水利工程對(duì)分水江水面線(xiàn)影響分析

姬戰(zhàn)生，張飛珍，孫映宏

(1.杭州市水文水資源監(jiān)測(cè)總站，浙江 杭州 310016;2.杭州市南排工程建設(shè)管理處，浙江 杭州 310020)

分水江水文站至分水江水庫(kù)壩址河段位于分水江中下游，河段長(zhǎng) 12.07 km，區(qū)間集水面積470 km2，占分水江流域總面積的13.65%.20世紀(jì)以來(lái)，分水江流域頻發(fā)大洪水，建國(guó)后發(fā)生大水災(zāi)10余次，平均5 a左右一次.桐廬縣位于分水江中下游，其災(zāi)情尤其嚴(yán)重［1］.為緩解分水江中下游防洪壓力，2000年2月，浙江省人民政府決定對(duì)分水江進(jìn)行四級(jí)開(kāi)發(fā)，即青山殿、分水江、畢浦、浪石埠四個(gè)梯級(jí);分水江水庫(kù)以防洪為主，畢浦電站以發(fā)電為主，兼顧防洪1)汪恒強(qiáng)，李云進(jìn).錢(qián)塘江流域綜合規(guī)劃［R］.杭州:浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，1999..雖然分水江水庫(kù)建成后可攔洪削峰，提高下游沿岸大片農(nóng)田和鄉(xiāng)鎮(zhèn)防洪標(biāo)準(zhǔn)，減少洪災(zāi)發(fā)生的概率2)金志玉.浙江省分水江水利樞紐工程水庫(kù)運(yùn)行及調(diào)度方案［R］.杭州:浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，2005.，但大洪水時(shí)水庫(kù)下泄流量仍較大，下游河道現(xiàn)有堤防防御能力有限，加上沿程水利、交通等工程的影響，2008－06－16—18分水江流域發(fā)生了近10 a來(lái)的最大洪水，洪災(zāi)損失慘重，分水江水文站至分水江水庫(kù)壩址區(qū)間河段沿岸農(nóng)田和鄉(xiāng)鎮(zhèn)災(zāi)情尤其嚴(yán)重.因此，計(jì)算畢浦電站建壩前后分水江水文站至水庫(kù)壩址區(qū)間河段洪水水面線(xiàn)，分析分水江水庫(kù)不同下泄流量、畢浦電站建壩對(duì)區(qū)間河段水面線(xiàn)的影響，為區(qū)域防洪減災(zāi)、河道堤防整治、規(guī)范河道內(nèi)采砂管理、交通水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)等提供科學(xué)依據(jù)，具有十分重要的意義.

文中所有高程基面均采用1985黃海高程基面，所有河道累計(jì)距離均從分水江水文站起算.

1 流域概況

分水江是錢(qián)塘江的一級(jí)支流，也是下游左岸最大的支流，發(fā)源于浙皖交界的山云嶺，河長(zhǎng)164.2 km，河道平均坡降 2.32‰，流域集水面積3444 km2.分水江流域地勢(shì)西北高東南低，流域上游為切割破碎的山丘地貌，主流上、中游段坡陡流急，屬典型的山溪性河流，洪水陡漲陡落，峰高量大;主流下游方埠至桐廬河段坡度減緩，下游(河口上溯12.5 km)受錢(qián)塘江潮汐及富春江洪水頂托影響.加上分水江流域雨量豐沛，多年平均降雨量1654.0 mm，分水站多年平均徑流深951.5 mm，是浙江省暴雨中心之一，因此洪災(zāi)嚴(yán)重而頻繁.

分水江水庫(kù)位于桐廬縣分水鎮(zhèn)上游2.5 km處五里亭，壩址以上集水面積2630 km2，占分水江流域總面積的76.4%;工程以防洪為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧灌溉、供水和旅游等綜合利用，總庫(kù)容19260萬(wàn)m3，防洪庫(kù)容為14350萬(wàn)m3.畢浦電站位于分水江下游桐廬縣瑤琳鎮(zhèn)，上距分水江水庫(kù)10.47 km，壩址以上集雨面積3099km2，以發(fā)電為主，兼顧防洪、旅游等綜合作用;工程采用引水式電站布置形式，攔河壩采用寬頂混凝土重力堰壩，堰頂設(shè)5.25 m高橡膠壩袋，固定堰頂高程21.75 m，正常蓄水高程27.00 m.

