水文水資源管理在水利工程中的應(yīng)用

摘要：近年來，我國相繼修建了大量的水利工程，但在嚴(yán)峻的水污染與水資源短缺形勢下，只有基于水文水資源管理才能確保水利工程安全建設(shè)與功能發(fā)揮。對此，筆者基于對水文水資源管理內(nèi)涵的理解，分析了其在水利工程中的應(yīng)用要點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)例作了具體探討，希望對深化水文水資源的應(yīng)用以及提升水利工程綜合效益有所幫助。

關(guān)鍵詞：水文水資源管理;水利工程;水位;應(yīng)用

Application of Hydrology and Water Resources Management in Water Conservancy Project

Jing Zhao*

Jinan Xingjiadu Yellow River Diversion Irrigation Management Office， Shandong 250200， China

Abstract： In recent years， a large number of water conservancy projects have been successivelybuilt in China. However， under the severe water pollution and water shortage situation， only hydrological and water resources management can ensure the safety construction and function of water conservancy projects. In this regard， based on the understanding of the connotation of hydrology and water resources management， the author analyzes its application points in water conservancy projects， and makes specific discussions with examples， hoping to help deepen the application of hydrology and water resources and improve the comprehensive benefits of water conservancy projects.

Keywords： Hydrology and water resources management; water conservancy project; water level; application

一、前言

在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)文明建設(shè)中，社會(huì)對水利工程的要求越來越高，加之水資源分布不均、污染嚴(yán)重，所以不僅要強(qiáng)化水文水資源管理，更要以此為基礎(chǔ)獲取精準(zhǔn)的信息，為水利工程提供科學(xué)可靠的參考數(shù)據(jù)。這就需要我們充分挖掘水文水資源的功能，使其更好的服務(wù)于水利工程建設(shè)。

二、水文水資源管理概述

水文水資源管理涉及了諸多學(xué)科知識(shí)，如水力學(xué)、水文地質(zhì)與工程地質(zhì)、水資源評價(jià)、地下水水文學(xué)、水文信息處理、水文統(tǒng)計(jì)與分析計(jì)算、水環(huán)境規(guī)劃與管理、水資源開發(fā)利用以及工程測量等。經(jīng)過不斷發(fā)展，融合了3S等先進(jìn)技術(shù)的水文水資源管理可以為我們提供更為全面、真實(shí)、準(zhǔn)確的水文信息，進(jìn)而促進(jìn)管理工作有序開展。如面對日益嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害、水土流失、資源短缺以及水污染等問題，某地有效整合了水系統(tǒng)的關(guān)鍵信息，構(gòu)建了集信息化、智能化、集成化于一體的水文水資源“一張圖”管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了在線查詢、業(yè)務(wù)管理、水雨情監(jiān)控、輔助決策功能模塊（見圖1），不僅實(shí)現(xiàn)了對水文水資源的科學(xué)管理，還基于統(tǒng)一規(guī)劃和調(diào)度為優(yōu)化資源配置、抗旱調(diào)度、洪水預(yù)報(bào)等應(yīng)急決策提供了信息參考和技術(shù)支撐[1]。足以見得，水文水資源管理具有不容忽視的實(shí)用價(jià)值。

之所以在水利工程中強(qiáng)調(diào)水文水資源管理的應(yīng)用，是因?yàn)樗こ痰某霭l(fā)點(diǎn)是消除水害并合理開發(fā)利用水資源，有著防洪灌溉、供水發(fā)電等多個(gè)服務(wù)目標(biāo)，因而需要大量可靠的水文數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)制定方案。而水文水資源管理能夠長時(shí)間記錄所在地區(qū)的地形特點(diǎn)、水庫資料、河流特征、集水面積、水質(zhì)、地下水位、降水規(guī)律等基本信息，并可根據(jù)實(shí)際變化更新、補(bǔ)充數(shù)據(jù)，為水利工程可行性、建設(shè)規(guī)模、作用任務(wù)、選址征地、樞紐布置、壩型、材料等一系列的設(shè)計(jì)工作提供有力的信息支持，進(jìn)而確保水利工程規(guī)劃合理、設(shè)計(jì)科學(xué)、施工安全、運(yùn)營高效。故水文水資源管理是開展水利工作的基礎(chǔ)和條件，在水利工程中應(yīng)用水文水資源管理是其必然選擇，二者關(guān)系密切，不可分割。

