平原型水库增容措施效果对比研究

王世杰

(凌源市菩萨庙水库管理处，辽宁 朝阳 122500)

运行管理

平原型水库增容措施效果对比研究

王世杰

(凌源市菩萨庙水库管理处，辽宁 朝阳 122500)

水库作为我国水利基础设施和防洪工程体系的重要组成部分，在供水、发电、灌溉、防洪等方面发挥着重要作用。当前，小型水库主要面临用水量增加和淤积等问题，水库的兴利功能难以实现，进而影响水库效益的发挥。为提高水库增容效果，本文对平原型水库提出三种改建方案，并通过MATLAB 软件调洪程序对实用型堰、迷宫堰和溢洪道修建闸门的增容效果进行研究。本研究对提高水库兴利库容、改善区域的生态环境和发挥工程的经济效益具有重要意义。

平原型水库；增容措施；兴利库容；洪水流量过程线

水库是我国水利基础设施和防洪保安体系的重要组成部分，在供水、发电、灌溉、防洪等方面发挥着重要作用。目前，水库存在着库容逐年减小、泥沙大量淤积、工程老化失修等问题，造成水库兴利库容减小，不能发挥兴利效益，成为无功能的水库。水库进行增容使蓄水得到良性循环，防洪减灾效果更加显著，有利于促进区域内经济的发展，提高人民生活质量，促进社会安定。水库兴利库容的提高，有利于农业种植结构的调整，同时有效改善了农田灌溉条件，对改善区域的生态环境、增加农民收入具有重要的现实意义[1]。科学合理的工程改建方案，可以确保工程大坝的安全运行，解决水库兴利库容减少、供水紧张等问题。本文对菩萨庙水库采取实用型堰工程改建、溢洪道修建闸门、改造迷宫堰等措施的水库增容效果进行了分析。结果表明：本研究对挖掘水库供水潜能、增加水库兴利库容、改善区域生态环境具有重要意义。

1 工程概况

1.1 流域概况

菩萨庙水库是一座以农业灌溉、防洪为主，兼顾旅游、养鱼、发电等综合利用的中型平原型水库[2]。菩萨庙水库位于大凌河上游南支的支流西大川河上，坝址位于四官营子镇大房申村上三家村民组，水库坝址中心的地理坐标为东经119°29′，北纬41°04′，该水库区域在辽宁省水文分区中属于Ⅵ3水文分区。河流发源地在牛营子乡的闫麻岭，属于岩层裂隙水补给型河流，当山区融雪或降雨时才形成洪水，坝址以上集雨面积118km2，河道平均比降12.2 ‰，河道长度22.2km。

1.2 气象条件

菩萨庙水库所在流域属于北温带大陆性干旱气候区，春秋凉爽多风，夏季炎热多雨，冬季严寒少雪，可谓四季分明[3]。流域内多年平均蒸发量为1840mm，降水受高空槽、台风及华北气旋等天气系统影响，降水多集中在6、7、8、9四个月，约占全年降水量的73%，流域内多年平均径流深为88mm，时空分布受降水影响也极不均匀，多年平均降水量在500mm左右，降水量的年际变化较大，丰、枯水年的降水量比值可达3倍以上。

2 模型及方案设计

2.1 控制方程

利用 MATLAB 软件[4]进行调洪计算程序编写，将简单的程序代码和 MATLAB函数库运用到水库调洪计算中，可在较短的时间内计算出水库防洪水位及调洪库容等参数，实用堰的流量计算公式为

(1)

迷宫堰的流量计算公式为

(2)

上二式中m——流量系数；

δs——淹没系数；

ε——侧收缩系数；

W——堰宽，m；

Q——流量，m3/s ；

g——重力加速度，m/s2；

B——溢流堰净宽，m。

2.2 方案设计

增容措施的主要原理[5]是在确保水库总库容不变的前提下，改造水库的泄水建筑物，提高水库的下泄流量，使调洪库容减少，进而增加兴利库容。本文对菩萨庙水库采取实用型堰改建、溢洪道修建闸门、改造迷宫堰等增容措施进行研究，将洪水流量过程线与库容曲线进行组合，比较不同的工程措施对水库兴利库容的影响并进行分析。以校核洪水位为控制条件，并对起调水位进行模拟计算，若模拟校核洪水结果与原水库的校核洪水位相等，起调水位即水库的正常蓄水位。

3 平原型水库的增容效果分析

将库容曲线分别与不同类型的洪水流量过程线进行组合，两种类型的洪水流量过程线的洪水总流量为 1316.19m3/s；偏态系数Cs分别为1.51和0.79；洪水历时为 3.5h，变差系数Cv分别为 1.21和1.13；洪峰流量分别为355m3/s和263m3/s。

3.1 实用型堰工程改建方案

水工建筑物中实用堰既能挡水又能泄水，将原溢洪道改建为实用堰，溢流净宽为 1000cm，堰高 300cm。堰顶上游由三段圆弧相连而成，堰垂直水流方向布置，三圆弧的半径分别为R1=112.5cm、R2=45cm、R3=9cm。两种类型的洪水流量过程线对应的调洪演算如图1所示。

图1 平原型水库实用堰调洪成果

洪水过程线为Ⅰ型的水库，实用型堰兴利库容的提高率为20.05%；洪水过程线为Ⅱ型的水库，实用型堰兴利库容的提高率为 3.15%。峰高型洪水过程线即Ⅰ型洪水过程线兴利库容的提高率更高。调洪计算结果见表1。