分水江水文站位于畢浦電站壩址下游，控制集水面積3100 km2，是分水江流域的重要控制站，也是本次計(jì)算的主要設(shè)計(jì)依據(jù)站.該站2003年1月從五里亭(現(xiàn)分水江水庫(kù)壩址)遷至瑤琳鎮(zhèn)畢浦村，主要觀測(cè)項(xiàng)目有降水量、水位、流量等要素，均已通過(guò)資料整編，精度可靠.

2 研究方法

天然河道水面線(xiàn)計(jì)算方法很多，本次計(jì)算采用伯努利方程二分法試算程序求解，并利用實(shí)測(cè)“2008－06－18”洪水沿程洪痕率定參數(shù).

2.1 基本原理

伯諾里方程:

式中，符號(hào)下標(biāo)1、2分別代表同一河段的下游斷面和上游斷面;

Z—斷面水位;V—斷面流速;

α—?jiǎng)幽苄Ｕ禂?shù);g—重力加速度;

hf—沿程水頭損失;hj—局部水頭損失.

采用二分法試算求解，(1)式變?yōu)?

式中，H—上游斷面的試算水位，則當(dāng)Z≈0時(shí)，H即為其解.試算時(shí)，將H的范圍取為高于河底而低于斷面最高點(diǎn)，如果河水超過(guò)斷面最高點(diǎn)時(shí)，斷面需要加高.

2.2 資料的選用

2.2.1 歷史洪水選擇

在水面線(xiàn)計(jì)算中，歷史洪水不僅是推求河道糙率的寶貴資料，更是檢驗(yàn)計(jì)算成果的重要依據(jù)，因此歷史洪水資料的處理十分重要［2］.“2008－06－18”洪水，研究河段發(fā)生了10 a來(lái)最大的洪水，兩岸村鎮(zhèn)和農(nóng)田受淹嚴(yán)重，因此本文選用此次典型洪水調(diào)查資料作為計(jì)算依據(jù).該次調(diào)查是根據(jù)分水江河道地形圖，選定比較順直的河段或彎道、卡口、橋梁等控制斷面的上游，結(jié)合房屋、沙場(chǎng)、橋梁、河堤、階石等，通過(guò)記憶力強(qiáng)、關(guān)心漲水情況的群眾指認(rèn)洪水痕跡或調(diào)查人員調(diào)查房屋、河堤洪水淹沒(méi)痕跡;與群眾在現(xiàn)場(chǎng)討論、查找、辨認(rèn)，對(duì)洪痕的可靠程度作出初步判斷后，再通過(guò)對(duì)同一斷面位置附近左右岸3～5個(gè)洪痕高程的反復(fù)比較分析，最終確認(rèn)該處洪痕高程，其可靠性較高.

“2008－06－18”洪水時(shí)，畢浦電站攔河大壩工程和引水系統(tǒng)基本完成，但橡皮壩尚未啟用，壩址處為寬頂堰過(guò)流.

2.2.1 河道斷面測(cè)量

在進(jìn)行“2008－06－18”洪水調(diào)查的同時(shí)，根據(jù)河道自身變化、洪痕位置及洪水期水流的平均流向等特征，從分水江水文站至分水江水庫(kù)壩址共布設(shè)并實(shí)測(cè)17個(gè)大斷面.斷面間距一般控制在1 km以?xún)?nèi)，彎道、卡口河段適當(dāng)縮小斷面間距.

2.3 參數(shù)率定及合理性分析

河道的糙率與很多因素有關(guān)，如河道的彎曲程度，橫斷面形狀的不規(guī)則性、河床質(zhì)組成、坡面植被組成等.這些復(fù)雜的因素不僅沿河道的長(zhǎng)度變化，而且在同一斷面上也隨水位的變化而有所不同［3］.水面線(xiàn)計(jì)算中，糙率是一個(gè)十分敏感的參數(shù)，糙率的一點(diǎn)細(xì)微變化，都會(huì)引起計(jì)算結(jié)果發(fā)生較大的變化.為準(zhǔn)確計(jì)算研究河段水面線(xiàn)，本文結(jié)合“2008－06－18”洪水調(diào)查成果，以各調(diào)查洪痕水位誤差平方和最小為控制原則，對(duì)各河段主河槽、河漫灘采用不同的糙率進(jìn)行率定驗(yàn)證，主河床糙率取值范圍為0.02～0.035，彎道處和河漫灘糙率較大，取值范圍為 0.035～0.05.率定結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 部分洪痕水位與計(jì)算水位對(duì)比表 m

將所調(diào)查洪痕連成洪水水面線(xiàn)，與計(jì)算河段水位水面線(xiàn)和河床縱斷面相比較，見(jiàn)圖1，可知率定水面線(xiàn)與沿程洪痕水面線(xiàn)擬合程度比較好;河底高程有變化的地方，對(duì)應(yīng)河段水面線(xiàn)也相應(yīng)變化，水面線(xiàn)與河底高程的變化趨勢(shì)具有一致性.因此，率定所得參數(shù)比較可靠，后續(xù)計(jì)算的水面線(xiàn)成果合理.