圖1 水文水資源“一張圖”管理系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)

三、水文水資源管理在水利工程中的應(yīng)用要點(diǎn)

水利工程質(zhì)量的高低事關(guān)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，而水文水資源管理作為水利工程的基礎(chǔ)，在實(shí)際應(yīng)用過程中必須了解水利工程的性質(zhì)和任務(wù)，確保所提供的資料和數(shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確。唯有如此，才能促進(jìn)兩者的共同發(fā)展。下面筆者就水文水資源管理在水利工程中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

（一）采集整合信息是前提

水利工程無論是設(shè)計(jì)階段還是施工階段，均需要認(rèn)真搜集相關(guān)信息，如以往的水庫設(shè)計(jì)方案、登記信息、加固記錄、安全鑒定等內(nèi)容，并結(jié)合地形圖、地理環(huán)境對比分析資料數(shù)據(jù)，以便初步掌握主河道特征、集水面積、斷面特征、流域降水量與蒸發(fā)量等信息[2]。但是多數(shù)水利工程處于偏遠(yuǎn)區(qū)域，日積月累下可能會(huì)使地形圖出現(xiàn)一定的偏差。即使加固后的水庫參數(shù)變化小，如原水位、庫容、面積等數(shù)據(jù)，但在長時(shí)間運(yùn)行和多種因素的影響下也可能有所變化，甚至弱化水利工程防洪抗旱的能力。所以為保險(xiǎn)起見，應(yīng)在收集、整合水文水資源信息的同時(shí)有必要進(jìn)行實(shí)地勘測。

（二）現(xiàn)場實(shí)際勘測是條件

要想充分發(fā)揮水文水資源管理的作用，推動(dòng)水利工程建設(shè)有序的開展，現(xiàn)場勘測是不可或缺的一環(huán)。一來可為水利工程是否必須建設(shè)及其可行性的判斷增加論據(jù)，并對后續(xù)發(fā)展規(guī)劃、方案優(yōu)化提供支持;二來則有利于水文水資源的豐富和更新，使其更加完整準(zhǔn)確。因此要在水庫引水、進(jìn)水、梯度調(diào)水等環(huán)節(jié)科學(xué)勘測渠道參數(shù)，了解材料特點(diǎn)、閘門控制等內(nèi)容。同時(shí)結(jié)合水利工程文字、圖片、視頻等資料分析加固情況，尤其是水位上漲周期、流量變化等數(shù)據(jù)，當(dāng)然泄洪閘門材料、高度與孔數(shù)、底板高程等也應(yīng)納入勘測范圍[3]。待勘測結(jié)束后根據(jù)實(shí)際需要?jiǎng)澐炙乃Y源管理工作，重視不同部門之間的協(xié)調(diào)與合作，為后續(xù)工作的展開提供良好的保障。

（三）確定不同水位是關(guān)鍵

水利工程不僅涉面廣、工期長，而且需要考慮多個(gè)因素，如其中的水庫工程要想在不同水文情況和不同時(shí)期內(nèi)發(fā)揮功效，就必須對其各種庫容及其水位進(jìn)行合理的確定（圖2為水庫特征水位以及相應(yīng)庫容示意圖）[4]。如針對洪水因素，需要基于觀測站得到洪水持續(xù)時(shí)間、過程峰型、年最大洪峰出現(xiàn)時(shí)間等水文數(shù)據(jù)，科學(xué)評定工程的抗洪能力，結(jié)合水庫蓄水量、上下游水位差等情況優(yōu)化防洪方案。針對水庫的蓄水位、死水位參數(shù)，一般情況下沒有必要調(diào)整，但若為重要地段或庫容達(dá)不到使用要求則要上報(bào)審批后予以調(diào)整，以此強(qiáng)化防洪效果，若處于農(nóng)田灌溉高峰期可適當(dāng)增加引水量并提高運(yùn)行水位，但無論出于何種情況需要對水位進(jìn)行調(diào)整，都要經(jīng)過多次研究和科學(xué)論證。

