五強(qiáng)溪水庫擴(kuò)大防洪庫容初步研究

朱方亮，呂朝陽

（中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖南長沙410014）

五強(qiáng)溪水庫擴(kuò)大防洪庫容初步研究

朱方亮，呂朝陽

（中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖南長沙410014）

五強(qiáng)溪系沅水中下游的關(guān)鍵性綜合利用樞紐工程，在沅水尾閭以及洞庭湖區(qū)的防洪工程體系中具有舉足輕重的地位和作用。目前，五強(qiáng)溪正常蓄水位108m方案的13.6億m3防洪庫容只能滿足沅水尾閭地區(qū)遭遇20年一遇洪水時(shí)的防洪需要。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，下游防洪要求日益提升，為充分發(fā)揮五強(qiáng)溪水庫的防洪作用，減輕上下游洪水災(zāi)害，本論文全面分析研究擴(kuò)大五強(qiáng)溪水庫的防洪庫容、提高五強(qiáng)溪水庫防洪能力問題，通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)論證最終推薦一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行方案，對(duì)國內(nèi)類似水庫防洪庫容調(diào)整具備重要借鑒作用。

五強(qiáng)溪；擴(kuò)大；防洪庫容

1 前言

五強(qiáng)溪系沅水中下游的關(guān)鍵性綜合利用樞紐工程，在沅水尾閭以及洞庭湖區(qū)的防洪工程體系中具有舉足輕重的地位和作用，因而在沅水河流規(guī)劃以及五強(qiáng)溪水電站的勘測(cè)設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于五強(qiáng)溪水庫的正常蓄水位和防洪庫容都給予了高度重視和反復(fù)研究。經(jīng)多年調(diào)整反復(fù)研究，1983年9月《五強(qiáng)溪水電站初步設(shè)計(jì)修改報(bào)告》確定正常蓄水位為108m、防洪庫容13.6億m3，得到國家批準(zhǔn)并付諸實(shí)施。從防洪能力來看，五強(qiáng)溪正常蓄水位108m方案的13.6億m3防洪庫容只能滿足沅水尾閭地區(qū)遭遇20年一遇洪水時(shí)的防洪需要。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，下游防洪要求日益提升，同時(shí)結(jié)合規(guī)范規(guī)定，沅水尾閭地區(qū)重點(diǎn)堤垸的防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)達(dá)到30年～50年一遇，常德市應(yīng)達(dá)到50年～100年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)。沅水1995年、1996年、1998年、1999年、2003年連續(xù)發(fā)生洪峰流量達(dá)30000m3/s～40000m3/s的大洪水，五強(qiáng)溪水庫充分利用有限的防洪庫容攔洪削峰，在尾閭地區(qū)防洪減災(zāi)中發(fā)揮了重大作用。但受到防洪庫容的限制，一方面尾閭及洞庭湖區(qū)堤垸仍有潰決，直接經(jīng)濟(jì)損失慘重；另一方面采用水庫超蓄少泄方式，水庫超設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)蓄洪調(diào)度超出了水庫自身的防洪能力，工程風(fēng)險(xiǎn)大、庫區(qū)損失嚴(yán)重?；谶@種形勢(shì)，為有效減輕五強(qiáng)溪、凌津?yàn)靺^(qū)及沅水尾閭的洪水災(zāi)害，應(yīng)最大限度地發(fā)揮沅水五強(qiáng)溪水庫的防洪作用，全面分析研究擴(kuò)大五強(qiáng)溪水庫的防洪庫容、提高五強(qiáng)溪水庫防洪能力問題非常必要。

2 沅水尾閭地區(qū)的防洪工程現(xiàn)狀

2.1 沅水尾閭地區(qū)的防洪工程現(xiàn)狀

沅水尾閭地區(qū)地勢(shì)低洼，河勢(shì)寬闊，而沅水洪水峰高量大，河道泄量不夠，洞庭湖因泥沙淤積，湖床漸高，形成“易進(jìn)難泄、互相頂托”的局面，全靠堤防進(jìn)行保護(hù)，汛期漲洪時(shí)洪水位可高出地面幾米至十幾米。尾閭地區(qū)洪災(zāi)頻繁，區(qū)內(nèi)191.53萬畝農(nóng)田，211.37萬人口常受洪水威脅。解放后50多年來，共發(fā)生大洪水12次，其中大面積成災(zāi)洪水8次，防洪情勢(shì)較為嚴(yán)峻。

