下游河道过流能力不满足防洪标准时大型水库防洪调度图绘制探讨

周 冉，张永平，刘 璐

（1.山东省水利勘测设计院有限公司，山东 济南 250013；2.水发规划设计有限公司，山东 济南 250013）

依据《山东省水库汛期调度运用计划编制手册》（鲁水办字[2019]14号）及相关的法律、法规编制调度运用计划过程中，遇到下游河道过流能力不满足防洪标准等问题，本次针对该问题，提出以设计报告为调度依据，增添下游河道过流能力边界线的方法绘制防洪调度图，统筹水库防洪和兴利，使水库最大程度发挥兴利和防洪功能。

1 水库概况

卧虎山水库位于济南市历城区仲宫街道办玉符河上游，水库流域面积557 km2，根据增容工程批复，卧虎山水库兴利水位由129.00 m恢复至130.5 m，兴利库容0.637 亿m3，总库容1.203 亿m3，是一座以防洪和城市供水为主，兼顾灌溉、养殖和生态补源等综合利用的大（2）型水库。现枢纽工程由大坝、溢洪道（闸）、放水洞三部分组成。增容后于2017 年重新测量并启用了新的库容曲线。2018 年增容工程通过了山东省水利厅的竣工验收。综上，卧虎山水库调度运用计划需重新编制。

2 下游河道安全泄量

2.1 设计报告采用安全泄量

根据《山东省济南市卧虎山水库除险加固工程初步设计报告修编稿》（2008年）、《山东省济南市卧虎山水库增容工程初步设计报告》（2014年）、《济南市卧虎山水库大坝安全鉴定-防洪能力复核报告》（2019年），水库防汛调度均按两级控制：一级控泄防洪标准20 年一遇，最大安全泄量800 m3/s；二级控泄防洪标准100 年一遇，最大安全泄流量为1300 m3/s。

2.2 河道治理工程设计流量

2015年11月，济南市水利建筑勘测设计研究院编制了《济南市玉符河综合治理工程初步设计报告（水利部份）》，对玉符河进行综合治理，设计防洪标准50 年一遇。根据该报告，玉符河G104 桥以上至卧虎山水库段河道子槽满足240 m3/s过流能力，50 年一遇设计水位线漫滩，淹没两岸部分台地（包括现状的农田、鱼塘和部分村居等），规划控制线规划不小于淹没线范围，远期结合本地区的村居整合规划进行滩地和子槽两侧台地的改造，淹没线以下不再建设永久设施。玉符河已按照该初设报告治理完毕，但尚未进行竣工验收。

2.3 下游河道安全泄量的确定

水库设计安全泄量800 m3/s和河道治理工程过流能力240 m3/s不匹配。以240 m3/s作为下游河道安全泄量进行汛中限制水位核算，为保大坝安全，汛中限制水位至少应降至125.41 m。从保蓄水兴利方面核算，汛中限制水位应不低于126.92 m。综上，以240 m3/s作为第一安全泄量，1300 m3/s作为第二安全泄量时，卧虎山水库防洪和兴利不能同时满足要求。

综合考虑卧虎山水库设计情况、水库管理单位的意见、玉符河河道治理现状，卧虎山水库近几年实际运行情况，权衡水库防洪和兴利等因素，确定安全泄量采用近期设计报告中的相关成果，即20 年一遇安全泄量800 m3/s，100 年一遇安全泄量1300 m3/s。

在调度图绘制时，虽不按照240 m3/s控泄，为给超过子槽设计流量存在淹没风险的村庄转移提供参考，按照子槽设计流量240 m3/s绘制了240 m3/s泄洪边界线。

3 汛期控制运用指标

3.1 汛中限制水位

从水库工程安全、保护下游和兴利蓄水三方面统筹考虑，确定水库汛中限制水位为127.00 m。

表1 卧虎山水库汛中限制水位核算成果表

3.2 允许超蓄水位

从蓄水服从防洪安全角度考虑，卧虎山水库汛中允许超蓄水位为127.00 m。

3.3 汛末蓄水位

卧虎山水库增容工程竣工验收后水库兴利水位为130.50 m，汛末蓄水位为130.50 m。

3.4 允许壅高水位

卧虎山水库为两级控泄，自127.00 m起调，水库遭遇20 年一遇洪水时，按一级安全泄量800 m3/s控泄；当水库遭遇100 年一遇洪水时，按二级安全泄量1300 m3/s控泄。

采用式（1）进行调洪演算：

式中：Q1、Q2为时段初、时段末入库流量，m3/s；q1、q2为时段初、时段末出库流量，m3/s；V1、V2为时段初、时段末水库蓄水量，104m。

卧虎山水库溢洪道堰型为低堰，类似WES堰（实用堰），闸门为钢板弧形闸门。当0.1＜e/H≤0.75时，为孔流；e/H＞0.75时，为堰流。堰流设计流量采用除险加固报告中模型试验成果。孔流计算采用下式（2）计算：

其中：σs为淹没系数；0为闸孔自由出流的流量系数，它综合反映闸孔形状和闸门相对开度e/H对泄流量的影响；e为闸门开启高度；n为闸孔孔数，溢洪闸共计5 孔；b为每孔净宽，取13 m；H0为包括行进流速水头的堰前水头，即。

