清河水库调度规划及尾水防洪水位确定

付佳鹭，桑桂武

(辽宁苏文工程设计有限公司，沈阳 110000)

0 引 言

水库建设可以有效改善库区水资源时空分布不均的现状，可增加流域防洪排涝能力，具有十分重要的意义[1-3]。为了保证水库防洪作用，同时保证供水水量，需要依据水库实际情况制定切实可行的防洪调度方案。近期洪水频发，对城镇居民生产生活造成了严重的威胁，合理确定防洪水位，可降低工程投资，同时可保证过水量，保证两岸居民的正常活动，具有十分重要的意义[4-6]。

1 工程概况

清河水库电站位于辽宁清河水库拦河坝下游，属于大(2)型水利工程。清河水库具有十分重要的防洪、发电、灌溉作用，年发电量4452万kW·h。库区控制流域面积为2376km2，水库坝址部位多年平均径流量5.08×108m3。正常工况下，库水位为131.00m；水库设计、校核洪水位分别为135.10m、138.06m。清河水库大坝总长1.622km，最大坝高为39.60m，设计总库容为9.71×108m3。

2 清河水库调度规划

2.1 受、供水调度

清河水库是辽宁重点输水工程中的受水水库之一，由于其在供水系统中承担着较重的任务，应尽可能将桓仁水库余水调入清河水库，以便更好地改善河口环境，其调入水量主要受桓仁水库的调水控制线的影响。当桓仁水库水位处于Ⅲ区时，清河水库便按输水隧洞最大过流能力调水。

除了防洪、发电外，清河水库兼具供水的任务。清河水库主要为周边城市、下游高效农业、清河水库灌区以及下游的水田和苇田。对于水库周边的工业、农业发展和居民的正常生活用水具有十分重要的意义。清河水库建成后，需要满足灌区灌溉用水，在保证灌区用水富足的情况下，可为辽河和大凌河提供水源，以改善河道环境水量，以及冲沙水量。

按照辽河干流清河和柴河的地理位置及水资源分区，清河水库的供水调度图分为2个：①清河水库以下区间的城市工业与生活、高效农业、水田和苇田用水的供水调度图(以下称为综合供水调度图)；②清河水库以下与柴河水库汇流后的公共区间的环境供水调度图(以下称为公共供水调度图)。

清河水库综合供水控制线将调度图划分为五个区，清河水库供水调度图见图1：Ⅰ区死水位-工业限制线；Ⅱ区工业限制线-高效农业限制线；Ⅲ区高效农业限制线-水田限制线Ⅳ区水田限制线-苇田限制线；Ⅴ区苇田限制线-正常高或汛限水位。当水位位于Ⅰ区时，所有用水项目均需限制供水；当水位位于Ⅱ区时，高效农业、水田、苇田需限制供水，城市生活、工业用水正常供水；当水位位于Ⅲ区时，水田和苇田需要限制供水，城市生活、工业、高效农业正常供水；当水位位于Ⅳ区时，苇田限制供水，其他用水正常供水；当水位位于Ⅴ区时，所有用水均正常供水。

清河水库公共供水控制线将调度图见图2，划分为两个区：Ⅰ区(死水位-联合供水线)——联合供水区，在该区内清河水库联合柴河水库共同向公共区间供水；Ⅱ区(联合供水线-正常高或汛限水位)—单独供水区，该区内由清河水库独立向公共区间供水。

图1 清河水库供水调度图

图2 清河水库公共区间供水调度图

2.2 防洪调度

2.2.1 防洪基本情况

清河水库相应标准泄洪下泄流量见表1。

表1 清河水库相应频率下泄洪峰成果表

清河水库左、右岸泄洪洞，溢流洪道泄流曲线分别见图3。

(a)左岸泄洪洞水位-流量关系曲线

(b)右岸泄洪洞水位-流量关系曲线

(c)溢洪道水位-流量关系曲线

2.2.2 清河水库防洪调度运行方式及泄水量

清河水库防洪调度运行采用“先左、右岸泄洪洞泄洪，当其泄洪能力不足时，再利用左右岸泄洪洞和溢洪道联合泄洪”的原则。

根据清河水库防洪调度运行方式，查图3，可查得相应频率下各泄洪建筑物的下泄流量，具体见表2。

表2 同频率下各泄流建筑物泄流量成果表

3 电站尾水防洪特征水位确定

根据清河水电站地形资料，可知与该电站尾水特征水位相关的控制断面有4处，分别为：滚水坝处(T-1)、倒虹吸处(T-2)溢洪道下游开草公路处(T-3)和橡胶坝处(T-4)，其中T-1断面受T-2断面雍水影响。根据堰流计算公式，分别计算各控制断面的水位-流量关系曲线。

堰流计算公式如下：

(1)

式中：σs淹没系数；σc侧收缩系数,取1； m自由溢流流量系数，取0.32；b堰顶宽度，m；H0堰上水头，m。

由以上公式计算可得各控制断面的水位-流量关系曲线，详见图4。

(a)T-1上断面水位-流量关系曲线

(b)T-2上断面水位-流量关系曲线

(c)T-3上 断面水位-量关系曲线

(d)T-4上断面水位-流量关系曲线

经计算，T-4上雍水不影响T-3上和T-2上过流，T-2上雍水不影响T-1上过流。查图4，可得清河水库相应频率下泄洪峰流量时各控制断面处的T-1上、T-2上、T-3上洪水水位，清河水库相应频率下泄洪峰流量时各控制断面处洪水水位具体见表3。

表3 不同频率下泄洪峰流量时各控制断面水位

T-3为清河水库溢洪道下游开草公路断面，该断面左侧为清河水库拦河坝下游滩地。溢洪道泄洪时，先通过开草公路漫流，型式为宽顶堰过流，此时拦河坝下游部分滩地存在洪水漫流，随着泄洪时间的推移，开草公路受洪水冲刷，过流形式逐渐由堰流转变为明渠非均匀流。堰流时，由于受开草公路的雍水影响，洪水雍水水位最高，由表3可知，设计洪水时，拦河坝下游滩地100.00m高程出现洪水漫流；校核洪水时，拦河坝下游滩地100.06m高程出现洪水漫流。故本电站工程尾水洪水位受T-3上断面控制。

以T-3断面为控制断面，以T-3上水位为控制水位，利用能量方程推求清河水库水电站尾水渠下游相应设计标准时的洪水水位，能量方程具体如下：

(2)

式中：Z1、Z2为下、上游断面的水位，m；hf、hj为上、下游两个断面间的沿程、局部水头损失，m；u1、u2为下、上游断面的流速，m/s。

采用以上公式计算，求得电站尾水下游20a、50a、100a一遇洪水标准，洪峰流量为300m3/s、1184m3/s、1187m3/s，洪水水位为96.24m、100m、100.01m。

4 结 论

根据清河水库功能，水库受、供水需要根据用水工程的重要程度进行区分，在水量充足的情况下， 可满足区域用水需求，当水量不足时，部分用水需求需要进行限制；水库防洪调度原则为先左、右岸泄洪洞泄洪，当其泄洪能力不足时，再利用左右岸泄洪洞和溢洪道联合泄洪；通过选取合适断面计算，电站尾水下游20a一遇洪水标准，洪水水位为96.24m；50a一遇洪水标准，洪水水位为100m；100a一遇洪水标准，洪水水位为100.01m。