英德市北江干堤防洪工程對飛來峽水利樞紐防洪調(diào)度影響

馮　濤，馬振坤，謝　忱，烏景秀

(1. 新疆兵團勘測設(shè)計院(集團)有限責任公司，新疆烏魯木齊　830002； 2. 河海大學(xué)，江蘇南京　210098； 3. 南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇南京　210029)

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英德市北江干堤防洪工程對飛來峽水利樞紐防洪調(diào)度影響

馮濤1，馬振坤2，謝忱3，烏景秀3

(1. 新疆兵團勘測設(shè)計院(集團)有限責任公司，新疆烏魯木齊830002； 2. 河海大學(xué)，江蘇南京210098； 3. 南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇南京210029)

摘要：為完善英德市防洪工程體系，提高整體防洪抗災(zāi)能力，英德市開展北江干堤防洪工程規(guī)劃，將英德市防洪標準提高到50年一遇。由于英德市城區(qū)及北江干堤防洪保護區(qū)均位于飛來峽水庫庫區(qū)300年一遇洪水淹沒范圍之內(nèi)，需要配合飛來峽水利樞紐的防洪調(diào)度，共同調(diào)蓄北江洪水，以確保北江大堤及其下游廣州市、珠江三角洲地區(qū)的防洪安全。為論證英德市北江干堤防洪工程對飛來峽水利樞紐防洪調(diào)度的影響，通過英德城區(qū)局部調(diào)整與優(yōu)化后的飛來峽水庫動庫容調(diào)洪二維數(shù)學(xué)模型模擬計算，就英德市北江干堤防洪工程對飛來峽水庫防洪調(diào)度的影響進行了對比分析。分析結(jié)果表明，英德市北江干堤防洪工程建設(shè)后，英德區(qū)間的最大淹沒庫容明顯減小，各防護區(qū)的淹沒面積大幅度減??；同時，北江干流沿程水位和流量的提升速度加快，峰現(xiàn)時間提前。最后提出采取預(yù)留爆破口門和設(shè)置溢流堰口門等技術(shù)措施，將英德市北江干堤防洪工程的影響消減到工程實施前的水平。

關(guān)鍵詞：北江； 堤防； 飛來峽水利樞紐； 防洪調(diào)度； 數(shù)值模擬

廣東省總體防洪布局以堤防為主，水庫調(diào)節(jié)為輔，工程措施與非工程措施相結(jié)合。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和廣東省城鄉(xiāng)防災(zāi)減災(zāi)工程建設(shè)步伐的加快，英德市開展北江干堤防洪工程規(guī)劃，將英德市防洪標準提高到50 年一遇，其防洪工程規(guī)劃的范圍為英德市境內(nèi)北江干流自沙口鎮(zhèn)至波羅坑段，經(jīng)沙口、英紅、望埠、英城和大站5個鎮(zhèn)(如圖1)，規(guī)劃河段總長約61.7 km，規(guī)劃堤防總長84.2 km[1]。

英德市城區(qū)及北江干堤防洪保護區(qū)均位于飛來峽水庫庫區(qū)300年一遇洪水淹沒范圍之內(nèi)，其中英城、大站、波羅坑作為蓄滯洪區(qū)，需要配合飛來峽水利樞紐的防洪調(diào)度，啟用防洪庫容調(diào)蓄北江洪水，確保北江大堤及其下游廣州市、珠江三角洲地區(qū)的防洪安全。規(guī)劃的英德市北江干堤工程實施以后，在相同洪水條件下，可能改變英城、大站及波羅坑蓄洪區(qū)的進水位置、時機、蓄洪能力和滯洪效果等運行條件，擠占一部分飛來峽庫區(qū)的淹沒面積和防洪庫容，直接或間接影響到飛來峽水利樞紐的運行調(diào)度以及調(diào)洪效果[2-6]。

本文利用數(shù)學(xué)模型模擬分析在相同洪水條件下英德市北江干堤防洪工程建成前后飛來峽庫區(qū)淹沒范圍的大小、沿程各控制斷面水位、流量過程的變化，分析評價英德市北江干堤防洪工程建設(shè)對飛來峽水利樞紐防洪調(diào)度影響，并提出減輕不利影響的措施。

