紫坪鋪水庫(kù)后汛期限制水位分析

張 棚， 田 延 平

(四川省紫坪鋪開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610091)

0 引 言

根據(jù)多數(shù)水庫(kù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，由于汛期固守單一汛限水位運(yùn)行，往往造成前期棄水過(guò)多而汛期后半程無(wú)水可蓄或水少蓄不到理想水位等情況，從而導(dǎo)致了后汛期比較被動(dòng)的局面。位于岷江上游的紫坪鋪水庫(kù)自運(yùn)行以來(lái)，存在著上下游水庫(kù)與紫坪鋪水庫(kù)爭(zhēng)蓄的矛盾，特別是上游有調(diào)節(jié)能力的水庫(kù)電站(毛爾蓋、獅子坪等)汛后開(kāi)始蓄水，紫坪鋪水庫(kù)的來(lái)水將會(huì)進(jìn)一步減少。進(jìn)行分期設(shè)計(jì)洪水研究，提高水庫(kù)后汛期限制水位可有效避免汛后無(wú)水可蓄的被動(dòng)局面，合理利用汛末洪水資源，提高水庫(kù)蓄滿率。

1 主、后汛期洪水的分界日期

1.1 暴雨洪水特性

岷江上游的洪水主要由暴雨形成。根據(jù)實(shí)測(cè)資料分析，汶川至都江堰區(qū)間是岷江上游暴雨多發(fā)區(qū)，屬著名的川西鹿頭山暴雨區(qū)南端。暴雨發(fā)生于5～10月，集中在6～9月。主要暴雨中心一般出現(xiàn)在岷江右岸的漁子溪、壽溪等。紫坪鋪、都江堰一帶的大洪水均為這一地區(qū)大暴雨所形成。汶川以上上游地區(qū)年降雨量不大，故上游各支流洪水的洪峰流量不大，對(duì)于以下干流的影響也較小，而且汶川以上和以下的大洪水發(fā)生時(shí)間多不相應(yīng)。

根據(jù)紫坪鋪和上游各站實(shí)測(cè)資料分析，紫坪鋪洪水大致可分為兩種類(lèi)型，上游來(lái)水型和區(qū)間(汶川～紫坪鋪)來(lái)水型。上游來(lái)水型：6月和9月洪水，一般是汶川以上來(lái)水為主，此時(shí)紫坪鋪站洪水過(guò)程多為矮胖的單峰或峰距較大的復(fù)峰，漲落平緩，歷時(shí)較長(zhǎng)。汶川以上24小時(shí)和3日洪量一般可占紫坪鋪站的60～85%和70～90%，同時(shí)紫坪鋪站洪峰流量量級(jí)一般較??；區(qū)間來(lái)水型：7、8月大洪水大多是汶川～紫坪鋪區(qū)間來(lái)水為主，紫坪鋪站的洪水過(guò)程歷史短，漲落迅速，多呈尖廋的雙峰或多峰型，汶川―紫坪鋪區(qū)間 24小時(shí)和3日洪量一般可占紫坪鋪站的65～85%和60～70%，常常形成紫坪鋪站的大(特大)洪水。

1.2 洪水發(fā)生時(shí)間分布規(guī)律

根據(jù)紫坪鋪水文站1937～2003年共67年的實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，9月出現(xiàn)的年最大洪水次數(shù)較少，僅為7次，占比為10.4%，具體統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表1。由表1可知，9月最大洪水發(fā)生在1958年9月4日(流量3 320 m3/s)，接近10年一遇設(shè)計(jì)洪水，僅相當(dāng)于1964年實(shí)測(cè)最大洪水(洪峰流量5 840，為100年一遇洪水)的0.57倍，次大洪水發(fā)生在1945年9月1日，第三大洪水發(fā)生在1990年9月8日，這三場(chǎng)洪水均發(fā)生在9月上旬，且量級(jí)不大。

表1 紫坪鋪水文站9月最大流量統(tǒng)計(jì)表

1.3 前后汛期洪水分界日期

由岷江上游流域暴雨洪水特性及紫坪鋪站1937～2003年共67年洪水資料分析可知，岷江9月份發(fā)生年最大流量次數(shù)少，量級(jí)相對(duì)較小，且多為岷江汶川以上來(lái)水，洪水傳播至壩址時(shí)間長(zhǎng)。因此，確定紫坪鋪水庫(kù)主、后汛期的分界日為9月1日，9月份開(kāi)始可以逐漸提高汛限水位運(yùn)行。

