应用水面线法进行双库连通调洪演算的实践

陈吉贤，王金国，张甲芳

（1.山东省潍坊水文水资源勘测局，261031，潍坊；2.山东省济南水文水资源勘测局，250014，济南）

山东省墙夼水库由东西两库组成，中间借天然山凹开挖连通沟相连，共用东库溢洪闸调洪。连通沟的流量及流向受到两个水库水位影响，当西库水位高于东库水位时，西库洪水通过连通沟进入东库；当东库水位高于西库时，东库洪水通过连通沟进入西库，当两库水位低于连通沟底高程时，两库各自独立。针对墙夼水库既独立又相互连通的双库特点，就如何正确推求两库入库洪水，准确计算两库水位，合理调算两库水量，从分析调洪演算理论方法入手，给出水面线数学模型和算法，建立双库调洪演算的计算模型，分析确定两库不同频率设计洪水的最高水位，使水库的设计洪水复核成果更合理，进而更好地发挥水库的防洪、灌溉功能，实现水库的社会效益。

一、墙夼水库基本情况

墙夼水库位于潍河上游、山东省诸城市枳沟镇，1960年8月建成蓄水，是一座以灌溉、防洪为主，兼有发电、养殖、供水等功能的大型水库。水库由既独立又相互连通的东西两座水库组成，控制流域面积656km2。其中东库拦截潍河上游两条主要支流高泽河和仲崮河，控制流域面积386 km2；西库拦截潍河主河道，控制流域面积270 km2。东库流域长度29.6 km,干流平均坡度0.002 62；西库流域长度30.1 km，干流平均坡度0.002 2。流域形状呈双叶形。地势东南高，西北低。

墙夼水库总库容 3.28亿 m3，兴利库容0.85亿 m3，死库容 0.11亿 m3，正常蓄水位98.50m。水库工程防洪标准按百年一遇设计，万年一遇校核。东、西库设计洪水位分别为103.02m、103.16m，校核洪水位分别为106.50 m、106.57m。东西两库共设东库溢洪闸1座，遭遇大洪水时，西库水位高于东库，洪水通过连通沟进入东库，由东库溢洪道泄出。

墙夼水库所处的潍河流域地处泰沂山北区，属温暖带半湿润季风气候区，四季分明。流域多年平均年降水量692.3 mm。降水量年内、年际变化较大，年内降水多集中在6—9月，约占年降水量的76%。根据建库后1961—2009年降水量资料统计，年降水量1964年最大为1 186.9 mm，1983年最小为427.1 mm，丰枯极值比为2.78。多年平均最大24小时降水量为97.0mm，实测最大24小时降水量为242.5mm，发生于1974年8月13日。

表1 墙夼（东、西）水库设计洪水成果

根据建库后1961—2009年降雨径流资料，选择了较大场次暴雨洪水进行统计分析，表明本流域形成暴雨的主要天气系统为气旋、锋面、台风及北方冷空气等。气旋是本地区产生暴雨的重要天气系统之一；台风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当年12号台风所造成的。

墙夼水库坝址以上河流为山溪性河流，径流易于集中，入库洪水过程与降雨变化规律一致。洪水涨水历时一般为5～20小时，洪水多呈陡涨陡落；一次洪水持续时间一般为48～72小时。建库后，1974年8月13日入库洪峰流量为3 928 m3/s，次洪总量达 14899万 m3。

二、设计洪水计算

在水库调度运行中，当遭遇大洪水情况时，东西库存在一定水位差，针对墙夼水库的特殊性，本次以实测流量法对东西两库分别进行不用频率设计洪水计算，据此用本成果调算出两库的最高水位。设计洪水成果见表1。

三、双库调洪演算模型

1.双库调洪计算理论方法

在双库连通的洪水调洪演算中，除了两座水库的各项因素之外，还要考虑两库连通沟的过流情况。其特点是：两水库的容积差别较大，连通沟的过流量受东西两库水位差影响较大，故考虑以水量平衡和连通沟动力平衡为主要计算条件；两个平衡通过两座水库的水位互相联系着，以连通沟过水流量为耦合项，建立东西库联合调洪辅助曲线。

为简便计算，合理选用连通沟控制断面，首先假定连通沟起始流量，以推求连通沟水面线，进而推求以东库水位为参数的西库水位与连通沟过流量的关系曲线。

以此为基础，将东、西库水量平衡方程及动力方程变形，从而建立东、西库连环调算模型。模型方程略。

2.连通沟过水能力分析

根据连通沟地形测量资料及实测断面资料，依据能量方程，按照50 m间距分段依次布设连通沟控制断面，再假定连通沟的过流量及东库水位，采用推求水面线的方法，推求西库水位，建立一组以东库水位为参数的连通沟流量~西库水位关系曲线，分析出连通沟的过水能力。

根据上述假定和理论关系，按照墙夼水库的具体条件和不同泄洪、调度方式的数学模型，编制出双库调洪演算计算机计算模型。通过建立函数关系，采用试算法求解，利用二分迭代法，求解东、西库水位和连通沟过水流量。

四、调洪演算成果

1.应用模型调算结果

对不同频率的设计洪水，根据上述拟定的水面线法进行调洪演算，从调算成果（表2）看，两水库在调洪演算中存在着一定的水位差。经过与1976年、1982年两次调算结果对比，本成果合理、可靠。

2.同以往调算方法对比分析

以往墙夼水库调洪演算是把两个水库当作一个水库来处理，不考虑连通沟的过流能力，应用东、西库合并的方法推求最高洪水位，调算出来的东、西水库水位是一个值，从而使调算出的水位与实际相差较大。应用本水面线法调算模型计算，充分考虑了连通沟的过流能力及其对东、西库的影响，所调算的库水位合理、准确。图1为100年一遇设计洪水，联合调算与合并调算水位过程的差异。

五、结 语

根据山东省墙夼水库由既独立又相互连通的东西两个水库组成等特点，分析调洪演算理论方法，给出水面线数学模型和算法，建立双库调洪演算的计算模型，改变了以往只能双库合并调算计算最高洪水位的情况，实现了东西两库联合调算，使得调算出的洪水位更合理，更可靠。由此调算的成果，被应用到墙夼水库大坝安全鉴定设计洪水复核报告中，其洪水复核报告成果已得到了山东省水利厅专家组的一致认可，通过了评审验收。

表2 墙夼（东、西）水库调洪演算成果表

[1l郑文康，刘翰湘.水力学[M].北京：中国水利水电出版社，2007.

[2]杨诚芳.地表水资源与水文分析[M].北京：中国水利水电出版社，1992.