表1 平原型水库实用型堰调洪结果

3.2 溢洪道建闸工程改建方案

溢洪道建闸工程改建方案在原大坝溢洪道处修建闸门，闸门宽 10m，防洪限制水位为 1771m。高于防洪限制水位后，闸门全部开启；低于防洪限制水位时，开启控制闸门。不同类型的洪水流量过程线的调洪演算如图2所示。

在水库溢洪道上修建闸门控制，在库水位相同时，有闸溢洪道的泄洪能力大于无闸溢洪道；在同样满足下游河道允许安全泄量q允许的情况下，有闸控制的防洪库容小于无闸控制，可减少上游淹没损失和大坝投资。在汛期用以防洪，非汛期蓄水兴利，可以减小水库的总库容。可在区间来水较大时，利用闸门控制减小水库下泄量，待区间洪水减小时，再加大水库下泄量，使上游洪水与区间洪水错开，从而有效地削减下游河道的最大流量。洪水过程线为Ⅰ型和Ⅱ型的水库，溢洪道修建闸门其兴利库容的提高率分别为29.81%和23.56%。调洪计算结果见表2。

图2 平原型水库溢洪道建闸调洪成果

表2 平原型水库溢洪道建闸调洪结果

3.3 迷宫堰工程改建方案

迷宫堰主要通过堰高来提高水库水位，增加水库效益和调蓄能力。泄量一定时，可以显著降低溢流水头，进行迷宫堰工程增容改建，在泄洪量不变的情况下可实现正常蓄水位的抬高，进而达到增加水电站水头和有效库容的目的。通过水工模型试验，实现迷宫堰的体型的规划、淹没流和自由流流量系数的确定。迷宫堰工程寿命长，运行管理较为方便，供水期堰顶自然溢流，无需人工操作和维修。采用迷宫堰技术改造已建水库溢洪道，要求溢洪道泄槽有足够的底坡比和宽度，以避免因过堰能力增大导致泄槽段出现淹没流流态。结构上，根据工程条件，选择合适的尺寸参数和型式，并验算其稳定性和强度，以达到经济、安全的目的。

设计迷宫堰溢洪道的溢流宽度为10m，平面布置2个宫，总展长30m；堰顶采用1/4圆弧，堰高3m，半径0.3m ，宽高比为2；单宫正堰长0.65m，单宫长15m，单宫宽5m，单宫侧长6.2m，单宫中心线与侧墙夹角12°。不同水位情况下，两种洪水过程线迷宫堰泄流量成果如图3所示。

图3 平原型水库迷宫堰调洪成果

通过对正常蓄水位的高程进行比较，可以看到，对于平原型水库改建为迷宫堰而言，不论洪水过程线为Ⅰ型还是为Ⅱ型的水库，在保持校核洪水位不变时，均可将其正常蓄水位抬至最高，兴利库容的提高率分别为37.50%和20.21%。峰高型洪水过程线即Ⅰ型洪水过程线兴利库容的提高率更高。调洪计算结果见表3。

表3 平原型水库迷宫堰调洪结果

4 结 论

本文对菩萨庙水库采取实用型堰工程改建、溢洪道修建闸门、改造迷宫堰等增容措施的增容效果进行了分析，得出以下结论：

a.对于平原型水库而言，不论洪水过程线为Ⅰ型还是为Ⅱ型的水库，改建为迷宫堰可以将其正常蓄水位抬至最高，兴利库容的提高率分别为37.50%和20.21%，表明兴利库容恢复与扩充也最明显。

b.洪水过程线为Ⅰ型的水库，实用型堰兴利库容的提高率为20.05%；洪水过程线为Ⅱ型的水库，实用型堰兴利库容的提高率为 3.15%。

c.洪水过程线为Ⅰ型和Ⅱ型的水库，溢洪道修建闸门其兴利库容的提高率分别为29.81%和23.56%。

[1] 李孟俊,张坤强,高范华,等.于家河水库水电站增容改造经济效益分析研究[J].水利科技与经济,2015,(3):11-14.

[2] 黄家文,胡滢,李华穗.梯级水库联合优化调度模型及其应用[J].中国水能及电气化,2011(12):11-16.

[3] 买买提·塔什.基于RTK数字测深仪的水库容量计量研究[J].中国水能及电气化,2015(3):55-57.

[4] 梁文章,韩永升,孙强.石佛寺水库综合利用规划与生态水库建设初探[J].水利建设与管理,2010(4):79-80.

[5] 张朝辉.引观入本工程可供水量分析[J].水资源开发与管理,2015(4):35-37.

Comparative Study of Plain Reservoir Capacity Increasing Measure Effect

WANG Shijie

(LingyuanCityBodhisattvaTempleReservoirAdministrativeOffice,Chaoyang122500,China)

Reservoir is regarded as the important constituent part of water conservancy infrastructure and flood control project system in our country, which plays an important role in water supply, electricity generating, irrigation, flood control and so on. At present, small reservoir mainly faces problems such as increasing of water supply volume and sedimentation and so on, the utilizable capacity of reservoir is difficult to realize and then affects the playing of reservoir benefit. In order to improve capacity-increase effect of the reservoir, the article put forward three rebuilding scheme to plain reservoir and make research to the capacity increase effect of utility-type weir, maze weir and building gate on spillway via MATLAB software flood regulation procedure. The research is significant to enhance reservoir utilizable capacity, improve regional environment and give play to the economic benefit of the project.

plain reservoir; capacity increase measures; utilizable capacity; flood discharge curve

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.03.010

TV62

A

1673- 8241(2017)03- 0034- 04