2 后汛期設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算

2.1 頻率洪水

按跨期選樣、不跨期使用的原則，選樣開(kāi)始時(shí)間為前后汛期劃分界限以前10 d，即從8月22日開(kāi)始。根據(jù)紫坪鋪水文站1937年以來(lái)的實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，定時(shí)段獨(dú)立選取，分別計(jì)算選取出各年后汛期內(nèi)最大流量、最大24 h、最大三日洪量，分別組成后汛期最大流量、最大24 h、最大三日洪量系列。分別用數(shù)學(xué)期望公式計(jì)算各洪水系列各項(xiàng)的經(jīng)驗(yàn)頻率，以矩法計(jì)算統(tǒng)計(jì)參數(shù)的初值，采用P-Ⅲ型理論頻率曲線適線，確定出統(tǒng)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)值，成果見(jiàn)表2。

2.2 可能最大洪水

出于安全考慮，后汛期校核洪水標(biāo)準(zhǔn)和主汛期一致，采用可能最大洪水(PMF)。后汛期可能最大洪水(PMF)采用主汛期可能最大洪水與萬(wàn)年一遇洪水的洪峰、洪量比值，分別乘以后汛期萬(wàn)年一遇洪水的洪峰和洪量而得，經(jīng)計(jì)算，后汛期PMF的洪峰流量為8 630 m3/s，24 h洪量為5.17億m3，三日洪量為11.09億m3。

3 后汛期限制水位的確定

3.1 防洪調(diào)度任務(wù)

紫坪鋪水利樞紐工程的防洪任務(wù)有兩個(gè)：(1)確保紫坪鋪水利樞紐大壩的安全；(2)將金馬河的防洪標(biāo)準(zhǔn)由10年一遇提高到100年一遇。

紫坪鋪樞紐壩址下游3 km處有一支流白沙河匯入岷江干流，白沙河屬于典型的季節(jié)性河流，枯水期流量較小甚至斷流，但是汛期出現(xiàn)洪水時(shí)流量可達(dá)1 000 m3/s以上。同時(shí)由于白沙河洪水與紫坪鋪洪水同屬于著名的川西鹿頭山暴雨區(qū)南端一個(gè)暴雨區(qū)，因此，岷江干流的洪水與支流白沙河洪水相遇的可能性較大。為此，紫坪鋪水庫(kù)防洪調(diào)度需考慮白沙河洪水流量，按湊泄的方式控制下泄流量運(yùn)行更能符合上游洪水與下游區(qū)間洪水互相遭遇的不利情況。

以二王廟斷面作為金馬河防洪控制斷面，該斷面主汛期10年一遇洪峰流量為4 500 m3/s，即上游發(fā)生100年一遇標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)通過(guò)紫坪鋪水庫(kù)的調(diào)度該斷面流量不應(yīng)超過(guò)4 500 m3/s。通過(guò)對(duì)后汛期洪水的統(tǒng)計(jì)分析，后汛期白沙河100年一遇洪峰流量為1 410 m3/s，因此紫坪鋪水庫(kù)發(fā)生后汛期100年一遇洪水時(shí)允許最大下泄流量為3 090 m3/s。

3.2 調(diào)洪計(jì)算原則

根據(jù)水庫(kù)防洪運(yùn)用原則，確定后汛期洪水調(diào)節(jié)計(jì)算原則如下：

(1)來(lái)水流量小于1 100 m3/s時(shí)4臺(tái)機(jī)組參與泄流；

(2)來(lái)水流量大于1 100 m3/s或洪水頻率不超過(guò)百年一遇時(shí)，沖砂洞全開(kāi)，并根據(jù)洪水情況開(kāi)啟1條泄洪洞，并控制總泄量不超過(guò)3 090 m3/s，以滿足下游防洪要求；

(3)水位超過(guò)防洪高水位時(shí)，沖砂洞與1條泄洪洞敞泄，不控制下泄流量；

(4)庫(kù)水位超過(guò)870 m時(shí)開(kāi)啟溢洪道自由泄流。

3.3 調(diào)洪成果

根據(jù)后汛期9月份洪水過(guò)程線進(jìn)行分析計(jì)算，選用后汛期1%洪水、0.1%洪水和PMF洪水，在設(shè)計(jì)工況下分析計(jì)算860 m、870 m、875 m三個(gè)起調(diào)水位起調(diào)所能達(dá)到的最高水位，以及最大下泄流量，以判斷后汛期9月份逐步抬高汛限水位的安全可靠性。