目前沅水尾閭地區(qū)的一線防洪大堤總長401.254km，其中沅水沿河堤防358.084km。從總體防洪能力來看，天然情況下沅水尾閭地區(qū)堤防所能抵御的洪水標(biāo)準(zhǔn)約為5～8年一遇；在五強(qiáng)溪、風(fēng)灘水庫發(fā)揮削峰蓄洪作用的條件下，尾閭地區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)可由5～8年一遇提高到相當(dāng)于20年一遇。

沅水尾閭地區(qū)的堤垸，從地形地貌特征和堤垸形成過程看，有兩種類型，一是沿湖、河洲灘低地圍垸，背后靠山崗地的傍山堤垸，如沅澧、沅南等重點(diǎn)垸；二是四周環(huán)湖，閉合圈式純圍堤垸。每當(dāng)汛期河、湖漲水，堤垸內(nèi)降雨形成的徑流不能自流外排，特別是傍山堤垸，除本垸降雨形成的徑流外，還有山水入垸，漬澇成災(zāi)，在尾閭地區(qū)幾乎年年都有發(fā)生。大水年份外洪、內(nèi)澇災(zāi)害同時(shí)發(fā)生，損失嚴(yán)重。

2.2 洪災(zāi)損失

自1925年有水文記載以來，沅水流域共發(fā)生過18次大洪水，其中11次洪水給尾閭地區(qū)帶來較嚴(yán)重的洪災(zāi)損失。解放以來的50多年間，沅水尾閭發(fā)生較大的洪水12次（平均4～5年發(fā)生一次），有8次使尾閭地區(qū)大面積成災(zāi)，其中尤以1949年、1954年、1995年、1996年和1998年災(zāi)情較為嚴(yán)重，累計(jì)受災(zāi)面積2705.6萬畝，成災(zāi)面積182.92萬畝，受災(zāi)人口130.02萬人。沅水尾閭地區(qū)部分年份受洪災(zāi)情況見表1。

表1 沅水尾閭地區(qū)歷年洪災(zāi)損失情況表

3 五強(qiáng)溪水庫擴(kuò)大防洪庫容方案擬定

五強(qiáng)溪水電站正常蓄水位為108.00m，為更充分地發(fā)揮工程的作用，設(shè)計(jì)過程中考慮適當(dāng)留有余地，樞紐主要建筑物如大壩按正常蓄水位110.00m設(shè)計(jì)。壩頂高程的確定綜合考慮了設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位和船閘通航3種情況，最后按通航情況控制確定壩頂高程為117.50m。五強(qiáng)溪水庫的防洪能力主要由五強(qiáng)溪水庫的防洪特征水位（防洪高水位、汛期限制水位）和下游尾閭洪道安全泄量等幾方面因素所決定。這里主要通過抬高防洪高水位增加五強(qiáng)溪防洪庫容。

3.1 五強(qiáng)溪現(xiàn)狀運(yùn)行方案

五強(qiáng)溪水庫正常蓄水位108m，防洪高水位108m，汛期限制水位98m，防洪庫容13.6億m3。該方案為防洪能力分析比較基礎(chǔ)方案。

3.2 五強(qiáng)溪擴(kuò)大防洪庫容方案

鑒于五強(qiáng)溪工程的大壩、閘門等建筑物在工程施工時(shí)均按110m蓄水位建設(shè)，本次研究擴(kuò)大防洪庫容方案擬定按正常蓄水位108m和110m、防洪高水位抬高到110m和112m分析考慮。若防洪高水位112m基礎(chǔ)上進(jìn)一步抬高，除水庫淹沒較110m、112m水位方案大幅增加外，還大大超過了工程設(shè)計(jì)工況，涉及大壩加高加固、泄水建筑物和泄洪消能設(shè)施改造加固等問題。工程上是否可行，必須進(jìn)行全面的復(fù)核和設(shè)計(jì)研究，并進(jìn)行樞紐工程的改造加固方案的設(shè)計(jì)、科研工作，情況相當(dāng)復(fù)雜，實(shí)施難度非常大。據(jù)此，本次主要擬定了以下4個(gè)擴(kuò)大防洪庫容方案進(jìn)行對(duì)比研究。各方案水庫特征水位及相應(yīng)的水庫防洪庫容列于表2。

