馬傳波

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110003)

遼寧省無水文資料地區(qū)小型水庫全面復(fù)核技術(shù)解析

馬傳波

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110003)

本文從當(dāng)前小型水庫普遍存在的實(shí)際問題出發(fā)，通過對小型水庫測量、調(diào)查和系統(tǒng)性水庫特性復(fù)核計(jì)算等技術(shù)的深入研究，提出一整套的無水文資料地區(qū)小型水庫全面復(fù)核關(guān)鍵技術(shù)，為徹底解決小型水庫基礎(chǔ)資料缺失、管護(hù)權(quán)責(zé)不清、防汛無據(jù)可依等諸多難題提供有力技術(shù)支撐。

小型水庫；測量；調(diào)查；復(fù)核計(jì)算

防洪減災(zāi)是國家長期戰(zhàn)略，水庫作為防洪減災(zāi)體系的主體，具有防洪、抗旱、生態(tài)保護(hù)等多種功能，是調(diào)控水資源時(shí)空分布、優(yōu)化水資源配置最重要的工程措施之一。遼寧省共有水庫914座(《遼寧省第一次水利普查公告》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù))，小型水庫807座，占比近88.29%，分布在全省14個(gè)市，可謂量大面廣。這些水庫90%以上是在 1958—1976年期間建成，受當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)條件、技術(shù)水平、建筑材料和管理體制等方面的限制，很大一部分屬“三邊工程”，再加上長期以來工程管理粗放、老化失修、常年淤積，已成為防汛工作最大安全隱患。而我國絕大多數(shù)小型水庫普遍存在工程質(zhì)量差、防洪標(biāo)準(zhǔn)低、基礎(chǔ)資料缺失、實(shí)際抗洪能力無從掌握、管護(hù)機(jī)制不健全等問題，因此，亟需根據(jù)小型水庫特點(diǎn)，針對性地通過實(shí)地測量、調(diào)查、復(fù)核等一系列技術(shù)，重新對小型水庫實(shí)際工程規(guī)模、特性和實(shí)際防洪能力，及管理體制、管理人員、運(yùn)行狀況和下游保護(hù)目標(biāo)等進(jìn)行調(diào)查分析，為小型水庫防洪抗旱減災(zāi)提供有力技術(shù)支撐。

1 主要研究內(nèi)容與技術(shù)路線

小型水庫量大面廣，復(fù)核內(nèi)容的確定至關(guān)重要，稍有不當(dāng)將導(dǎo)致工作量成倍增加或無法滿足實(shí)際復(fù)核要求。本文針對小型水庫普遍突出特點(diǎn)，提出了無水文資料地區(qū)的小型水庫通用性的測量、調(diào)查和復(fù)核計(jì)算方法，并開發(fā)了庫容曲線測算與繪制軟件平臺；同時(shí)，對復(fù)核成果進(jìn)行了分析評價(jià)，提出了切實(shí)可行的建議措施，具有較強(qiáng)的可操作性，為小型水庫今后的科學(xué)管理奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[1]，主要內(nèi)容和技術(shù)路線見圖1。

圖1 系統(tǒng)技術(shù)路線及主要研究內(nèi)容框圖

2 復(fù)核水庫測量與調(diào)查

2.1 水庫測量參數(shù)確定及技術(shù)方案

2.1.1 水庫斷面測量

水庫斷面測量主要內(nèi)容分為水庫斷面布設(shè)、斷面測量和基面選擇等內(nèi)容。為使水庫各項(xiàng)測量成果與水庫歷年防汛工作相銜接，水庫測量成果需采用水庫原基面高程。

(1)水庫斷面布設(shè)