圖1　英德防洪工程規(guī)劃Fig.1　Yingde flood control engineering planning

1模型構(gòu)建

1.1模型概況

本次模型構(gòu)建綜合利用水文預(yù)報模型、一維和二維動庫容調(diào)洪數(shù)學(xué)模型以及遙感、GIS、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，采用水力學(xué)方法，基于 InfoWorks RS 平臺，集成開發(fā)了飛來峽水庫動庫容調(diào)洪數(shù)學(xué)模型。模擬范圍選取高程為60.0 m以下的區(qū)域，北起馬競寮，南至飛來峽壩址，西起高道，東至長湖壩下，總面積為606.6 km2，區(qū)域內(nèi)設(shè)有社崗、波羅坑、連江口及英德4個防護區(qū)。

飛來峽水庫動庫容調(diào)洪二維數(shù)學(xué)模型(英德市城區(qū)進行局部調(diào)整優(yōu)化)構(gòu)建基于正交直角坐標系下的淺水二維水動力學(xué)方程。模型網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格質(zhì)量關(guān)系到模型收斂與計算精度。由于計算區(qū)域面積過大，而河道內(nèi)又需要精細模擬，因此河道內(nèi)的網(wǎng)格密度與淹沒區(qū)域的網(wǎng)格密度分別設(shè)定。同時，為使生成的網(wǎng)格更為規(guī)整，在河道區(qū)域設(shè)置突變線，強制生成三角網(wǎng)格。此外，通過試算，將計算區(qū)域內(nèi)水流不可能到達的地區(qū)單獨設(shè)定，使其不生成網(wǎng)格，節(jié)省計算時間。本模型最大三角形面積為20 000 m2，最小網(wǎng)格面積為3 000 m2，最小角度為25°。河道區(qū)域總面積65.5 km2，最大三角形面積10 000 m2，最終共生成三角形頂點33 506個，劃分為63 979個三角形網(wǎng)格，較窄河段進行局部加密。

1.2邊界設(shè)置

優(yōu)化后的飛來峽水庫動庫容調(diào)洪二維數(shù)學(xué)模型針對北江流域“68.6”,“82.5”,“94.6”和“97.7”等4種年型、重現(xiàn)期分別為100年和50年設(shè)計洪水進行模擬計算[7]。馬徑寮、高道、長湖分別為北江干流、北江支流連江、北江支流滃江上的流量控制站，入流邊界條件為馬徑寮、高道、長湖流量控制站各年型不同頻率洪水過程，對于區(qū)間入流，沿河道等間距概化為5個點入流，下游出流按下泄流量進行控制。

1.3模型率定與驗證

采用北江流域發(fā)生的2006年7月和2008年6月的兩個場次洪水對模型進行了驗證。驗證計算結(jié)果顯示，在2006年7月的洪水過程中，壩址、連江口與英德大橋等3個斷面的最高水位分別為23.74, 29.90和34.19 m，本次計算最高水位分別為23.78，29.82和34.23 m，絕對誤差分別為-0.04，0.08和-0.04 m；在2008年6月洪水過程中，連江口與英德大橋的最高水位分別為26.81和31.32 m，本次計算所得兩斷面附近最高水位分別為27.40和31.31 m，最高水位絕對誤差分別為0.59和-0.01 m。模型驗證結(jié)果表明，該模型的結(jié)構(gòu)及所采用參數(shù)基本合理，模擬成果具有較高精度[8-10]。

2干堤防洪工程對飛來峽庫區(qū)的影響分析

為分析英德市北江干堤防洪工程對飛來峽庫區(qū)的影響，采用“68.6”，“82.5”，“94.6”和“97.7”型洪水對英德市北江干堤防洪工程建設(shè)前后的情況進行模擬計算。

2.1最大淹沒庫容影響分析

根據(jù)英德市北江干堤防洪工程的堤防布設(shè)情況，將工程影響范圍分為英紅、望埠、大站、北堤防護區(qū)、英德、寶晶宮段防護區(qū)和波羅坑7個片區(qū)。以“94.6”型洪水為例，分析工程建設(shè)前后20，50，100年一遇洪水對各保護區(qū)的最大淹沒庫容(保護區(qū)內(nèi)各計算單元最大淹沒深度所對應(yīng)的庫容，該值大于等于保護區(qū)的防洪庫容)的影響，最大淹沒庫容計算結(jié)果見表1。

表1　各防護區(qū)最大淹沒庫容

由計算結(jié)果可見，英德市北江干堤防洪工程的建設(shè)，對于英德區(qū)間的最大淹沒庫容影響較大，在相同洪水條件下，英德區(qū)間的最大淹沒庫容明顯減小。以“94.6”型洪水為例，當遭遇20年一遇洪水時，英德區(qū)間最大淹沒庫容由3.68億m3減至1.12億m3，差值2.56億m3；當遭遇50年一遇洪水時，英德區(qū)間最大淹沒庫容由4.99億m3減至1.44億m3，差值3.55億m3；當遭遇100年一遇洪水時，英德區(qū)間最大淹沒庫容由7.16億m3減至3.17億m3，差值3.99億m3。

