祝金珍

(上饒市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，江西 上饒 334000)

由于水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程的時(shí)間節(jié)點(diǎn)性強(qiáng)、工作量較大，需要收集的相關(guān)資料較多。因此，對(duì)中小型水庫(kù)來說，如何尋找有效的水文水力計(jì)算方式，是除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。采用多目標(biāo)研究分析，以防洪作用最大化為原則，以實(shí)際數(shù)據(jù)作為水庫(kù)防洪中的參考標(biāo)準(zhǔn)。

1 水文水力計(jì)算的基本內(nèi)容

水文水力計(jì)算的主要內(nèi)容在于設(shè)計(jì)暴雨條件下的洪水過程線，通過實(shí)際測(cè)量來計(jì)算水位于庫(kù)容曲線，從而得出在不同頻率下的水位標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合壩頂高程來計(jì)算合理的設(shè)計(jì)水位。傳統(tǒng)的水文設(shè)計(jì)工作中，無論選擇哪種數(shù)學(xué)模型，在實(shí)測(cè)資料缺乏的情況下都很難確定實(shí)際參數(shù)。尤其是當(dāng)流域斷面面積較大，或是降雨獨(dú)立的情況下，準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)和控制斷面洪水，符合洪水規(guī)律是一項(xiàng)復(fù)雜的工作[1]。本次研究的基本內(nèi)容是通過水文耦合計(jì)算模型與水動(dòng)力的構(gòu)件，推算出斷面各頻率的設(shè)計(jì)洪水，構(gòu)建水力耦合模型，適用于流域內(nèi)的設(shè)計(jì)要求，為防洪庫(kù)容與除險(xiǎn)加固工作提供技術(shù)條件。

1.1 測(cè)站資料

水文站與降水量站均按照設(shè)計(jì)要求投入使用，在流域內(nèi)的降水站觀測(cè)資料能夠保障有效的精度，作為工程設(shè)計(jì)的基本資料存在。區(qū)域內(nèi)的降水站分布較為合理，能夠合理反映出設(shè)計(jì)流域內(nèi)的降水特性，為相關(guān)研究提供數(shù)據(jù)支持[2]。

1.2 暴雨條件設(shè)計(jì)

流域內(nèi)根據(jù)壩址來進(jìn)行模擬，統(tǒng)計(jì)樣本為每年的最大一日暴雨，統(tǒng)計(jì)資料選擇1950—2018年內(nèi)的所有年份資料，暴雨分區(qū)分析采用泰森多邊形法計(jì)算分區(qū)降水量面積的權(quán)重[3]。先用直線連接相鄰雨量站，構(gòu)成n-2個(gè)銳角三角形后，作每個(gè)三角形邊的垂直平分線，將其作為劃分依據(jù)，將流域劃分為n個(gè)以流域邊界為界的多邊形，并按照面積加權(quán)法來推算流域的平均降雨量，模擬暴雨條件。這種方式適用于地形起伏相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域，如地形比較復(fù)雜或流域內(nèi)雨量站分布密集，則可以根據(jù)同時(shí)段雨量繪制等雨量線，計(jì)算平均降雨量[4]。

1.3 調(diào)洪計(jì)算

調(diào)洪計(jì)算中需要注意三個(gè)基本要素，即洪水過程線、庫(kù)容曲線與泄流曲線，分別通過洪水設(shè)計(jì)、水庫(kù)水位與流量關(guān)系和水位容積關(guān)系確定。根據(jù)這些基本資料可以采用水量平衡公式進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計(jì)算。具體流程如圖1所示。

圖1 水文水力計(jì)算分析流程

2 斷面洪水計(jì)算

對(duì)于中小型水庫(kù)來說，斷面洪水計(jì)算采用暴雨洪水綜合法，或是采用流量法進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)本地流域的工程設(shè)計(jì)實(shí)例與歷史洪水情況來制定水文設(shè)計(jì)參數(shù)。但需要注意的問題在于斷面洪水設(shè)計(jì)中會(huì)受到一些因素的影響，例如水文測(cè)站的分布情況等，因此僅僅使用傳統(tǒng)水文學(xué)方法并不能有效地推測(cè)斷面洪水情況，參數(shù)的設(shè)定需要構(gòu)件水文耦合計(jì)算模型[5]。

以實(shí)測(cè)資料作為水動(dòng)力模型，區(qū)間的流域設(shè)計(jì)選擇水文暴雨洪水模型，與水動(dòng)力模型進(jìn)行耦合后，進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)，分析不同的斷面各頻率洪水設(shè)計(jì)情況，可以有效地解決洪水參數(shù)與模型的驗(yàn)證問題。流域內(nèi)水位站具有近年來的詳細(xì)水位資料，可以作為計(jì)算分析過程中的參考依據(jù)。另外，通過水動(dòng)力與水文耦合計(jì)算模型能夠讓計(jì)算結(jié)果盡量符合實(shí)際情況，因此選用較大洪水進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比，可以將計(jì)算值與模擬值的差距控制在可以接受的范圍內(nèi)，匯流模擬情況較好[6]。因此，通過模型將研究區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)展，可以解決參數(shù)問題，精度有所保障，在后續(xù)的設(shè)計(jì)方案中可以進(jìn)行參考和借鑒。