在庫區(qū)內(nèi)按地形變化情況，垂直于水流方向布設(shè)若干個(gè)有代表性的測量橫斷面，詳細(xì)布設(shè)見圖2。

圖2 典型水庫斷面布設(shè)測量圖

①第一條橫斷面應(yīng)布設(shè)在平行水庫大壩的壩腳處，水庫最后一條橫斷面應(yīng)布設(shè)在水庫水面歷年最大回水處附近。

②相鄰兩斷面間距不應(yīng)大于從第一條斷面至河長測量最遠(yuǎn)處一條斷面總距離的20%，且各斷面應(yīng)互相平行。

③水庫水深最大和河道形狀有明顯變化處應(yīng)布設(shè)斷面。

(2)水庫斷面測量

①各條橫斷面兩岸最高點(diǎn)應(yīng)測至不低于水庫壩頂高程。相鄰兩條斷面的間距應(yīng)根據(jù)兩斷面間構(gòu)成的圖形，采用中點(diǎn)互作垂線取其算數(shù)平均值或采用中點(diǎn)連線、平均間距等方法確定。

②各條橫斷面測點(diǎn)應(yīng)測到完整的河床(庫底)變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，兩條斷面垂線間距離不得大于應(yīng)測該斷面總距離的20%。

③水下高程部分借助船，采用測深桿、測深懸垂等測深(水深測量精度：當(dāng)水深等于或大于5 m時(shí)，取0.1 m；小于5 m時(shí)，取0.01 m)，當(dāng)水深很大時(shí)可采用回深測深儀測深，封凍期水下部分可打冰眼測深；當(dāng)遇有全庫無水時(shí)應(yīng)注明庫干及庫干開始年、月、日。

④各條橫斷面測點(diǎn)起點(diǎn)距精度一般取0.1 m，大于或等于100 m時(shí)，可取1 m。

⑤為了取得水庫河道比降資料，各水庫均應(yīng)進(jìn)行縱斷面測量，選取水庫有代表性的河段2000 m進(jìn)行縱斷面測量。

2.1.2 水庫主要建筑物測量

(1) 大壩測量

壩頂高程、壩頂寬度、壩頂長度、大壩坡度(迎水坡、背水坡)，并說明大壩類型、護(hù)坡情況、排水設(shè)施情況。

(2) 溢洪道測量

溢洪道堰頂高程、溢洪道斷面尺寸(溢流堰凈寬、底坎高度(帶底坎的寬頂堰)、堰長、邊墻高度、陡槽長度及坡度)；對有閘門控制的溢洪道要量出閘孔凈寬、說明孔數(shù)、閘門型式及尺寸(寬×高)； 說明溢洪道的形式、進(jìn)水渠口形狀、消能設(shè)施及下接渠道或河道情況。

(3) 輸水洞測量

測量輸水洞涵管進(jìn)口底高程、出口底高程、輸水洞長度、輸水洞過水?dāng)嗝婷娣e(方涵內(nèi)徑寬×高，圓管內(nèi)直徑)、閘門尺寸(寬×高)、可開啟高度；并說明輸水洞型式(如壩下涵管豎井式、塔式、深孔式、壩后閘閥式等)及輸水洞涵管結(jié)構(gòu)(如漿砌石方涵、混凝土方涵、混凝土園管等)。

2.2 水庫調(diào)查

水庫調(diào)查分析主要內(nèi)容包括水庫名稱、經(jīng)緯度、工程運(yùn)行管理單位、管理人員經(jīng)費(fèi)來源、經(jīng)營方式、是否確權(quán)劃界、水庫防洪功能(下游保護(hù)對象：村、戶、人口數(shù)，企業(yè)、學(xué)校，鐵路、公路等公共設(shè)施等)，水庫興利功能(灌溉面積、生活用水戶、生活供水量、工業(yè)用水戶、工業(yè)用水量、養(yǎng)魚面積、裝機(jī)容量)、水庫主要水工建筑物、水情觀測設(shè)施、通訊設(shè)施和防汛道路等。

3 水庫庫容曲線測算及特征值復(fù)核

3.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)選取

水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)選取主要依據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252-2000)，根據(jù)小型水庫規(guī)模及所處的地形特征(山區(qū)、丘陵區(qū)或平原、濱海區(qū))等情況，選取復(fù)核標(biāo)準(zhǔn)。防洪標(biāo)準(zhǔn)均取下限，尤其對壩高小于15 m，且上下游最大水頭差小于10 m的山丘、丘陵區(qū)水庫，全部按照平原、濱海區(qū)標(biāo)準(zhǔn)確定，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇洪水，校核標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇洪水。

