利用大型水庫滯洪庫容減輕下游洪水影響

[挪威]　L.E.尼爾森 等

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利用大型水庫滯洪庫容減輕下游洪水影響

[挪威]L.E.尼爾森 等

摘要：越來越多變的氣候條件引發(fā)的高頻次極端事件，導(dǎo)致了極端降雨與洪水預(yù)估值的持續(xù)增大。許多已建大壩已無法應(yīng)對(duì)修正計(jì)算的洪水量，而要增強(qiáng)大壩的泄洪能力，又需花費(fèi)高昂的代價(jià)。研究了如何利用增加大型水庫的滯洪庫容達(dá)到梯級(jí)水庫的最佳防洪效果，以及通過考量整體梯級(jí)水庫的特性與調(diào)度確定最佳洪水調(diào)度方案的方法。

關(guān)鍵詞：梯級(jí)水庫；防洪；降雨-徑流模型；挪威

依據(jù)挪威大壩安全規(guī)定，挪威海姆內(nèi)斯市的費(fèi)爾福森(Fallforsen)壩屬于3類高風(fēng)險(xiǎn)壩。該壩上游的羅斯湖(R?ssvatn)壩擋水形成了挪威第二大湖泊，水面面積218.5 km2，集水面積1 505 km2。新洪水計(jì)算表明：費(fèi)爾福森壩的泄洪能力有待大幅增強(qiáng)，而且極端洪水條件下大壩下游的科爾根地區(qū)存在著較大的洪水風(fēng)險(xiǎn)。為此，本文提出了上游羅斯湖壩新的洪水調(diào)度方案，它既可大大減少費(fèi)爾福森壩的修復(fù)加固工程量，還可為科爾根地區(qū)提供更佳的洪水保護(hù)。

1研究背景

1.1地理位置

羅斯薩加(R?ssaga)河水電開發(fā)項(xiàng)目位于挪威北部的海姆內(nèi)斯市，流域總面積2 144 km2，覆蓋了最高海拔高程1 800 m的山地與冰川區(qū)域，部分流域橫跨挪威相鄰城市和鄰國瑞典。該水電開發(fā)項(xiàng)目起始于20世紀(jì)40年代，是挪威北方工業(yè)化計(jì)劃的組成部分，其主要初衷是為煉鐵熔爐提供電力。

1.2水電開發(fā)

水電開發(fā)項(xiàng)目由羅斯薩加河上、下游2座水電站組成，裝機(jī)容量分別為160 MW和260 MW，斯特克雷富特(Statkraft)能源公司負(fù)責(zé)運(yùn)營，上、下游水電站的發(fā)電量分別為830 GW·h和1 700 GW·h，項(xiàng)目于1955～1962年分階段投入運(yùn)行。目前正在進(jìn)行的修復(fù)改造工程將新增水電裝機(jī)225 MW，但同時(shí)會(huì)減少水電設(shè)備使用率，每年新增發(fā)電量可達(dá)200 GW·h。

水電開發(fā)形成了3座主要水庫，最大的羅斯湖壩水庫庫容為23.6億m3，其余2座水庫相對(duì)較小，庫容分別約為2.5億m3和0.19億m3，還有一些更小水壩。流域年均徑流約為29.7億m3，大約相當(dāng)于水庫庫容的113%。

1.3大壩修復(fù)

羅斯湖壩與費(fèi)爾福森壩是羅斯薩加河梯級(jí)水庫的2座主要大壩，其中羅斯湖壩已于1999～2000年完成了修復(fù)改造，目前正在規(guī)劃費(fèi)爾福森壩的修復(fù)工程，2座大壩的主要特征值見表1。作為規(guī)劃中的費(fèi)爾福森壩修復(fù)工程的組成部分，上游羅斯湖水庫的洪水調(diào)度方案對(duì)于確定費(fèi)爾福森壩修復(fù)工程的強(qiáng)度，以及洪水對(duì)梯級(jí)水庫下游與科爾根市的影響至關(guān)重要。

2羅斯湖水庫與費(fèi)爾福森水庫現(xiàn)狀洪水調(diào)度方案

20世紀(jì)50年代設(shè)定的水庫洪水初始調(diào)度方案是：當(dāng)預(yù)測(cè)出現(xiàn)入庫大洪水時(shí)，費(fèi)爾福森壩的上游水庫(斯托米爾(Stormyr)流域)將降低庫水位預(yù)留滯洪庫容，并認(rèn)為羅斯湖水庫的庫容足以容納入庫最大洪水而不必泄洪。

表1　大壩特征值

然而，斯特克雷富特能源公司并未運(yùn)用過斯托米爾流域水位變幅6 m的調(diào)節(jié)庫容，而是一直維持著較為穩(wěn)定的庫水位，這為水庫周邊濕地提供了良好的野生生物棲息地。因此，利用斯托米爾流域預(yù)留滯洪庫容抵御預(yù)測(cè)大洪水的思路在現(xiàn)狀洪水調(diào)度方案中一直未被采納。