圖1 計(jì)算水面線(xiàn)與調(diào)查洪痕、河底高程沿程變化對(duì)比圖

3 成果與分析

3.1 洪水地區(qū)組成

畢浦電站壩址洪水由分水江水庫(kù)下泄洪水與畢浦電站壩址至分水江水庫(kù)壩址區(qū)間洪水疊加組成.為推求畢浦電站壩址洪水，并計(jì)算畢浦電站壩址以上河段水面線(xiàn)，需研究分水江水庫(kù)下泄洪水與區(qū)間洪水的組合.

因區(qū)間流域面積(F=469 km2)較小，匯流時(shí)間短;分水江水庫(kù)壩址以上流域面積(F=2630 km2)較大，匯流時(shí)間長(zhǎng);加上分水江水庫(kù)洪水經(jīng)水庫(kù)調(diào)節(jié)后，出庫(kù)洪峰滯后于入庫(kù)洪峰，因此，區(qū)間洪峰與分水江水庫(kù)下泄洪峰到達(dá)畢浦電站壩址并不同時(shí)，即區(qū)間洪峰出現(xiàn)時(shí)間先于分水江水庫(kù)下泄洪峰.為分析洪水地區(qū)組合，現(xiàn)利用“2006－01－19”、“2007－10－08”、“2008－06－11”、“2008－06－18”四次大洪水資料，分析分水江水庫(kù)最大下泄流量與下游分水江水文站對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)流量峰值得到流量對(duì)應(yīng)關(guān)系，見(jiàn)表2.

表2 分水江水庫(kù)最大下泄流量與分水江水文站實(shí)測(cè)最大流量比照表 m3/s

由表2知，4次洪水客觀反映了分水江水庫(kù)最大下泄流量與下游區(qū)間對(duì)應(yīng)流量之間的組合關(guān)系，即區(qū)間對(duì)應(yīng)流量與分水江水庫(kù)最大下泄流量峰值的比值在0.14～0.29之間.為合理選擇比值，提出三種組合情況進(jìn)行敏感性分析，確定畢浦電站壩址流量.即組合1:比值為0.20;組合2:比值為0.25;組合3:比值為0.30.

3.2 起調(diào)水位計(jì)算

3.2.1 畢浦電站建壩前

建壩前，河道水面線(xiàn)計(jì)算以分水江水文站為起始計(jì)算點(diǎn).起調(diào)水位低水部分利用分水江水文站水位流量關(guān)系曲線(xiàn)，高水部分延長(zhǎng)高水部分水位流量關(guān)系曲線(xiàn)，由流量求得相應(yīng)水位值，成果見(jiàn)表3.

3.2.2 畢浦電站建壩后

建壩后，河道水面線(xiàn)計(jì)算以畢浦電站壩址為起始計(jì)算點(diǎn)，起調(diào)水位根據(jù)寬頂堰過(guò)流公式計(jì)算求得，成果見(jiàn)表4.

表3 各組合情況下分水江水文站流量與相應(yīng)水位表

表4 各組合情況下畢浦電站壩址流量與相應(yīng)水位表

3.3 組合方案選擇

在確定河道糙率、起調(diào)流量和起調(diào)水位的基礎(chǔ)上，利用天然河道水面線(xiàn)系統(tǒng)計(jì)算三種組合方案區(qū)間河段的水面線(xiàn)，并通過(guò)比較分水江水庫(kù)下泄相同流量時(shí)不同組合方案之間的水位差值選擇最為合理的組合.為保證計(jì)算結(jié)果具有代表性，選取分水江水庫(kù)主汛期20 a一遇最大下泄流量4000 m3/s作為計(jì)算流量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5.

表5 分水江水庫(kù)下泄4000m3/s時(shí)各組合建壩前后區(qū)間水面線(xiàn)計(jì)算成果表 m

由表5可知，分水江水庫(kù)20 a一遇同一下泄流量情況下，建壩前組合2區(qū)間水位比組合1高0.10～0.23 m，組合 3區(qū)間水位比組合2高 0.11～0.30 m;建壩后組合2區(qū)間水位比組合1高0.14～0.20 m，組合 3區(qū)間水位比組合 2高 0.13～0.20 m;建壩前后不同組合方案之間區(qū)間水位最大差值在0.10～0.30 m之間.因此，根據(jù)合理和偏安全的原則，選用區(qū)間對(duì)應(yīng)流量與分水江水庫(kù)最大下泄流量比值為0.25組合2方案.