3.2 水庫水位～庫容、面積測算與曲線繪制

水庫水位～庫容、面積測算與曲線繪制是小型水庫全面復(fù)核的重要內(nèi)容之一，本研究在傳統(tǒng)測算與曲線繪制原則基礎(chǔ)上，進(jìn)行了軟件系統(tǒng)開發(fā)，解決了小型水庫復(fù)核人工計(jì)算庫容耗時(shí)、計(jì)算失誤多等難題，為水庫復(fù)核提供全面技術(shù)支撐[2-4]。

3.2.1 水庫水位～庫容、面積測算與曲線繪制原則

水庫各種水位與庫容之間關(guān)系的曲線稱為水庫水位～庫容曲線。根據(jù)斷面測量成果，首先計(jì)算出水庫不同水位級下的各橫斷面面積，并求出相鄰橫斷面的平均面積，然后乘以兩斷面間的距離，即求出兩相鄰橫斷面的容積。以不同庫水位和庫容點(diǎn)繪曲線即為水庫水位～庫容曲線，再由庫容曲線求得水庫面積曲線。庫容采用棱臺體積公式進(jìn)行計(jì)算。

(1)

式中：ΔV為不同水位級下的庫容，104m3；ΔZ為不同水位級下水位高差，m；Aj為水面面積，104m2。

3.2.2 水庫水位～庫容、面積曲線測算與繪制系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

傳統(tǒng)的計(jì)算方法，人為因素多、誤差大、效率低，本系統(tǒng)采用C/S模式開發(fā)，以現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，針對不同水庫庫區(qū)內(nèi)不同地形特點(diǎn)，借助計(jì)算機(jī)算法模型，構(gòu)建通用型和實(shí)用性的小型水庫庫容、面積曲線測算與繪制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)樣表見表1。

表1 水庫水位～容積、面積曲線計(jì)算表

(1)系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能主要由測量數(shù)據(jù)采集(錄入)、水位～河寬～斷面面積計(jì)算、水位～水面面積～庫容計(jì)算等部分組成，系統(tǒng)功能流程見圖3。

圖3 系統(tǒng)功能流程圖

(2)計(jì)算模型構(gòu)建

平均斷面法公式：

(2)

圓錐臺體積法公式：

(3)

平均斷面法加圓錐臺體積法公式(設(shè)S1>S2)：

(4)

(5)

式中：Qt為相鄰兩斷面之間的容積，m3；S1、S2為相鄰第一斷面、第二斷面的斷面面積，m2；L為相鄰兩斷面的距離，m。

(3)系統(tǒng)界面開發(fā)

小型水庫水位～庫容、面積曲線測算與繪制系統(tǒng)功能主界面如圖4所示，成果界面如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)功能主界面

圖5 水位～庫容曲線繪制界面

3.3 水庫水位～泄量關(guān)系復(fù)核

根據(jù)水庫溢洪道、輸水洞的不同結(jié)構(gòu)型式、斷面尺寸，采用不同的用水力學(xué)公式計(jì)算溢洪道、輸水洞泄量，并繪制曲線。小型水庫溢洪道絕大部分為開敞式，其輸水洞多為有壓泄流為主。溢洪道和輸水洞泄流計(jì)算如下。

(1)開敞式溢洪道的泄流量按式(6)進(jìn)行計(jì)算，其流量系數(shù)的選擇見圖6。

(6)

(2)水庫輸水洞水位～泄量復(fù)核計(jì)算按式(7)進(jìn)行計(jì)算。

(7)