表2淹沒面積和最大淹沒水深對比

Tab.2Comparison between flooding areas and maximum

submerged depths

年型設(shè)計洪水/年淹沒面積/km2最大淹沒水深/m現(xiàn)狀規(guī)劃現(xiàn)狀規(guī)劃“68.6”5019012750.5246.6010023714253.4848.41“82.5”5019312951.0646.9610022714452.9748.83“94.6”5021014350.8147.9710023817553.4948.87“97.7”5021115951.2650.9210022118252.5751.83

2.2淹沒范圍影響分析

針對現(xiàn)有堤防和規(guī)劃堤防，分別對“68.6”，“82.5”，“94.6”和“97.7”4種年型的50年和100年一遇洪水進行計算，并對飛來峽庫區(qū)的淹沒面積和最大淹沒水深進行對比分析，結(jié)果見表2。

從表2可以看出，在英德市北江干堤防洪工程建成后，無論對于何種年型、何種頻率的洪水，對飛來峽庫區(qū)的淹沒面積都有一定程度影響?！?8.6”，“82.5”，“94.6”，“97.7”型洪水，50年和100年一遇洪水的最大淹沒面積減少量分別為63和95 km2，64和83 km2，67和73 km2，52和39 km2。

2.3沿程斷面水位過程、流量過程影響分析

在飛來峽庫區(qū)選取馬徑寮、英德大橋、盲仔峽、連江口、香爐峽、大廟峽和橫石7個控制斷面作為分析對象，針對現(xiàn)有和規(guī)劃堤防，在“94.6”型50年一遇洪水條件下，對控制斷面的水位和流量進行對比分析。

2.3.1控制斷面水位影響分析在“94.6”型洪水條件下，模擬分析了馬徑寮、英德大橋、盲仔峽、連江口、香爐峽、大廟峽和橫石7個控制斷面50年一遇水位過程，計算結(jié)果顯示，各斷面水位變化趨勢類似。其中，馬徑寮、連江口、橫石3個控制斷面的水位變化過程如圖2所示。

圖2　不同斷面水位比較(重現(xiàn)期：50年一遇)Fig.2　Comparison of water level in different sections(return period: 50 years)

由圖2可見，對于“94.6”型50年一遇洪水，在低水位時段，英德市北江干流防洪工程體系的建設(shè)對于北江干流的水位基本沒有影響。當發(fā)生洪水時，漲峰和退峰速度加快，即會加快北江干流沿程水位的提升速度，并且自馬徑寮至橫石，水位均有提升，但是與壩址下泄流量控制相比，漲幅較小，且越靠近飛來峽壩址，水位增加越少。由此說明，當飛來峽防洪調(diào)度采用壩上水位控制時，英德市北江干流防洪工程的建設(shè)對飛來峽庫區(qū)的防洪影響不大。2.3.2控制斷面流量影響分析計算分析“94.6”型50年一遇洪水，馬徑寮、英德大橋、盲仔峽、連江口、香爐峽、大廟峽和橫石7個控制斷面的流量過程，結(jié)果顯示，各斷面流量變化過程類似。其中，馬徑寮、香爐峽、橫石3個斷面的流量過程如圖3所示。

圖3　不同斷面流量對比(重現(xiàn)期：50年一遇)Fig.3　Comparison of flow rate in different sections(return period: 50 years)

從圖3可以看出，當采用壩前水位控制時，對于“94.6”型50年一遇洪水，在低流量時段，英德市北江干流防洪工程體系的建設(shè)對北江干流流量基本沒有影響，但是當發(fā)生洪水時，除馬徑寮基本沒有變化外，北江干流沿程其他控制斷面，都會造成漲峰和退峰速度加快，且北江干流沿程各斷面的洪峰流量都有所增加，而峰現(xiàn)時間也提前，會增加飛來峽庫區(qū)的防洪壓力，對飛來峽水利樞紐的防洪調(diào)度產(chǎn)生影響。