3.4 水面線(xiàn)計(jì)算分析

組合2方案畢浦電站建壩前后分水江水庫(kù)不同下泄流量下區(qū)間水面線(xiàn)計(jì)算成果見(jiàn)表6，其中(1)～(15)分別代表分水江水庫(kù)下泄流量(Q下)為1000 ～7000 m3/s(增幅為500 m3/s)、7250 m3/s、7500 m3/s時(shí)建壩前后的水面線(xiàn)計(jì)算成果.畢浦水電站建壩后，分水江水庫(kù)下泄流量為7500 m3/s、畢浦電站壩址流量為9375 m3/s時(shí)，分水大橋附近會(huì)被淹沒(méi)，超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，不予考慮.

由表6可知，分水江水庫(kù)下泄流量小于3000 m3/s時(shí)，相鄰兩條水面線(xiàn)間水位差在0.60～1.00 m之間，上下游水位變幅相對(duì)較大;分水江水庫(kù)下泄流量為3000～7000 m3/s時(shí)，相鄰兩條水面線(xiàn)間水位差在0.40～0.60 m之間，上下游水位變幅相對(duì)較小;分水江水庫(kù)下泄流量大于7000 m3/s時(shí)，相鄰兩條水面線(xiàn)間水位差在0.20～0.40 m之間，上下游水位變幅更小.

畢浦電站建壩后，對(duì)區(qū)間河段水面線(xiàn)影響較大，壩址附近水位相差最大，越向上游影響越小，至分水江水庫(kù)附近時(shí)基本相差不大.選取分水江水庫(kù)20年一遇下泄流量4000 m3/s作為代表工況比較畢浦電站建壩前后水面線(xiàn)變化情況，見(jiàn)圖2.可知，建壩后壩址水位比建壩前高2.00 m左右，壩址上游3250 m處水位高1.00 m，壩址上游5100 m處水位高 0.50 m.

“2008－06－18”洪水，分水江水庫(kù)最大入庫(kù)流量為6200 m3/s，而最大出庫(kù)流量為4060 m3/s，洪峰流量削減了2140 m3/s(占總流量的34.5%).根據(jù)計(jì)算，分水江最大下泄4000 m3/s時(shí)，畢浦電站壩址處建壩前水位為 26.50 m，而建壩后水位為28.47 m，壩址處水位抬升了將近2 m.

圖2 組合2分水江水庫(kù)下泄4000 m3/s時(shí)區(qū)間水面線(xiàn)

?

4 結(jié)語(yǔ)

(1)天然河道水面線(xiàn)分析計(jì)算原理簡(jiǎn)單，方法多樣，但每個(gè)流域自然地理情況千差萬(wàn)別，控制斷面和歷史洪水的處理、每段河道糙率的選擇、洪水地區(qū)組成分析處理等對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很大.本文利用歷史洪水對(duì)洪水地區(qū)組成的處理辦法具有重要的借鑒意義.

(2)隨分水江水庫(kù)下泄流量增加，相鄰兩條水面線(xiàn)間水位差和上下游水位變幅變小;畢浦電站建壩后，對(duì)區(qū)間河段水面線(xiàn)影響較大，壩址附近水位大幅抬升，越向上游抬升幅度越小，至分水江水庫(kù)壩址附近基本相差不大.(3)通過(guò)分析分水江水庫(kù)不同下泄流量、畢浦電站建壩對(duì)區(qū)間河段水面線(xiàn)的影響，不但可以指導(dǎo)水庫(kù)對(duì)實(shí)時(shí)洪水進(jìn)行科學(xué)調(diào)度，將洪水災(zāi)害降低至最小程度，而且為保護(hù)好沿河兩岸重要防洪地區(qū)與項(xiàng)目、河道堤防整治、交通水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)等提供重要科學(xué)依據(jù).

［1］桐廬縣志編纂委員會(huì).桐廬縣志［M］.杭州:浙江人民出版社，1991.

［2］周 艏，許小娟，孫以三.連江干流洪水水面線(xiàn)分析［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2005，3(2):46 －48.

［3］姬戰(zhàn)生，孫映宏，何曉洪.杭州南沙平原河網(wǎng)新增取水口取水可靠性研究［J］.水電能源科學(xué)，2008，26(3):113 －115.