圖6 流量系數(shù)選擇示意圖

4 水庫壩頂高程復(fù)核及潰壩流量計(jì)算

4.1 水庫壩頂高程復(fù)核

為了保證水不從壩頂漫過，土壩壩頂高程應(yīng)在水庫校核洪水位以上，而且應(yīng)有足夠的超高，超高的數(shù)值等于波浪在壩坡上爬高加上安全超高。其主要影響參數(shù)是波浪的平均波高和平均波周期，計(jì)算時(shí)可選擇的計(jì)算公式有安特烈雅波夫經(jīng)驗(yàn)公式、莆田公式等，小型水庫復(fù)核計(jì)算建議采用《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274-2001)的莆田公式進(jìn)行計(jì)算。

(1)平均波高計(jì)算

(8)

式中：hm為平均波高，m；Tm為平均波周期，s；Lm為平均波長，m；W為計(jì)算風(fēng)速，m·s-1；D為風(fēng)區(qū)長度，m；Hm為水域平均水深，m；g為重力加速度，取9.81 m·s-2。

(2)平均波周期計(jì)算

(9)

(3)平均波長計(jì)算

(10)

式中：H為壩迎水坡前水深,m；對于深水波，即當(dāng)H≥0.5Lm時(shí)，可簡化為th(2πH/Lm)=1。

4.2 水庫潰壩流量計(jì)算

潰壩流量計(jì)算采用壩頂高程作為潰壩計(jì)算時(shí)的高程水位，該壩頂高程為實(shí)測壩頂高程，本次復(fù)核潰壩流量計(jì)算時(shí)，只計(jì)算壩體瞬間局部垮時(shí)潰壩流量，潰壩寬度分別取20 m和50 m兩種工況。采用“遼寧計(jì)算公式”進(jìn)行計(jì)算。

(11)

式中：b為壩址斷面潰口寬度，m；B為壩址斷面平均寬度，m；g為重力加速度，取9.81 m·s-2；h為潰壩前的壩前水深，m；Qm為潰壩時(shí)壩址處最大流量，m3·s-1。

5 水庫復(fù)核綜合評價(jià)

水庫復(fù)核綜合評價(jià)是復(fù)核工作的總結(jié)，根據(jù)上述復(fù)核計(jì)算，分別按照防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核結(jié)論、工程等別及建筑物級別、水庫主要建筑物級別安全評價(jià)結(jié)論、水庫工程效益、運(yùn)行管理情況，工程質(zhì)量、結(jié)構(gòu)安全評價(jià)等給出水庫復(fù)核綜合評價(jià)并列表，詳見表2。

表2 水庫復(fù)核情況表(東港市馬家溝水庫復(fù)核情況表)

6 結(jié) 語

據(jù)《第一次全國水利普查公報(bào)》統(tǒng)計(jì)，我國共有水庫98 002座，是世界上水庫最多的國家，其中小型水庫93 308座，占95.2%。隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，許多小型水庫下游風(fēng)險(xiǎn)區(qū)人口、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)設(shè)施等較當(dāng)年建庫時(shí)有較大幅度的增長，一旦潰壩，將造成嚴(yán)重的人民生命、財(cái)產(chǎn)損失。遼寧省小型水庫復(fù)核技術(shù)研究與應(yīng)用總結(jié)并取得一整套實(shí)用、先進(jìn)具有推廣價(jià)值的技術(shù)成果，解決了長期困擾小型水庫基礎(chǔ)資料缺失的技術(shù)難題。在本復(fù)核成果基礎(chǔ)上，降等報(bào)廢水庫68座；構(gòu)建了遼寧省小型水庫報(bào)汛系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全省小型水庫的統(tǒng)一報(bào)汛；設(shè)立了小型水庫管理人員機(jī)制，徹底改變了小型水庫管護(hù)模式，為保障水庫及下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全、社會(huì)和諧穩(wěn)定，促進(jìn)小型水庫社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益發(fā)揮提供了有力支撐。

[1] 龐毅，馬傳波.等遼寧省小型水庫復(fù)核工程特性匯編[M].遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2015.

[2] 許明家, 高祥濤, 胡金龍. 基于消息的水利數(shù)據(jù)共享交換平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 水利信息化, 2012(4):29-33.

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馬傳波(1978-)，男，高級工程師，主要從事水利自動(dòng)化與信息化方面的工作。E-mail:sunrain1212@126.com

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