圖1　費(fèi)爾福森壩平面

3費(fèi)爾福森壩修復(fù)工程初期研究

2002年，依據(jù)挪威大壩安全規(guī)定，對(duì)費(fèi)爾福森壩進(jìn)行了大壩安全強(qiáng)制性評(píng)估，結(jié)論是必須對(duì)大壩及閘門進(jìn)行升級(jí)改造與修繕。2007年，提出了大壩修復(fù)工程的前期報(bào)告。2011年， 一家咨詢公司受委托提出了費(fèi)爾福森壩全面修復(fù)工程的規(guī)劃、詳細(xì)設(shè)計(jì)與招投標(biāo)文件(大壩現(xiàn)狀特征見表1，大壩總布置見圖1，大壩斷面見圖2)。研究推薦的費(fèi)爾福森壩修復(fù)工程包括：

圖2　費(fèi)爾福森壩斷面(高程:m)

(1) 操作閘門取代木制柵格閘門框架，基于技術(shù)-經(jīng)濟(jì)最優(yōu)比較，進(jìn)行了多方案研究與選擇；

(2) 由提升閘門取代現(xiàn)有弧形閘門；

(3) 維修與修補(bǔ)混凝土表面，滿足大壩安全與穩(wěn)定性要求，確認(rèn)可能需要打入巖石錨桿的部分壩段；

(4) 開挖下游渠道，為大壩構(gòu)筑物的修復(fù)與未來維護(hù)提供工作條件；

(5) 導(dǎo)流洞的小幅修繕(導(dǎo)流隧洞剖面圖見圖3)。

圖3　導(dǎo)流隧洞剖面

挪威大壩安全條例規(guī)定：3類大壩應(yīng)按1 000 a一遇和最大可能洪水(PMP)進(jìn)行設(shè)計(jì)?；谙嚓P(guān)規(guī)范和上游大壩水庫現(xiàn)狀調(diào)度方案的初期研究結(jié)論是：費(fèi)爾福森壩需要新增一座與現(xiàn)有泄洪閘泄洪能力相同的弧形閘及其相配套的圍堰、巖體開挖與混凝土工程。初期研究估算的新增泄洪工程造價(jià)約為400萬美元，同時(shí)提出了通過改變上游水庫現(xiàn)狀調(diào)度方案以便更好減緩下游洪水可能性的研究建議，該研究還包括上游大壩相應(yīng)的改造工程，其工程造價(jià)無疑遠(yuǎn)低于費(fèi)爾福森壩修復(fù)工程。

4基于羅斯湖水庫調(diào)度的新洪水計(jì)算

4.1入庫洪水計(jì)算

采用洪水頻率分析與降雨-徑流模型相結(jié)合的方法，本文采用新方法計(jì)算了水庫流域的洪水，比較2種計(jì)算結(jié)果，得到設(shè)計(jì)洪水。

降雨-徑流模型選取的是挪威水資源與能源學(xué)會(huì)PQRUT軟件，計(jì)算得到了羅斯湖水庫的入庫洪水過程。由表2可知，挪威氣象院提供的M1000和PMP降雨量明顯大于以往流域降雨計(jì)算量，由此計(jì)算得到的入庫洪水值也顯著增大了。圖4給出了羅斯湖水庫的入庫洪水過程，總?cè)霂旌樗闪饔驈搅?、水庫區(qū)間降雨和其他水庫及小流域匯入的過境流量組成。

表2　用以羅斯湖水庫洪水計(jì)算的降雨量　mm

圖4　羅斯湖水庫入庫洪水

洪水頻率分析計(jì)算得到的洪峰值大約為降雨-徑流模型計(jì)算值的一半，但其10 d洪量卻僅比降雨-徑流模型計(jì)算值小10%。考慮到洪水頻率分析缺乏最新數(shù)據(jù)，而降雨-徑流模型的不確定性相對(duì)較小，本文選用降雨-徑流模型計(jì)算成果作為入庫設(shè)計(jì)洪水。

羅斯湖水庫的洪水演進(jìn)計(jì)算采用了水文(水位)方法，并以羅斯湖壩泄洪閘的各種運(yùn)用方案為基礎(chǔ)。

4.2基于泄洪閘運(yùn)用的羅斯湖水庫洪水演進(jìn)計(jì)算

本文研究了羅斯湖水庫泄洪閘運(yùn)用方式對(duì)提高梯級(jí)水庫下游洪水演進(jìn)的影響，研究的泄洪方案包括：①現(xiàn)狀調(diào)度方案(泄洪閘逐漸開啟)；②所有泄洪閘關(guān)閉(無閘方案)；③所有泄洪閘敞泄。

4.2.1方案1(現(xiàn)狀調(diào)度方案)

將現(xiàn)狀調(diào)度方案條件下的前洪水演進(jìn)計(jì)算作為基本方案，現(xiàn)狀調(diào)度方案是：泄洪時(shí)，逐漸開啟3座泄洪閘中的2座(表3)。

表3　 羅斯湖大壩現(xiàn)狀泄洪方式

4.2.2方案2(無閘方案)

