中小型水库除险加固设计中水文水力计算分析

祝金珍

(上饶市水利电力勘测设计院，江西 上饶 334000)

由于水库除险加固工程的时间节点性强、工作量较大，需要收集的相关资料较多。因此，对中小型水库来说，如何寻找有效的水文水力计算方式，是除险加固工程设计的要点。采用多目标研究分析，以防洪作用最大化为原则，以实际数据作为水库防洪中的参考标准。

1 水文水力计算的基本内容

水文水力计算的主要内容在于设计暴雨条件下的洪水过程线，通过实际测量来计算水位于库容曲线，从而得出在不同频率下的水位标准，并结合坝顶高程来计算合理的设计水位。传统的水文设计工作中，无论选择哪种数学模型，在实测资料缺乏的情况下都很难确定实际参数。尤其是当流域断面面积较大，或是降雨独立的情况下，准确地设计和控制断面洪水，符合洪水规律是一项复杂的工作[1]。本次研究的基本内容是通过水文耦合计算模型与水动力的构件，推算出断面各频率的设计洪水，构建水力耦合模型，适用于流域内的设计要求，为防洪库容与除险加固工作提供技术条件。

1.1 测站资料

水文站与降水量站均按照设计要求投入使用，在流域内的降水站观测资料能够保障有效的精度，作为工程设计的基本资料存在。区域内的降水站分布较为合理，能够合理反映出设计流域内的降水特性，为相关研究提供数据支持[2]。

1.2 暴雨条件设计

流域内根据坝址来进行模拟，统计样本为每年的最大一日暴雨，统计资料选择1950—2018年内的所有年份资料，暴雨分区分析采用泰森多边形法计算分区降水量面积的权重[3]。先用直线连接相邻雨量站，构成n-2个锐角三角形后，作每个三角形边的垂直平分线，将其作为划分依据，将流域划分为n个以流域边界为界的多边形，并按照面积加权法来推算流域的平均降雨量，模拟暴雨条件。这种方式适用于地形起伏相对稳定的区域，如地形比较复杂或流域内雨量站分布密集，则可以根据同时段雨量绘制等雨量线，计算平均降雨量[4]。

1.3 调洪计算

调洪计算中需要注意三个基本要素，即洪水过程线、库容曲线与泄流曲线，分别通过洪水设计、水库水位与流量关系和水位容积关系确定。根据这些基本资料可以采用水量平衡公式进行洪水调节计算。具体流程如图1所示。

图1 水文水力计算分析流程

2 断面洪水计算

对于中小型水库来说，断面洪水计算采用暴雨洪水综合法，或是采用流量法进行设计。根据本地流域的工程设计实例与历史洪水情况来制定水文设计参数。但需要注意的问题在于断面洪水设计中会受到一些因素的影响，例如水文测站的分布情况等，因此仅仅使用传统水文学方法并不能有效地推测断面洪水情况，参数的设定需要构件水文耦合计算模型[5]。

以实测资料作为水动力模型，区间的流域设计选择水文暴雨洪水模型，与水动力模型进行耦合后，进行数据检测，分析不同的断面各频率洪水设计情况，可以有效地解决洪水参数与模型的验证问题。流域内水位站具有近年来的详细水位资料，可以作为计算分析过程中的参考依据。另外，通过水动力与水文耦合计算模型能够让计算结果尽量符合实际情况，因此选用较大洪水进行验证对比，可以将计算值与模拟值的差距控制在可以接受的范围内，汇流模拟情况较好[6]。因此，通过模型将研究区域进行扩展，可以解决参数问题，精度有所保障，在后续的设计方案中可以进行参考和借鉴。

3 水文水力计算中应注意的问题

3.1 资料整合

资料整合是水库除险加固设计中的关键，资料能够反映水文成果与设计的合理性，发挥水库的最大效益。一般情况下，对于水库的设计资料收集是首要的工作，包括经营情况、效益情况、历年来的除险加固资料等。

另外，水库的地形图与测量结果也应该作为重要资料保存。以目前的统计方式来看，在流域面积、河流长度等参数的计算过程中，如果仍然采用旧版地形图。必然存在明显误差。因而，矢量化的地形图与地理信息系统的有效配合，可以更加精确地收集流域的三大要素。在洪水设计中也应该加入汇流条件等因素的影响程度[7]。

在中小型水库的除险加固工程当中，容积关系的计算会沿用传统设计数据。但水库长期运行会产生淤积等现象，水位变化难以避免。此时建议选择遥感技术配合DEM展开水位于面积关系计算，模拟实测数据，分析水库在不同的时间段的运行状态[8]。

3.2 现场勘查

由于水库情况多变，地形条件相对复杂，现场勘查中需要重点关注洪水涞水情况与梯级水库的调度问题，还包括上游水库设计。此外，水库历年来的运行和管理状况需要进行严格考察，如溢洪道历年过水情况、是否有其它建筑物参与泄洪等。

按照SL 252—2017《水利水电工程等级及洪水标准》的相关要求，需要考虑水库下游的交通设施情况，视工程需求考虑是否要调整洪水标准。

3.3 参数分析

参数分析采用设计洪水成果与流域设计成果的数值比较结果作为主要参考依据。如果两者之间差异过大，则需要重新对参数进行审核，提升准确性。另外，洪水调洪计算过程中还应该注重水位的合理性。例如水位计算成果与历年水位之间存在明显差异，则需要考虑重新计算参数。一般情况下，水库的正常水位、丰水期水位于死水位具有相对稳定的特征，但水库如果需要承担水源地等责任，那么需要与水利部门协调后来进行水位调整，并经过实验设计后确定方案的可行性[9]。

4 水库所需的防洪库容分析

本次研究对5个不同区域的实测水位与验证计算水位进行了对比，见表1。

表1 水位测定结果 单位：m

经过检测结果表明，实测水位于验证计算水位之间的差异均在0.1m以内，说明精度符合实际要求，计算模型使用的特征参数可以用于实际的成果计算工作。

从区域防洪能力来分析，河道宽窄有明显差异，最宽处宽度超过1km，防洪标准相对较低，局部地域未达到防洪标准。对于水库除险加固工程来说，提升防洪标准，减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，河道形态相对复杂，泄洪能力受限，有潜在的洪涝灾害发生的可能性。研究按照一维数值模拟的方式来分析防洪水位的差异，综合考虑水库在流域的地理位置与流域水系分布情况，应选择两级控制模式，做好控制断面与控制流量的规划[10]。

5 结语

为保障基础资料的有效性与准确性，在计算过程中应该重点对基础资料和流域基本情况展开分析，最终将计算结果进行合理性分析，在此基础上提供有效的计算成果。在今后的工作中，还可以借助GIS、遥感技术，建立数据库的合理分析模式，模拟实测结果与资料，将设计结果与监测结果进行合理分析，寻求适合的规划方案。

本文受限于研究范围，并没有对洪水预报系统的构建，对水文测站、河道水动力条件等相关要素进行分析，在未来的研究中应该以预测降雨量的数据为基础构件预报系统，进一步分析周边地区除险加固工作的有效性。