汾河太原段梯級橡膠壩調(diào)度運(yùn)用方式研究

楊菊香

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

汾河太原段梯級橡膠壩調(diào)度運(yùn)用方式研究

楊菊香

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

汾河干流太原城區(qū)段三期治理工程建成后，上下游橡膠壩形成了連接水面。為確保汛期塌壩時(shí)下游河段防洪安全，通過分析計(jì)算最大下泄流量、塌壩時(shí)間和洪水波傳播速度等調(diào)度運(yùn)行限制條件，根據(jù)梯級橡膠壩不同塌壩順序、時(shí)間進(jìn)行多方案調(diào)度的設(shè)計(jì)及計(jì)算，選定了合理可行的運(yùn)行方案。

梯級橡膠壩；調(diào)度運(yùn)行；塌壩流量；汾河

1 概況

已建的汾河太原城區(qū)段一期、二期治理工程北起柴村橋，南至祥云橋下游500m，總長約20km；綜合治理三期工程是二期工程的延續(xù)，工程區(qū)位于太原市南部新區(qū)的汾河主河道上，北起二期工程末端的祥云橋下游500m，南至?xí)x祠迎賓路下游2km，全長約12km。一期、二期治理工程自上游向下游共設(shè)有7道橡膠壩，其中一期工程4道，二期工程3道。三期工程擬設(shè)3道橡膠壩。

汾河三期工程建成后，上下游10處橡膠壩形成了連接水面，總長度32km，蓄水總量2200萬m3，容量較大。調(diào)度要求上游汾河二庫下泄流量到達(dá)各橡膠壩壩址前，各橡膠壩需完成塌落運(yùn)行工作。即相當(dāng)于上游沒有來水情況下10座橡膠壩塌落運(yùn)行調(diào)度的工況，即在上游下泄洪水到達(dá)前橡膠壩塌落完畢，蓄水泄空，只考慮10處橡膠壩的蓄水疊加，不疊加二庫下泄洪水的調(diào)度運(yùn)行；各級橡膠壩塌壩后疊加最大泄量不得超過下游河道防洪標(biāo)準(zhǔn)要求的洪峰流量，不能給下游造成人為洪水災(zāi)害。因此，10座橡膠壩能否安全調(diào)度運(yùn)行，成為汾河三期治理工程立項(xiàng)的重要條件。

2 調(diào)度運(yùn)行限制條件

2.1 下游允許最大泄量

汾河二庫與汾河太原城區(qū)段一、二、三期治理河段采用洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度。當(dāng)汾河二庫下泄流量到達(dá)各橡膠壩壩址前，各相應(yīng)橡膠壩需完成塌落運(yùn)行工作，以滿足下游河道的防洪標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)太原市防洪規(guī)劃，治理段三期3號壩下游河道的防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇洪水設(shè)計(jì)，洪峰流量為2000m3/s。因此10座橡膠壩塌壩流量疊加后的最大流量不得超過2000m3/s。

2.2 洪水波傳播速度選取

汾河太原城區(qū)治理段上游汾河干流上布設(shè)有寨上水文站、汾河二庫站和蘭村水文站，其中寨上站和蘭村站有較為完整的洪水測驗(yàn)資料，洪水傳播規(guī)律依據(jù)兩站實(shí)測資料計(jì)算分析。

寨上水文站位于汾河二庫壩址上游23km，蘭村水文站位于汾河二庫下游14km，兩站相距37km，通過對兩座水文站1966年，1967年，1971年，1977年，1982年和1985年等幾場實(shí)測大洪水資料的分析，得出兩座水文站洪水平均傳播時(shí)間為3.3h，河段洪水平均流速為3.11m/s。由各年的實(shí)測洪峰流量可知，洪峰流量在507～2130m3/s，代表性較好。

2.3 塌壩最大時(shí)間要求

汾河二庫壩址位于汾河太原城區(qū)段一期治理工程1號主壩上游33km，按照與寨上到蘭村兩水文站相同的洪水傳播速度，二庫壩址到一期工程1號主壩洪水傳播時(shí)間為2.95h。一期工程1號主壩到三期工程3號橡膠壩距離為25km，依據(jù)該段河道治理后的洪水傳播速度，計(jì)算此段洪水傳播時(shí)間為3.96h。由此汾河二庫泄量到達(dá)三期3號壩的時(shí)間為6.91h。因此，當(dāng)接到汾河二庫泄洪通知開始，治理段一期1號壩的完全塌落時(shí)間應(yīng)不大于2.95h，3期3號壩完全塌落時(shí)間應(yīng)不大于6.91h。

3 調(diào)度運(yùn)行方案設(shè)計(jì)及計(jì)算

3.1 調(diào)度方案設(shè)計(jì)

根據(jù)10座橡膠壩的不同塌壩順序、塌壩時(shí)間進(jìn)行不同調(diào)度方案的設(shè)計(jì)，求解各方案、各斷面不同時(shí)間的流量及塌壩時(shí)間，為確定合理可行的調(diào)度運(yùn)行方案提供依據(jù)。

汾河太原城區(qū)段治理工程10座橡膠壩塌壩方案總體上可分為自上游向下游順序依次塌壩、自下游向上游順序依次塌壩和同時(shí)從上游和下游開始順序塌壩。塌壩時(shí)間間隔通過多次反復(fù)試算確定。根據(jù)以上思路設(shè)計(jì)5種方案：