表2 各方案水庫特征水位及相應(yīng)防洪庫容表

4 五強(qiáng)溪水庫防洪調(diào)度初步研究

4.1 洪水調(diào)度原則與方式

五強(qiáng)溪水庫的防洪調(diào)度方式為:鳳灘、五強(qiáng)溪水庫為下游尾閭防洪調(diào)度按桃源站現(xiàn)狀安全泄量23000m3/s考慮控制，采用對(duì)區(qū)間洪水補(bǔ)償并適當(dāng)考慮區(qū)間洪水預(yù)報(bào)誤差的調(diào)度方式，凌津?yàn)┧畮炫浜线\(yùn)行。防洪高水位以下，按滿足尾閭防洪要求調(diào)度，即五強(qiáng)溪水庫為下游攔洪，使尾閭河道流量不超過其安全泄量；當(dāng)水位達(dá)到防洪高水位后，按大壩防洪要求調(diào)度，即五強(qiáng)溪水庫不再為下游尾閭專門攔蓄洪水，根據(jù)入庫洪水流量控制下泄。

4.2 五強(qiáng)溪水庫防洪能力分析

在現(xiàn)狀安全泄量23000m3/s的條件下，五強(qiáng)溪水庫各擴(kuò)大防洪庫容方案防洪能力計(jì)算成果列于表3。

表3 五強(qiáng)溪水庫各擴(kuò)大防洪庫容方案防洪能力計(jì)算成果表

從上述防洪能力計(jì)算結(jié)果分析，與鳳灘水庫進(jìn)行聯(lián)合防洪調(diào)度，五強(qiáng)溪水庫擴(kuò)大防洪庫容方案1和方案3，防洪高水位由目前的108m抬高至110m，可將下游尾閭地區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)由現(xiàn)狀的30年一遇提高到40年一遇；方案2和方案4防洪高水位進(jìn)一步抬高到112m，則防洪標(biāo)準(zhǔn)可提高到55年一遇；隨著防洪高水位的抬高，防洪效果顯著。

5 五強(qiáng)溪水庫防洪效益分析

5.1 防洪效益計(jì)算原則和方法

根據(jù)沅水尾閭地區(qū)分蓄洪區(qū)洪災(zāi)損失調(diào)查情況，針對(duì)五強(qiáng)溪水庫擬定的不同防洪高水位方案，采用五強(qiáng)溪水庫攔截超額洪量替代堤垸蓄洪的計(jì)算方法，分析五強(qiáng)溪水庫各防洪高水位方案的防洪效益。

五強(qiáng)溪水庫對(duì)尾閭地區(qū)的防洪作用體現(xiàn)在對(duì)該地區(qū)超額洪量的攔截效果上，由于擬定的108m、110m、112m三個(gè)防洪高水位方案的防洪庫容不同，各方案的防洪作用亦不同。超額洪量計(jì)算采用五強(qiáng)溪各防洪高水位方案桃源站經(jīng)五強(qiáng)溪調(diào)節(jié)后的洪水過程，分別計(jì)算各方案在沅水尾閭河段允許泄量條件下（23000m3/s）各頻率洪水的超額洪量，并通過比較五強(qiáng)溪各防洪高水位方案各頻率洪水的超額洪量來分析其防洪效益。各方案沅水尾閭地區(qū)的各頻率洪水超額洪量計(jì)算結(jié)果見表4。

5.2 洪災(zāi)損失經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

各垸分、蓄洪損失主要考慮農(nóng)業(yè)損失、工業(yè)損失及固定資產(chǎn)損失三大塊。農(nóng)業(yè)損失按各垸年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值計(jì)算，工業(yè)損失按8個(gè)月產(chǎn)值計(jì)算，固定資產(chǎn)損失按損失率折算。固定資產(chǎn)損失率與蓄洪水深及淹沒時(shí)間有關(guān)，根據(jù)該區(qū)洪水特點(diǎn)，蓄洪淹沒歷時(shí)一般在15d以上，在實(shí)地調(diào)查各可能分、蓄洪垸固定資產(chǎn)分布情況的基礎(chǔ)上，繪制淹沒歷時(shí)15d以上的綜合蓄洪深度～固定資產(chǎn)損失率關(guān)系曲線，見圖1。據(jù)此確定各分、蓄洪垸固定資產(chǎn)損失見表5。