圖2 水庫特征水位以及相應(yīng)庫容示意圖

（四）計(jì)算分析結(jié)果要合理

經(jīng)由水文水資源管理獲得的結(jié)果，還應(yīng)進(jìn)一步研究分析，尤其是蓄水位、死水位等參數(shù)。如果在對比工程圖紙和材料后發(fā)現(xiàn)差異較大，未免出現(xiàn)錯(cuò)誤最好予以重新評估。至于水利工程設(shè)計(jì)水平可通過水位設(shè)置來反映，并注意研究壩頂高度計(jì)算，判斷有無漫頂風(fēng)險(xiǎn)，確定不存在缺陷的情況下，按照圖紙嚴(yán)格施工，期間若需修改修正，必須嚴(yán)謹(jǐn)分析保證有理有據(jù)。這樣的話，水文水資源管理的作用才能得以彰顯，進(jìn)而順利開展水利工程建設(shè)工作。

四、水文水資源管理水利工程防洪設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

（一）水文水資源分析

已知，該水庫所在河流納過河屬于北盤江水系，該河流向?yàn)橛杀毕蚰希骱拥篱L約15.5km，集水面積在36km2左右。分析多年歷史數(shù)據(jù)得知，該流域降水以5-10月份居多而集中，年平均降水量與5-10月份降水量分別為1223.5mm和1012.6mm，11月-次年4月平均降水量僅有210.9mm，可見降水分布不均[5]。同時(shí)該縣年最大與最小降水量分別為1565.2mm和814.9mm，變差系數(shù)為0.17。經(jīng)分析確定采用該縣氣象站作為流域降水參證站，結(jié)合P-III型曲線進(jìn)行適線，配以同一時(shí)間段內(nèi)該縣所在省份年降水量均值和變差系數(shù)等值線圖展開流域多年平均降水量設(shè)計(jì)，最終得到數(shù)據(jù)1225.7mm以及Cv=0.17，Cs（變差系數(shù)）/Cv（偏差系數(shù)）=2，進(jìn)而計(jì)算降水量具體數(shù)據(jù)。在徑流方面則是在降雨徑流法和該省地表水資源成果基礎(chǔ)之上展開的，并結(jié)合枯水調(diào)查對其成果控制情況進(jìn)行分析，其中該水庫壩址徑流特征統(tǒng)計(jì)見表1[6]。

（二）防洪設(shè)計(jì)與成果

根據(jù)以上水文水資源信息，借助面積加權(quán)平均法計(jì)算與分析，以及該縣所在省份水文水資源管理局有關(guān)的最新等值線圖，設(shè)計(jì)了如下暴雨參數(shù)，即多年平均年最大24h降水量均值為119mm，此時(shí)Cv與Cs/Cv分別為0.45和3.5。按照該水庫壩址集水面積和幾何特征值數(shù)據(jù)，用“雨洪法”計(jì)算得到洪水設(shè)計(jì)成果，即當(dāng)設(shè)計(jì)頻率分別為0.05%、0.1%、0.2%、1%、2%、3.3%、5%、10%、20%時(shí)，洪峰流量（m3/s）分別為612、555、501、373、318、279、247、194、141，洪水總量（萬m3）分別為1301、1194、1380、835、727、646、578、463、344。經(jīng)進(jìn)一步論證，確定本次洪水設(shè)計(jì)成果較為合理。

再者，分析水資源利用規(guī)劃后發(fā)現(xiàn)，至2020年該水庫與上級(jí)水庫供水能力能夠達(dá)到該縣需水量，即供水規(guī)模與規(guī)劃要求相符。同時(shí)根據(jù)該流域洪水特征，設(shè)定8月-次年5月為汛后洪水，蓄水位及其庫容分別為730m和560萬m3，汛限水位及其庫容分別為720m和321萬m3，防洪高水位及其庫容分別為731m和589萬m3，防洪庫容則是268萬m3，經(jīng)論證能夠滿足50年一遇的防洪要求[7]。