3減輕對飛來峽防洪調(diào)度影響的措施研究

如前文所述，北江干堤防洪工程的建設(shè)，對飛來峽庫區(qū)的防洪調(diào)度存在一定影響，按照現(xiàn)有設(shè)計標準建設(shè)后，會大大增加飛來峽水利樞紐的防洪壓力。因此，需要采取一定的相關(guān)措施，盡量減少英德北江干堤防洪工程對飛來峽庫區(qū)防洪調(diào)度的影響。

為減輕英德北江干堤防洪工程對飛來峽庫區(qū)防洪調(diào)度的影響，工程上可以采取建分洪閘和退水閘、預(yù)留爆破口門和設(shè)置溢流堰口門等措施。經(jīng)分析，英德、英紅、望埠、大站等防護區(qū)，采用預(yù)留溢流堰口門的措施；而波羅坑防護區(qū)，防護標準相對較低，建議采用預(yù)留爆破口的方式。溢流堰和爆破口位置見圖4，各溢流堰具體位置見表3。

為選擇合理的溢流堰，本文設(shè)計了兩類共6種溢流堰，分別計算并進行對比分析，各溢流堰的尺寸為：溢流堰Ⅰ1，Ⅰ2，Ⅰ3，堰頂高程分別低于堤頂高程1.0，1.5，2.0 m，溢流堰寬度均為100 m；溢流堰Ⅱ1，Ⅱ2，Ⅱ3，堰頂高程分別低于堤頂高程0.5，1.0，1.5 m，溢流堰寬度均為200 m。

圖4　各防護區(qū)堤防溢流堰位置Fig.4　Overflow weir locations in different protection areas

溢流堰名稱所處堤防位置距離壩址距離/km寶晶宮2段溢流堰寶晶宮防洪堤1段41.8寶晶宮1段溢流堰寶晶宮防洪堤2段46.0波羅坑爆破口波羅坑防護堤48.5大站溢流堰大站防洪堤51.2望埠防洪堤2段溢流堰望埠防洪堤2段60.2望埠防洪堤1段溢流堰望埠防洪堤1段66.8英紅防洪堤溢流堰英紅防洪堤69.0

3.1溢流堰對北江的影響

在“94.6”型50年一遇洪水條件下，選取馬徑寮、英德、盲仔峽和連江口4個代表站，將英德市北江干堤防洪工程建設(shè)后最高水位和洪峰流量的計算結(jié)果與工程建設(shè)前的最高水位和洪峰流量進行對比(見表4)。從表4中最高水位的對比結(jié)果來看，當設(shè)置溢流堰寬度為100 m以及堰頂高程低于堤頂高程2 m時，最高水位的計算結(jié)果與工程建設(shè)前的差值最小；而當設(shè)置溢流堰寬度為200 m以及堰頂高程低于堤頂高程1.5 m時，最高水位的差值最小。

表4　最高水位、洪峰流量計算結(jié)果對比

從洪峰流量的對比結(jié)果來看，當設(shè)置溢流堰寬度為100 m以及堰頂高程低于堤頂高程2 m時，防洪工程建設(shè)后洪峰流量與建設(shè)前的差值最?。欢斣O(shè)置溢流堰寬度為200 m以及堰頂高程低于堤頂高程1.5 m時，洪峰流量的差值最小。

3.2溢流堰選取

從計算結(jié)果可以看出，在第Ⅰ類溢流堰中，當設(shè)置Ⅰ3號溢流堰時，計算最高水位和洪峰流量均與英德市北江干堤防洪工程建設(shè)前的計算結(jié)果相近；而在第Ⅱ類溢流堰中，當設(shè)置Ⅱ3號溢流堰時，計算最高水位和洪峰流量均與英德市北江干堤防洪工程建設(shè)前的計算結(jié)果相近。

因此，當設(shè)置溢流堰寬度100 m，堰頂高程低于堤頂高程2 m或設(shè)置溢流堰寬度200 m，堰頂高程低于堤頂高程1.5 m時，就可基本消除英德市北江干堤防洪工程對飛來峽庫區(qū)防洪調(diào)度的影響。

同時，考慮到溢流堰應(yīng)用時機對洪峰的影響，若選取錯峰利用，可以更有效地配合飛來峽水利樞紐的防洪調(diào)度。并且，若加大溢流堰尺寸，增加寬度或降低堰頂高程，在英紅、望埠和寶晶宮3個溢流堰中，可以組合選取使用溢流堰，既可有效減小英德市北江干堤防洪工程對飛來峽水利樞紐防洪調(diào)度的影響，也可減小英德市北江干堤防洪工程保護區(qū)的損失。