方案一：10座壩同時(shí)塌壩；

方案二：自下游向上游依次塌壩，每次塌1座壩，塌壩間隔時(shí)間0.5h；

方案三：自下游向上游依次塌壩，每次塌2座壩，塌壩間隔時(shí)間0.5h；

方案四：自下游向上游依次塌壩，三期工程每次塌1座壩，二期工程、一期工程每次塌2座壩，塌壩間隔時(shí)間0.5h；

方案五：上游、下游兩頭塌：上游一期工程1～4號橡膠壩、二期工程1號和2號橡膠壩共6座同時(shí)塌。下游三期工程1～3號橡膠壩、二期工程3號橡膠壩自下游向上游依次塌，每次塌1座壩，塌壩間隔時(shí)間0.25h。

3.2 塌壩流量計(jì)算

結(jié)合橡膠壩塌落特點(diǎn)，計(jì)算各壩段塌落時(shí)的泄量、流速，以及上游橡膠壩址處的塌壩泄量流達(dá)到下游橡膠壩址處的時(shí)間、泄量的疊加。

具體計(jì)算過程及計(jì)算參數(shù)選取：各橡膠壩最大塌壩時(shí)間分別按其各自壩袋排空時(shí)間考慮，塌泄速度與壩高成勻速直線關(guān)系；壩后平均下泄流量為塌壩前蓄水量與放空時(shí)間的比值；按均勻流公式計(jì)算河道內(nèi)水流流速，波速與流速的關(guān)系按矩形斷面考慮，系數(shù)為1.5；根據(jù)各壩之間的距離、洪水波波速計(jì)算洪水到達(dá)時(shí)間；塌壩最大流量為可相遇水流的疊加之和。

3.3 各方案計(jì)算成果比較

根據(jù)工程不同方案的運(yùn)用調(diào)度方式，按調(diào)度運(yùn)行限制條件和選取的計(jì)算參數(shù)，對各方案的塌壩流量、時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算，方案一三期工程3號壩最大流量為2432m3/s，超過下游河道最大防洪要求的2000m3/s，不滿足河道行洪要求。方案二、方案三和方案四治理河段各斷面最大流量在632～1734m3/s之間，從泄流規(guī)模上看滿足要求，但塌壩運(yùn)行操作時(shí)間多數(shù)斷面超時(shí)，不符合塌壩時(shí)間限制條件要求。方案五各斷面最大流量在632～1734m3/s之間，最大流量最晚出現(xiàn)時(shí)間在開始橡膠壩塌落時(shí)起2.91h的時(shí)刻，出現(xiàn)位置在二期3號壩斷面，當(dāng)二庫洪水傳播到治理河段時(shí)，蓄水段的蓄水可基本放空，河道可安全泄洪，從流量和時(shí)間上均滿足要求，方案五為最優(yōu)方案。

4 結(jié)語

通過汾河一、二、三期治理河段內(nèi)10座梯級橡膠壩的塌壩調(diào)度運(yùn)行研究，表明河道內(nèi)梯級橡膠壩在汛期調(diào)度運(yùn)行是十分重要的，如果運(yùn)行不當(dāng)，會(huì)給下游造成人為的洪水災(zāi)害。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，近5年來，我國城市河道綜合治理項(xiàng)目較多，其中相當(dāng)一部分為橡膠壩生態(tài)蓄水工程，如果在汛期調(diào)度運(yùn)行不當(dāng)，勢必給下游帶來“人造洪水”的威脅。因此對河段梯級橡膠壩的調(diào)度運(yùn)行研究具有普遍意義。

第三，嚴(yán)格控制地下水開采量，保護(hù)地下水系，恢復(fù)巖溶大泉。通過在地表水供水工程覆蓋區(qū)域置換地下水，加大地下水關(guān)井壓采力度；在巖溶大泉重點(diǎn)保護(hù)區(qū)關(guān)停煤礦，加強(qiáng)采空區(qū)綜合治理，減少采煤對水資源的破壞，晉祠、蘭村、古堆3處巖溶大泉實(shí)現(xiàn)復(fù)流，其他5處巖溶大泉穩(wěn)定出流。

第四，建立河源和泉源保護(hù)區(qū)，恢復(fù)植被，有效涵養(yǎng)水源。結(jié)合呂梁、太行山系自然特點(diǎn)，實(shí)施山水林田湖綜合治理，其中在河流源頭和巖溶大泉源頭設(shè)立“兩源”保護(hù)區(qū)，封山育林，以自然恢復(fù)為主；在25°以上的陡坡地區(qū)開展水土保持綜合治理，坡面植樹造林，溝道打壩造地；在25°以下耕地區(qū)大力發(fā)展高效灌溉農(nóng)業(yè)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和農(nóng)民增收。

第五，控制污水排放，加強(qiáng)污染防治，實(shí)現(xiàn)污水資

TV641 ［

］C ［

］1004-7042（2016）10-0026-02

楊菊香（1976-），女，2007年畢業(yè)于西安理工大學(xué)水文學(xué)及水資源專業(yè)，高級工程師。

2016-08-25；

2016-09-29 4.2億m3，增加地下水補(bǔ)給量2.2億m3。