應用水面線法進行雙庫連通調洪演算的實踐

陳吉賢，王金國，張甲芳

（1.山東省濰坊水文水資源勘測局，261031，濰坊；2.山東省濟南水文水資源勘測局，250014，濟南）

山東省墻夼水庫由東西兩庫組成，中間借天然山凹開挖連通溝相連，共用東庫溢洪閘調洪。連通溝的流量及流向受到兩個水庫水位影響，當西庫水位高于東庫水位時，西庫洪水通過連通溝進入東庫；當東庫水位高于西庫時，東庫洪水通過連通溝進入西庫，當兩庫水位低于連通溝底高程時，兩庫各自獨立。針對墻夼水庫既獨立又相互連通的雙庫特點，就如何正確推求兩庫入庫洪水，準確計算兩庫水位，合理調算兩庫水量，從分析調洪演算理論方法入手，給出水面線數(shù)學模型和算法，建立雙庫調洪演算的計算模型，分析確定兩庫不同頻率設計洪水的最高水位，使水庫的設計洪水復核成果更合理，進而更好地發(fā)揮水庫的防洪、灌溉功能，實現(xiàn)水庫的社會效益。

一、墻夼水庫基本情況

墻夼水庫位于濰河上游、山東省諸城市枳溝鎮(zhèn)，1960年8月建成蓄水，是一座以灌溉、防洪為主，兼有發(fā)電、養(yǎng)殖、供水等功能的大型水庫。水庫由既獨立又相互連通的東西兩座水庫組成，控制流域面積656km2。其中東庫攔截濰河上游兩條主要支流高澤河和仲崮河，控制流域面積386 km2；西庫攔截濰河主河道，控制流域面積270 km2。東庫流域長度29.6 km,干流平均坡度0.002 62；西庫流域長度30.1 km，干流平均坡度0.002 2。流域形狀呈雙葉形。地勢東南高，西北低。

墻夼水庫總庫容 3.28億 m3，興利庫容0.85億 m3，死庫容 0.11億 m3，正常蓄水位98.50m。水庫工程防洪標準按百年一遇設計，萬年一遇校核。東、西庫設計洪水位分別為103.02m、103.16m，校核洪水位分別為106.50 m、106.57m。東西兩庫共設東庫溢洪閘1座，遭遇大洪水時，西庫水位高于東庫，洪水通過連通溝進入東庫，由東庫溢洪道泄出。

墻夼水庫所處的濰河流域地處泰沂山北區(qū)，屬溫暖帶半濕潤季風氣候區(qū)，四季分明。流域多年平均年降水量692.3 mm。降水量年內、年際變化較大，年內降水多集中在6—9月，約占年降水量的76%。根據(jù)建庫后1961—2009年降水量資料統(tǒng)計，年降水量1964年最大為1 186.9 mm，1983年最小為427.1 mm，豐枯極值比為2.78。多年平均最大24小時降水量為97.0mm，實測最大24小時降水量為242.5mm，發(fā)生于1974年8月13日。

表1 墻夼（東、西）水庫設計洪水成果

根據(jù)建庫后1961—2009年降雨徑流資料，選擇了較大場次暴雨洪水進行統(tǒng)計分析，表明本流域形成暴雨的主要天氣系統(tǒng)為氣旋、鋒面、臺風及北方冷空氣等。氣旋是本地區(qū)產(chǎn)生暴雨的重要天氣系統(tǒng)之一；臺風是造成本流域特大暴雨洪水的重要原因，如 1974 年“8·13”特大暴雨洪水就是由當年12號臺風所造成的。

墻夼水庫壩址以上河流為山溪性河流，徑流易于集中，入庫洪水過程與降雨變化規(guī)律一致。洪水漲水歷時一般為5～20小時，洪水多呈陡漲陡落；一次洪水持續(xù)時間一般為48～72小時。建庫后，1974年8月13日入庫洪峰流量為3 928 m3/s，次洪總量達 14899萬 m3。

二、設計洪水計算

在水庫調度運行中，當遭遇大洪水情況時，東西庫存在一定水位差，針對墻夼水庫的特殊性，本次以實測流量法對東西兩庫分別進行不用頻率設計洪水計算，據(jù)此用本成果調算出兩庫的最高水位。設計洪水成果見表1。

三、雙庫調洪演算模型

1.雙庫調洪計算理論方法

在雙庫連通的洪水調洪演算中，除了兩座水庫的各項因素之外，還要考慮兩庫連通溝的過流情況。其特點是：兩水庫的容積差別較大，連通溝的過流量受東西兩庫水位差影響較大，故考慮以水量平衡和連通溝動力平衡為主要計算條件；兩個平衡通過兩座水庫的水位互相聯(lián)系著，以連通溝過水流量為耦合項，建立東西庫聯(lián)合調洪輔助曲線。

為簡便計算，合理選用連通溝控制斷面，首先假定連通溝起始流量，以推求連通溝水面線，進而推求以東庫水位為參數(shù)的西庫水位與連通溝過流量的關系曲線。

以此為基礎，將東、西庫水量平衡方程及動力方程變形，從而建立東、西庫連環(huán)調算模型。模型方程略。

2.連通溝過水能力分析

根據(jù)連通溝地形測量資料及實測斷面資料，依據(jù)能量方程，按照50 m間距分段依次布設連通溝控制斷面，再假定連通溝的過流量及東庫水位，采用推求水面線的方法，推求西庫水位，建立一組以東庫水位為參數(shù)的連通溝流量~西庫水位關系曲線，分析出連通溝的過水能力。

根據(jù)上述假定和理論關系，按照墻夼水庫的具體條件和不同泄洪、調度方式的數(shù)學模型，編制出雙庫調洪演算計算機計算模型。通過建立函數(shù)關系，采用試算法求解，利用二分迭代法，求解東、西庫水位和連通溝過水流量。

四、調洪演算成果

1.應用模型調算結果

對不同頻率的設計洪水，根據(jù)上述擬定的水面線法進行調洪演算，從調算成果（表2）看，兩水庫在調洪演算中存在著一定的水位差。經(jīng)過與1976年、1982年兩次調算結果對比，本成果合理、可靠。

2.同以往調算方法對比分析

以往墻夼水庫調洪演算是把兩個水庫當作一個水庫來處理，不考慮連通溝的過流能力，應用東、西庫合并的方法推求最高洪水位，調算出來的東、西水庫水位是一個值，從而使調算出的水位與實際相差較大。應用本水面線法調算模型計算，充分考慮了連通溝的過流能力及其對東、西庫的影響，所調算的庫水位合理、準確。圖1為100年一遇設計洪水，聯(lián)合調算與合并調算水位過程的差異。

五、結 語

根據(jù)山東省墻夼水庫由既獨立又相互連通的東西兩個水庫組成等特點，分析調洪演算理論方法，給出水面線數(shù)學模型和算法，建立雙庫調洪演算的計算模型，改變了以往只能雙庫合并調算計算最高洪水位的情況，實現(xiàn)了東西兩庫聯(lián)合調算，使得調算出的洪水位更合理，更可靠。由此調算的成果，被應用到墻夼水庫大壩安全鑒定設計洪水復核報告中，其洪水復核報告成果已得到了山東省水利廳專家組的一致認可，通過了評審驗收。

表2 墻夼（東、西）水庫調洪演算成果表

[1l鄭文康，劉翰湘.水力學[M].北京：中國水利水電出版社，2007.

[2]楊誠芳.地表水資源與水文分析[M].北京：中國水利水電出版社，1992.