曲线型实用堰弧形闸门流量系数计算公式见式（3）：

经计算，按照固定闸门高度方式调洪，遭遇20 年一遇洪水时，闸门同步开启1.58 m，第一允许壅高水位为128.97 m；遭遇20 年一遇洪水时，闸门同步开启1.93 m，第二允许壅高水位为134.21 m。

3.5 警戒水位

卧虎山水库设计防洪标准为100 年一遇，警戒水位为100年一遇水位134.21 m。

3.6 允许最高水位

本次采用校核洪水标准5000 年一遇洪水，考虑中小洪水控泄的要求，计算5000 年一遇洪水位作为允许最高水位，为137.16 m。

4 防洪调度图绘制

本次采用实测流量法推求的设计洪水，横坐标为全流域天然最大24 h净雨深（R24），为方便使用，本次先分析了入库洪水24 h径流深（Y24）与水库全流域天然最大24 h净雨（R24）的关系Y24～R24随后确定了P+Pa与全流域天然最大24 h净雨（R24）的关系P+Pa～R24。由此，通过查雨前水位和P+Pa值可迅速确定所属的调度区，选定最优泄洪方式，预估最高库水位，方便指导汛期水库调度运行。

4.1 24 h净雨R24与24 h径流深Y24关系分析

流域出口断面流量过程线时段数采用式（4）计算：

式中：L为流域出口断面流量过程线时段数；n为经验单位线时段数，根据卧虎山水库资料分析，卧虎山水库经验单位线时段数为31；m为净雨时段数，净雨时段数为24。

采用上式计算出卧虎山水库流域出口断面流量过程线的时段数为54，即24 h净雨R24对应的洪量应为设计洪水过程线中最大54小时的洪量（W54）。Y24对应的为最大24小时洪量（W24）。根据洪量和流域面积计算出不同频率的R24和Y24，拟合两者关系，成果见式（5）和图1。

图1 卧虎山水库R24～Y24关系图

4.2 不泄水边界线

卧虎山水库汛中限制水位为127.00 m，相应库容为4892 万m3。设置不同的雨前水位，计算相应库容，从而确定水库所需蓄存水量。将蓄存水量根据W72～Y24关系式转换为Y24，根据R24～Y24关系式转换为R24，成果见表2。

表2 不泄水边界线计算成果表

4.3 限制泄洪区边界线

根据除险加固已批复的不同频率设计洪水，确定最大24小时径流深Y24和洪峰、洪量的关系。假定不同的Y24计算相应的洪峰、不同时段洪量，计算入库洪水，按照汛限水位127.00 m以下不泄洪，汛中限制水位和一、第二允许壅高水位之间均限泄，最高水位刚好达到第一、二允许壅高水位，进行水库调算，试算相应的雨前水位，成果见表3和表4。

表3 限制泄洪区边界线（限泄800 m3/s）计算成果表

表4 限制泄洪区边界线（限泄1300 m3/s）计算成果表

4.4 自由泄洪区

根据上述方法计算设计洪水。按照考虑中小洪水两级控制，进行水库调算。根据不同频率洪水试算相应的雨前水位，成果见表5。

表5 自由泄洪区边界线计算成果表

4.5 240 m3/s泄洪边界线

按照汛限水位以下不泄洪，达到汛中限制水位127.00 m时闸门开启1.58 m，进行水库调算，最大泄量为240 m3/s，最高水位不超过127.00 m，试算相应的雨前水位，成果见表6。

图2 淮河下游 通榆河 大团（通北）站 2009年水位～流量关系曲线图

4 结论

（1）桥测的精度可以满足国家标准《河流流量测验规范》的要求，是一种行之有效的水文测验方法。尤其是它具有机动灵活、安全可靠、经济高效、便于抢测洪水流量和有利于提高测洪能力等优点，是防汛抗旱的重要技术手段之一。

（2）在桥体上下游范围内，水流皆受到桥墩的影响，相对而言，桥体上游水流较平稳，下游水流较紊乱，流速仪不易稳定，测验精度较差。因此，桥测断面应布设在桥体上游为宜。

（3）在桥测流量计算中，过水断面面积是否排除桥墩面积，流速是否进行改正，决定于桥测断面的布设位置。为计算方便和不致使流量计算精度因进行计算而降低，如能将桥测断面设在桥墩对水流影响范围以外，较为有利。一般来说，水网区因流速较小（Vmax＜1 m/s），离开桥墩2 m即可。

（4）由于通榆河上均为新建的桥梁，标准较高且孔数较少，故断面垂线应以桥孔中央线对称布设为佳。每条垂线的测点数以两点法为佳。有时因抢测洪峰的需要，或有其它困难，亦可采用相对水深0.6一点法。

（5）随着科学技术的发展，特别是走航式ADCP在水文测验上的普遍应用，尽管桥测方法较之ADCP测流有一定的局限性，但仍然较为实用，尤其是在人手紧张的洪水期。为具备一定的比测验证成果，应在平时开展桥测与走航式ADCP比测率定工作，以备测洪之需。