3 水文水力計(jì)算中應(yīng)注意的問題

3.1 資料整合

資料整合是水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵，資料能夠反映水文成果與設(shè)計(jì)的合理性，發(fā)揮水庫(kù)的最大效益。一般情況下，對(duì)于水庫(kù)的設(shè)計(jì)資料收集是首要的工作，包括經(jīng)營(yíng)情況、效益情況、歷年來的除險(xiǎn)加固資料等。

另外，水庫(kù)的地形圖與測(cè)量結(jié)果也應(yīng)該作為重要資料保存。以目前的統(tǒng)計(jì)方式來看，在流域面積、河流長(zhǎng)度等參數(shù)的計(jì)算過程中，如果仍然采用舊版地形圖。必然存在明顯誤差。因而，矢量化的地形圖與地理信息系統(tǒng)的有效配合，可以更加精確地收集流域的三大要素。在洪水設(shè)計(jì)中也應(yīng)該加入?yún)R流條件等因素的影響程度[7]。

在中小型水庫(kù)的除險(xiǎn)加固工程當(dāng)中，容積關(guān)系的計(jì)算會(huì)沿用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。但水庫(kù)長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生淤積等現(xiàn)象，水位變化難以避免。此時(shí)建議選擇遙感技術(shù)配合DEM展開水位于面積關(guān)系計(jì)算，模擬實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析水庫(kù)在不同的時(shí)間段的運(yùn)行狀態(tài)[8]。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)勘查

由于水庫(kù)情況多變，地形條件相對(duì)復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)勘查中需要重點(diǎn)關(guān)注洪水淶水情況與梯級(jí)水庫(kù)的調(diào)度問題，還包括上游水庫(kù)設(shè)計(jì)。此外，水庫(kù)歷年來的運(yùn)行和管理狀況需要進(jìn)行嚴(yán)格考察，如溢洪道歷年過水情況、是否有其它建筑物參與泄洪等。

按照SL 252—2017《水利水電工程等級(jí)及洪水標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求，需要考慮水庫(kù)下游的交通設(shè)施情況，視工程需求考慮是否要調(diào)整洪水標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 參數(shù)分析

參數(shù)分析采用設(shè)計(jì)洪水成果與流域設(shè)計(jì)成果的數(shù)值比較結(jié)果作為主要參考依據(jù)。如果兩者之間差異過大，則需要重新對(duì)參數(shù)進(jìn)行審核，提升準(zhǔn)確性。另外，洪水調(diào)洪計(jì)算過程中還應(yīng)該注重水位的合理性。例如水位計(jì)算成果與歷年水位之間存在明顯差異，則需要考慮重新計(jì)算參數(shù)。一般情況下，水庫(kù)的正常水位、豐水期水位于死水位具有相對(duì)穩(wěn)定的特征，但水庫(kù)如果需要承擔(dān)水源地等責(zé)任，那么需要與水利部門協(xié)調(diào)后來進(jìn)行水位調(diào)整，并經(jīng)過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)后確定方案的可行性[9]。

4 水庫(kù)所需的防洪庫(kù)容分析

本次研究對(duì)5個(gè)不同區(qū)域的實(shí)測(cè)水位與驗(yàn)證計(jì)算水位進(jìn)行了對(duì)比，見表1。

表1 水位測(cè)定結(jié)果 單位：m

經(jīng)過檢測(cè)結(jié)果表明，實(shí)測(cè)水位于驗(yàn)證計(jì)算水位之間的差異均在0.1m以內(nèi)，說明精度符合實(shí)際要求，計(jì)算模型使用的特征參數(shù)可以用于實(shí)際的成果計(jì)算工作。

從區(qū)域防洪能力來分析，河道寬窄有明顯差異，最寬處寬度超過1km，防洪標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較低，局部地域未達(dá)到防洪標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程來說，提升防洪標(biāo)準(zhǔn)，減少洪峰流量是主要的工作之一。另外，由于受到上游洪峰流量的控制，河道形態(tài)相對(duì)復(fù)雜，泄洪能力受限，有潛在的洪澇災(zāi)害發(fā)生的可能性。研究按照一維數(shù)值模擬的方式來分析防洪水位的差異，綜合考慮水庫(kù)在流域的地理位置與流域水系分布情況，應(yīng)選擇兩級(jí)控制模式，做好控制斷面與控制流量的規(guī)劃[10]。

5 結(jié)語

為保障基礎(chǔ)資料的有效性與準(zhǔn)確性，在計(jì)算過程中應(yīng)該重點(diǎn)對(duì)基礎(chǔ)資料和流域基本情況展開分析，最終將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理性分析，在此基礎(chǔ)上提供有效的計(jì)算成果。在今后的工作中，還可以借助GIS、遙感技術(shù)，建立數(shù)據(jù)庫(kù)的合理分析模式，模擬實(shí)測(cè)結(jié)果與資料，將設(shè)計(jì)結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行合理分析，尋求適合的規(guī)劃方案。

本文受限于研究范圍，并沒有對(duì)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的構(gòu)建，對(duì)水文測(cè)站、河道水動(dòng)力條件等相關(guān)要素進(jìn)行分析，在未來的研究中應(yīng)該以預(yù)測(cè)降雨量的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)件預(yù)報(bào)系統(tǒng)，進(jìn)一步分析周邊地區(qū)除險(xiǎn)加固工作的有效性。