五、水文水資源管理水利工程除險(xiǎn)加固中的應(yīng)用

（一）工程概況

已知位于新疆塔里木河流域的某水利樞紐工程，涵蓋了礫石壩、引水發(fā)電洞、導(dǎo)流泄洪洞、移民道路、交通道路等，其中壩頂高程和最大壩高分別為2965m和78m，壩頂長寬分別為405m和10m，材料為瀝青混凝土心墻。最初設(shè)計(jì)的防洪標(biāo)準(zhǔn)是100年一遇，對應(yīng)的洪峰流量為750m3/s，校核防洪標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇，對應(yīng)的洪峰流量為1310m3/s，水庫容量在8.7億m3，死水位與蓄水位分別為2915m和2960m[8]。但在實(shí)際施工過程中，受地質(zhì)環(huán)境和施工技術(shù)的影響，致使建成后的水利工程并未達(dá)到設(shè)計(jì)的防洪要求，對此結(jié)合水文水資源管理工作，提出了除險(xiǎn)加固的想法。

（二）除險(xiǎn)加固方案

一是加固導(dǎo)流泄洪洞;在圍堰上游180m位置的泄洪洞進(jìn)口總長在1430m左右，利用的是圓拱直強(qiáng)式，為在安全的前提下進(jìn)行防洪，在其表孔一側(cè)設(shè)置了包括緩坡隧道、進(jìn)口、斜洞跌落等結(jié)構(gòu)的溢洪洞。加固時(shí)基于定向加固設(shè)計(jì)矩形涵洞，施工材料為混凝土，并對其中的薄弱位置用高強(qiáng)度砂漿、環(huán)氧砂漿等材料作了修補(bǔ)，以此提升其強(qiáng)度水平和耐腐蝕性[9]。采用上述加固方法后，該工程最大泄水量與水流速的增長幅度分別為3.2%和16.7%，具體見表2。

二是加固壩頂頂坡;分析多個(gè)水利工程事故數(shù)據(jù)可知，壩頂頂坡發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)比較高，如果加固合理，既能提升排水效果，也能節(jié)約工程造價(jià)。因此針對本工程壩頂為傾斜路面的情況，控制其傾斜角度小于2%，以便連接橫向排水溝與排水系統(tǒng)，同時(shí)經(jīng)實(shí)地勘測，對比分析了壩體高寬等參數(shù)，確定加固方案安全合理。

（三）運(yùn)行成果分析

分析水利工程運(yùn)行信息發(fā)現(xiàn)，加固后的水利工程蓄水量有了大大提高，蓄水時(shí)間也有了變化，顯著緩解了加固前水庫蒸發(fā)滲漏損失的情況，每年可向塔里木河補(bǔ)充1.8億m3的水源，而且在7-9月的汛期，防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到了500年一遇，有助于防災(zāi)減災(zāi)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，解決了以往春季缺水的問題，可通過向下游供水改善農(nóng)牧業(yè)用水壓力，當(dāng)?shù)仉娏Πl(fā)展也從中受益。可見，水文水資源管理的合理應(yīng)用，促使該水利工程發(fā)揮了良好的補(bǔ)水、防洪、旱季供水以及緩解地區(qū)缺電的功能[10]。

除了為水利工程收集信息、實(shí)地勘測、預(yù)測洪水影響、確定不同水位、分析計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)防洪減災(zāi)的目標(biāo)外，水文水資源管理還有許多功能值得我們開發(fā)和利用，需要我們予以深入研究和創(chuàng)新，希望在不久的將來，水文水資源管理能夠在水利工程以及更多領(lǐng)域中發(fā)揮更大的優(yōu)勢。

六、結(jié)束語

總之，水文水資源管理在水利工程中的應(yīng)用既有利于水利工程的優(yōu)質(zhì)建設(shè)，也有助于水文水資源管理的良性發(fā)展，因此二者相輔相成，關(guān)鍵在于認(rèn)清兩者之間的關(guān)系，充分發(fā)揮水文水資源管理的優(yōu)勢，為水利工程建設(shè)提供準(zhǔn)確的價(jià)值信息，提升其設(shè)計(jì)水平與施工質(zhì)量，從而有效的防洪抗旱、造福于民。

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通訊作者：趙靜，1980年9月30日，女，漢，山東省聊城人，高級(jí)工程師，本科。研究方向：水利水電工程現(xiàn)代施工與管理。