4結(jié)語

為進一步完善英德市防洪體系，提高整體防洪抗災(zāi)能力，英德市北江干堤工程的防洪標準提高到50年一遇。鑒于英城、大站、波羅坑作為蓄滯洪區(qū)，需要配合飛來峽水利樞紐的防洪調(diào)度，共同調(diào)蓄北江洪水，確保北江大堤及其下游廣州市、珠江三角洲地區(qū)的防洪安全。

英德市北江干堤工程的實施對飛來峽水庫水利樞紐防洪調(diào)度有一定影響，本文利用數(shù)學(xué)模型模擬方法，分析在相同洪水條件下英德市北江干堤防洪工程建成后飛來峽庫區(qū)淹沒范圍的大小、沿程各控制斷面水位、流量過程的變化。分析結(jié)果表明，英德市北江干堤防洪工程建設(shè)后，英德區(qū)間的最大淹沒庫容明顯減小，各防護區(qū)的淹沒面積大幅減小，同時，北江干流沿程水位和流量的提升速度加快，峰現(xiàn)時間提前。為減輕英德市北江干堤防洪工程建設(shè)對飛來峽水利樞紐防洪調(diào)度的不利影響，本文提出采取英紅防護堤、望埠防護堤以及寶晶宮防護堤設(shè)置溢流堰，并對波羅坑防護堤預(yù)留爆破口的技術(shù)措施，以利于擇機蓄洪、削減洪峰，增加英德城區(qū)的防洪安全，減少洪災(zāi)損失。

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Impacts of Yingde Beijiang stem dike flood control works on flood control operation for Feilaixia hydroproject

FENG Tao1， MA Zhen-kun2， XIE Chen3， WU Jing-xiu3

(1.XinjiangCorpsSurveyandDesignInstitute(Group)Co.,Ltd.,Urumqi830002,China； 2.HohaiUniversity，Nanjing210098，China； 3.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering，NanjingHydraulicResearchInstitute，Nanjing210029，China)

Abstract：In order to improve the flood control system for Yingde city and enhance the anti-disaster ability all over the city, the Beijiang stem dike flood control planning has been drawn, which will update the flood control standard to the ever-highest level in 50 years. As the urban area of Yingde city and the protection area of Beijiang River stem dike flood control are both located within the inundated range of the 300-year-return flood, it is necessary to coordinate the flood control operation of the Feilaixia hydroproject to make proper regulation and storage of the flood in the Beijiang River to ensure the safety of the Beijiang River stem dike and its downstream area including Guangzhou city as well as the Pearl River Delta region. To well demonstrate the impacts caused by the constrution of the Yingde Beijiang River stem dike flood control works upon the flood control operation of the Feilaixia hydroproject, a comparative method is adopted to analyze the impacts given by the Yingde Beijiang River stem dike flood control works on the flood control operation of the Feilaixia hydroproject through analog computation of a two-dimensional mathematical model for partially-adjusted and optimized Feilaixia reservoir’s dynamic capacity regulation. The analysis results indicate that the maximum inundated capacity within the Yingde flooding area has a sharp decline after the completion of the Yingde Beijiang stem dike flood control works and so does the inundated area of each flood protection zone. Simultaneously, the water level raises and the discharge increases along the main stream of the Beijiang River and the peak time is advanced as well. Finally, some technical measures such as reserving the entrance of blasting and setting the overflow weir opening will be used to try to reduce the impacts of the Yingde Beijiang River stem dike flood control works to the level before the implementation of the project.

Key words：Beijiang River; stem dike; Feilaixia hydroproject; flood control operation; numerical simulation

中圖分類號：TV871

文獻標志碼：A

文章編號：1009-640X(2016)02-0069-07

作者簡介：馮濤(1975—)，男，山東即墨人，高級工程師，主要從事水利水電工程規(guī)劃設(shè)計工作。

基金項目：國家自然科學(xué)基金重點項目(51139001 )；水利部公益性行業(yè)科研專項(201501007)

收稿日期：2015-06-10

DOI:10.16198/j.cnki.1009-640X.2016.02.010

馮濤， 馬振坤， 謝忱， 等. 英德市北江干堤防洪工程對飛來峽水利樞紐防洪調(diào)度影響[J]. 水利水運工程學(xué)報, 2016(2): 69-75. (FENG Tao, MA Zhen-kun, XIE Chen, et al. Impacts of Yingde Beijiang stem dike flood control works on flood control operation for Feilaixia hydroproject[J]. Hydro-Science and Engineering, 2016(2): 69-75.)

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