為了充分發(fā)揮羅斯湖水庫減輕下游洪水的潛力，本文進(jìn)行了所有泄洪閘關(guān)閉“情景”的模擬計(jì)算，此時(shí)僅允許溢流堰泄洪。該方案的計(jì)算結(jié)果表明：羅斯湖水庫的設(shè)計(jì)洪水位將會(huì)抬高，需要復(fù)核靜水壓負(fù)荷的增加對(duì)羅斯湖大壩構(gòu)筑物的影響。

4.2.3方案3(所有泄洪閘敞泄)

作為參照方案，本文也模擬計(jì)算了洪水期間3座泄洪閘全部敞泄的泄洪方案，顯然，此時(shí)羅斯湖壩的泄洪量最大、庫水位最低。

圖5給出了3種泄洪方案下羅斯湖壩泄洪能力曲線，方案2下羅斯湖水庫的設(shè)計(jì)洪水位為386.81 m，比原計(jì)算水位抬高了1.01 m。2014年，挪威大壩安全機(jī)構(gòu)認(rèn)可了羅斯湖壩與費(fèi)爾福森壩經(jīng)修正的洪水計(jì)算成果(表4、表5和圖6、圖7)。

圖5　羅斯湖壩泄洪能力

參數(shù)初期計(jì)算值新計(jì)算值流量Q/(m3·s-1)設(shè)計(jì)庫水位/m溢流水頭H/m流量Q/(m3·s-1)設(shè)計(jì)庫水位/m溢流水頭H/mQ1000(1000a一遇洪水)590385.82.4660386.813.41PMF(最大可能洪水)1140387.54.11258387.594.19

表5　費(fèi)爾福森壩洪水特征值

注:*依據(jù)新洪水計(jì)算的泄流能力曲線，對(duì)初期庫水位計(jì)算值進(jìn)行了修正。

圖6 羅斯湖壩出庫流量

圖7 洪水期間羅斯湖水庫水位

若要抬高羅斯湖壩的洪水位，必須復(fù)核靜水壓負(fù)荷增加對(duì)羅斯湖壩的影響，研究發(fā)現(xiàn)，確保設(shè)計(jì)洪水位下羅斯湖大壩安全的工程費(fèi)用約為80萬美元，與初期研究中費(fèi)爾福森壩增加泄洪能力及安全的工程相比，該工程費(fèi)用大大降低。因此，大壩業(yè)主決定基于“無閘方案”修改羅斯湖壩的水庫調(diào)度標(biāo)準(zhǔn)。

應(yīng)該指出的是，費(fèi)爾福森壩初期洪水計(jì)算的假定是羅斯湖壩所有泄洪閘敞泄。按照根據(jù)增加的降雨量進(jìn)行重新研究制定的羅斯湖壩“無閘”調(diào)度方案，費(fèi)爾福森壩泄洪需求量與本文初期研究確定的泄洪量非常接近。另外還需要指出的是，費(fèi)爾福森壩的集水面積比羅斯湖壩要小一個(gè)數(shù)量級(jí)。

5結(jié)論

5.1費(fèi)爾福森壩的泄洪需求量改善

如果采用羅斯湖大型水庫的新洪水調(diào)度方案，就不必增強(qiáng)費(fèi)爾福森壩的泄流能力。因?yàn)榇藭r(shí)新設(shè)計(jì)洪水與1997年確定的洪水在規(guī)模上基本相同，可使修復(fù)工程的潛在成本節(jié)省300萬美元。

5.2斯托米爾流域的生態(tài)環(huán)境得到改觀

自羅斯薩加河下游水電站投運(yùn)行以來，費(fèi)爾福森壩水庫(斯托米爾流域)已演變?yōu)橹匾囊吧锶郝錀⒌亍Ｓ捎诹_斯薩加河下游水電站一直維持著接近于最高庫水位的運(yùn)行方式，無需充分運(yùn)用水庫庫容，水庫生物群落得以發(fā)展，大壩業(yè)主斯特克雷富特能源公司也獲得了更多的經(jīng)濟(jì)效益。新的水庫調(diào)度標(biāo)準(zhǔn)為這一越來越重要的生物群落棲息地的維持提供了更大的可能性。

同時(shí)需要指出的是，羅斯薩加河水電開發(fā)早期規(guī)劃設(shè)定的洪水調(diào)度方案是：預(yù)測(cè)大洪水來臨之前，費(fèi)爾福森水庫(斯托米爾流域)應(yīng)該騰空并預(yù)留滯洪庫容。這一方案由于生態(tài)環(huán)境方面的考量而一直未被采用。

5.3科爾根地區(qū)的防洪保護(hù)得到加強(qiáng)

基于新的洪水調(diào)度方案，羅斯薩加河下游出口科爾根地區(qū)更能充分應(yīng)對(duì)未來的特大洪水。該地區(qū)200 a一遇洪水淹沒區(qū)(通常為限制開發(fā)區(qū))面積極有可能會(huì)減小，這一問題有待于深入研究。

董耀華譯

(編輯：朱曉紅)

中圖法分類號(hào)：P311.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-0081(2016)03-0017-04

收稿日期：2015-12-28