水位为85.7m时，多年平均向葫芦岛市供水量为6179.2万m3。青山水库不同防洪限制水位方案水库径流调节计算成果见表1。

表1 青山水库不同防洪限制水位方案水库径流调节计算成果表

根据上述计算成果，若考虑降低防洪限制水位，向葫芦岛市供水量将减少。主要是六股河流域年径流特点造成的，年内分配不均匀、来水主要集中在汛期（7～9月上旬），多年平均来水量15227.9万m3，占年径流量的76%，汛后来水量较少，多年平均为1780万m3，特别是枯水年份汛后来水量更少，若降低水库防洪限制水位，会影响水库正常供水。

通过对以上20个项目进行研究，从多年平均供给下游环境水量、净节水量、水库弃水量等进行对比分析可知：青山水库防洪限制水位可以确定为85.7m。

1.2 洪水调节回水计算

通过对三个方案分别进行了工程投资和移民投资计算，防洪限制水位84.5m、85m和85.7m方案的工程总投资分别为184196.6万元、184411.6万元、185193.5万元。经经济分析比较，汛限84.5m方案与85m方案比较，差额内部收益率为45.81%，汛限85m方案与85.7m方案比较，差额内部收益率为26.88%，因此，汛限85.7m方案优于其他两个汛限水位方案。各防洪限制水位方案经济比较指标见表2。根据三个方案供水量、投资、经济比较成果等综合分析，确定青山水库防洪限制水位为85.7m。

表2 青山水库不同防洪限制水位方案比较表

2 青山水库洪水调节计算

2.1 全区防洪要求及水库运用方式

2.1.1 全区防洪要求

根据《辽宁省葫芦岛市六股河流域规划报告》及其批复，六股河流域由青山水库与堤防共同承担水库下游的防洪任务。青山水库建设前，由堤防承担流域的防洪任务：绥中县城的防洪标准30年一遇，水库以下农田达到10年一遇洪水标准；青山水库建成后将绥中县城防洪标准由30年一遇提高到50年一遇，青山水库以下两岸农田防洪标准由10年一遇提高到20年一遇。

水库以下两岸堤防10年一遇安全泄量为5020m3/s；绥中县城防洪堤进行了整修，根据《六股河绥中县城区段堤防提标工程初步设计报告》，防洪标准为30年一遇，安全泄量为8700m3/s［15］。

2.1.2 水库控制和调度运用原则和方式

（1）运用原则

水库洪水调度方式既要满足下游防洪要求，又要保证大坝的安全，使水库调度方式安全可靠；水库放流以入库流量作为判别条件，分级控制水库下泄流量；青山水库在满足下游防洪要求时尽量放流，但水库最大下泄流量不应超过最大入库流量。

（2）运用方式

根据可研审查意见，初设阶段在遵循水库防洪调度原则基础上，对水库防洪调度运用方式进行了复核，复核后水库防洪调度运用方式见表3。

表3 防洪调度运用方式

根据可研审查意见，初设阶段对水库泄流设施的泄洪能力进行了方案比较，各方案综合比较了工程投资、淹没投资，经分析溢流堰堰顶高程76m、总净宽57.5m时，工程总投资最少，因此，初设阶段确定溢流堰顶高程76m、净宽57.5m。

2.2 地区洪水调节计算成果

采用上述6个典型洪水成果、按水库控制运用条件及青山水库防洪调度运用方式，对不同正常蓄水位方案进行地区洪水调节计算。经计算：

频率P=5%时，水库水位86.6频率8m，相应库容3.56亿m3，频率P=2%时，水库防洪高水位为87.92m，相应库容3.94亿m3。绥中控制断面的组合流量详见表4。

表4 绥中站洪水组合流量成果表

3 枢纽洪水调节成果

采用地区洪水调节计算确定的水库调度运行规则，分别进行各正常蓄水位方案的水库枢纽洪水调节计算。根据青山水库枢纽洪水调节计算成果，水库设计洪水位为91.80m，相应库容5.24亿m3，校核水位为95.40m，相应库容6.61亿m3。不同防洪限制水位方案洪水条件计算成果详见表5。由于所取数据较多，因此在此绘制了P=5%、P=2%、P=0.2%、P=0.02%的水库洪水调节过程示意图，见图1、图2、图3、图4。

表5 水库枢纽洪水调节计算成果表

通过以上图表，在防洪限制水位为85.7m条件下，水库枢纽的最大洪峰量和最大泄量与调节频率成反比关系。当频率P=0.02时，最大洪峰达到2.01×103m/s，而当频率P=20时，最大洪峰仅为1.38×103m/s，变化幅度较大，频率P=2时，最大洪峰仅为6.57×103m/s，最大洪峰值仍小于平均值。因此，通过数据处理分析可知，水库枢纽的调节频率与最大洪峰成反比，并近似呈现倒数关系。此外，有上表5可知，最大洪量和最高水位与频率P也渐成反比关系，随着频率的逐渐增大，最大泄量、最高水位和最大库容逐渐减小，最高水位和最大库容减小幅度较小。

图1 青山水库（P=5%）洪水调节过程线图

图2 青山水库库（P=2%）洪水调节过程线图

图3 青山水库库（P=0.2%）洪水调节过程线图

图4 青山水库库（P=0.02%）洪水调节过程线图

综上可知，青山水库防洪限制水位为85.7m，通过对图1至图4分析可知，在P=5%、P=2%、P=0.2%和P=0.02%条件下，随着入库洪水峰值的提高，频率越大，出库洪水量越大，表现为出库洪水过程线逐渐增高，这说明频率P对洪水的调节起到重要作用。此外，随着入库洪量的增多，出库洪水过程线出现陡降的时间逐渐延长，这主要是因为洪水调节百分数的减少导致每一次的时间增长，当P=0.02%时，出库洪水达到基本保持平衡时的时间接近60h，洪水调节量最大值达到1.3×104m3/s，效果较为显著。这说明洪水调节方案和防洪限制水位方案较为合理。

经过统计计算可知：六股河流域2020年设计水平年青山水库建成后，流域内总需水量为13420万m3，其中地表水总需水量为13332万 m3，沿海平原区地下水需水量为88.0万m3，地表水资源开发利用程度为42.13%，通过防洪限制水位调节过程显著，基本能够满足六股河流域青山水库调水要求。

4 结语

青山水库是葫芦岛市六股河流域的关键一环，对葫芦岛市的供水、防洪具有重要作用，同时也为六股河流域的水环境平衡和稳定具有重要影响。本文针对青山水库实际水文情况和环境，对不同防洪限制水位方案进行比选，通过天然径流量、回归水量、水库调节系数等20项指标对水库的防洪限制水位进行了分析，通过对三个方案供水量、投资、经济比较成果等综合分析，确定青山水库防洪限制水位为85.7m。针对青山水库防洪要求对其洪水调节进行了计算，绘制了 P=5%、P=2%、P=0.2%、P=0.02%的水库洪水调节过程示意图，并取得了良好的洪水调度效果。目前，青山水库防洪工作已经完全展开，随着水库工程的防洪加固等建设工程的完善，对水库防洪调度的研究将会更加深入。

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TV697.13

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1008-1305（2017）05-0065-04

10.3969/j.issn.1008-1305.2017.05.022

2017-04-11

张立明（1977年—），男，高级工程师。