表4 沅水尾閭超額洪量成果表

圖1 蓄洪水深～固定資產(chǎn)損失率曲線

表5 各垸分蓄洪損失經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算表

5.3 防洪效益計(jì)算

本次防洪效益分析主要為五強(qiáng)溪水庫擴(kuò)大防洪庫容對(duì)比現(xiàn)狀條件下所增加的防洪效益，該效益體現(xiàn)在不同防洪高水位方案所增加攔蓄的超額洪量，減少下游分洪量（蓄洪量），從而減小洪災(zāi)損失。采用洪災(zāi)損失頻率曲線法進(jìn)行分析，分別計(jì)算五強(qiáng)溪水庫各防洪高水位方案相應(yīng)尾閭地區(qū)的防洪效益。

（1）洪災(zāi)損失頻率曲線

根據(jù)各可能分、蓄洪堤垸的分蓄洪次序、有效蓄洪量及估算的分洪損失經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，計(jì)算不同蓄洪量對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)損失值，成果見表6。然后采用不同頻率洪水在現(xiàn)狀防洪高水位（108m）條件下的超額洪量替代分蓄洪量，計(jì)算經(jīng)濟(jì)損失，即可求得洪災(zāi)損失頻率曲線（見表7）?？紤]到不同級(jí)蓄洪量經(jīng)濟(jì)損失并非定值，故洪災(zāi)損失頻率曲線為折線。

表6 蓄洪量～蓄洪損失對(duì)照表

表7 現(xiàn)狀條件下（五強(qiáng)溪防洪高水位108m）洪災(zāi)損失頻率曲線

（2）各防洪高水位方案多年平均防洪效益

根據(jù)前述章節(jié)調(diào)洪演算及超額洪量計(jì)算，當(dāng)五強(qiáng)溪防洪高水位由108m提高至110m時(shí)，能提高下游防洪能力至40年一遇，增加攔蓄超額洪量11.63億m3；當(dāng)防洪高水位由108m提高至112m時(shí)，能提高下游防洪能力至55年一遇，增加攔蓄超額洪量16.1億m3。結(jié)合洪災(zāi)損失頻率曲線，各防洪高水位方案多年平均防洪效益計(jì)算成果見表8。

表8 五強(qiáng)溪水庫各防洪高水位方案多年平均防洪效益表

6 各方案投資及經(jīng)濟(jì)性分析

6.1 各方案投資

根據(jù)上述五強(qiáng)溪水庫各擴(kuò)大防洪庫容方案樞紐建筑物調(diào)整和水庫淹沒調(diào)查情況，各方案工程總投資估算見表9。

表9 五強(qiáng)溪各擴(kuò)大防洪庫容方案工程投資估算表單位:萬元

6.2 方案經(jīng)濟(jì)性分析

五強(qiáng)溪水庫各擴(kuò)大防洪庫容方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)匯總見表10。

表10 五強(qiáng)溪水庫各擴(kuò)大防洪庫容方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)匯總

可見，方案1經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率為10.21%，大于基準(zhǔn)收益率7%，經(jīng)濟(jì)上可行，且其他指標(biāo)相對(duì)較優(yōu)。綜合考慮，推薦五強(qiáng)溪水庫擴(kuò)大防洪庫容方案1，即正常蓄水位維持現(xiàn)狀108.00m、防洪高水位提高到110.00m方案，方案經(jīng)濟(jì)合理，現(xiàn)實(shí)可行。

7 結(jié)論與建議

根據(jù)上述研究成果，建議五強(qiáng)溪水庫正常蓄水位不再抬高，而只抬高防洪高水位，將防洪高水位抬高到110m，五強(qiáng)溪水庫防洪庫容可擴(kuò)大到17.05億m3，現(xiàn)狀安全泄量條件下，可使下游防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到40年一遇。實(shí)施方案1，樞紐工程無需改造，主要是要解決好水庫人口搬遷或城鎮(zhèn)防護(hù)問題；另外，方案1可增加3.45億m3的防洪庫容，在現(xiàn)狀安全泄量條件下，可使尾閭地區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到40年一遇，增加水庫多年平均防洪效益0.85億元，效益比較顯著。

［1］朱方亮，等.湖南省沅水五強(qiáng)溪水庫擴(kuò)大防洪庫容初步研究［R］.中國水電顧問集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院、湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院，2010.

［2］方紅遠(yuǎn)，王銀堂，胡慶芳.區(qū)域洪水資源利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2009，20（05）.

［3］王艷艷.洪水管理經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)研究進(jìn)展［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2013，22（04）.

［4］張國軍.黃河寧夏段洪水冰凌特性與防洪效益分析［J］.人民黃河，2013（03）:35-37.

TV21

A

1672-2469（2015）10-0041-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.10.13

朱方亮（1977年—），男，高級(jí)工程師。