860 m、870 m、875 m三個(gè)起調(diào)水位起調(diào)計(jì)算結(jié)果(表3)。由計(jì)算結(jié)果可知，3個(gè)工況下發(fā)生百年一遇洪水時(shí)最大下泄流量均小于3 090 m3/s，滿足下游防洪要求。當(dāng)發(fā)生后汛期PMF洪水時(shí)，最高水位最大為883.1 m，未超過(guò)水庫(kù)校核洪水位，滿足保障樞紐自身安全的要求。

3.4 對(duì)庫(kù)區(qū)淹沒(méi)的影響

表3 起調(diào)計(jì)算成果表

為了研究提高運(yùn)行水位對(duì)庫(kù)區(qū)淹沒(méi)范圍的影響，計(jì)算了9月份二十年一遇、五年一遇洪水壩前水位為870 m、875 m兩種水位情況下庫(kù)區(qū)回水水面線，計(jì)算成果(表4、表5)。

表4 9月份P=5%、20%洪水庫(kù)區(qū)回水計(jì)算成果表(起調(diào)水位為875 m)

表5 9月份P=5%、20%洪水庫(kù)區(qū)回水計(jì)算成果表(起調(diào)水位為870 m)

計(jì)算結(jié)果表明，9月份20年一遇洪水壩前水位875m方案，回水末端在映秀上場(chǎng)口CS75斷面，CS71至CS75斷面河段為映秀下場(chǎng)口至映秀上場(chǎng)口河段，該河段水位為877.07～880.73 m，高于非汛期正常蓄水位時(shí)該河段的水位，會(huì)增加該河段的淹沒(méi)；9月份20年一遇洪水壩前水位870 m方案，回水末端在CS72斷面，該位置處水位為875.3 m，低于正常蓄水位，因此，后汛期9月份水位抬高至870 m，不會(huì)增加水庫(kù)的淹沒(méi)，淹沒(méi)仍受正常蓄水位控制。

3.5 調(diào)度成效

10～12月為紫坪鋪水庫(kù)蓄水期，水庫(kù)從2005年下閘蓄水至今已完整運(yùn)行12年，表6統(tǒng)計(jì)了歷年蓄水期最高水位以及對(duì)應(yīng)的日期。2006～2007年因庫(kù)尾防護(hù)堤未施工完成，所以不能蓄至877 m，2008～2009年受“5·12”地震的影響僅蓄至860 m左右，2010～2011年庫(kù)尾映秀災(zāi)后重建不能蓄至877 m，從2012年開(kāi)始以870 m作為后汛期(9月)限制水位運(yùn)行后均蓄至正常蓄水位。

如果考慮2012～2017年后汛期9月仍按汛限水位850 m控制運(yùn)行，進(jìn)入10月后在滿足下游用水需求的前提下再回蓄，則水庫(kù)2013、2014、2016年將無(wú)法回蓄至正常蓄水位。因此，提高后汛期限制水位確能提高水庫(kù)蓄滿率。

表6 歷年蓄水情況統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)紫坪鋪流域內(nèi)暴雨洪水特性以及歷史上9月最大洪水發(fā)生次數(shù)及量級(jí)的分析，確定紫坪鋪水庫(kù)主、后汛期的分界日為9月1日。由于紫坪鋪水庫(kù)特殊的地理位置，進(jìn)行洪水調(diào)度時(shí)不僅要考慮工程自身安全，同時(shí)要減輕下游的防洪壓力，發(fā)生后汛期百年一遇洪水時(shí)紫坪鋪水庫(kù)允許最大下泄流量為3 090 m3/s。

在滿足工程自身防洪安全和減輕下游防洪壓力的要求下，紫坪鋪水庫(kù)后汛期限制水位提升至875 m是可行的。但是為了不增加對(duì)庫(kù)尾河段的淹沒(méi)影響，推薦后汛期限制水位提升至870 m。 對(duì)比了2012～2017年以870 m和850 m分別作為后汛期9月限制水位時(shí)水庫(kù)的蓄水情況，結(jié)果表明以870 m作為后汛期(9月)限制水位運(yùn)行，6年水庫(kù)均蓄至正常蓄水位；而維持850 m作為后汛期(9月)限制水位，則6年中會(huì)出現(xiàn)3年無(wú)法蓄滿的情況，說(shuō)明提高后汛期限制水位確能提高水庫(kù)蓄滿率。