昆明主城現(xiàn)狀條件下小洪水防洪調(diào)度方案研究

崔松云，肖 林，董盛明，李顯鴻

(云南省水文水資源局昆明分局，云南 昆明 650051)

0 引 言

昆明主城由于受三面環(huán)山、南瀕滇池、最大入滇池河道盤龍江穿城而過等特定地理位置，以及牛欄江-滇池補(bǔ)水工程、城市下墊面不斷硬化、城市地形平緩、暴雨集中等因素的影響，城市洪澇災(zāi)害頻發(fā)(自1950年至今平均1.8 a發(fā)生一次嚴(yán)重洪澇災(zāi)害)，是全國近年來洪澇災(zāi)害最嚴(yán)重的60個城市之一，城市防洪形勢嚴(yán)峻[1]。其防洪系統(tǒng)概化圖見圖1。

圖1 防洪系統(tǒng)概化圖Fig.1 Diagram of flood control system of Kunming

盤龍江為最大入滇池河道，上游城市邊緣為松華壩大(2)型水庫，水庫以下河道呈南北向縱穿昆明主城，同時作為牛欄江-滇池補(bǔ)水工程的入湖通道，對昆明主城防洪安全及滇池水環(huán)境治理具有至關(guān)重要的作用。但現(xiàn)在條件下存在一些問題：

(1)盤龍江城區(qū)段現(xiàn)狀行洪能力較低。盤龍江城區(qū)段原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇，相應(yīng)行洪能力為150 m3/s，但經(jīng)復(fù)核，盤龍江現(xiàn)狀行洪能力僅為99.0 m3/s(相當(dāng)于30 a一遇標(biāo)準(zhǔn))，行洪能力不達(dá)標(biāo)，而目前通過綜合整治使其行洪能力達(dá)標(biāo)又不具備條件。2013年12月，牛欄江-滇池補(bǔ)水工程運(yùn)行后，對滇池水環(huán)境治理起到了關(guān)鍵性作用，但盤龍江作為滇池補(bǔ)水的入湖通道，流域洪水組成的邊界條件發(fā)生了改變，在盤龍江現(xiàn)狀行洪能力不足的情況下加入調(diào)水量增加了盤龍江及昆明主城的防洪壓力。同時，隨著城市的發(fā)展，盤龍江水庫以下流域農(nóng)田基本消失，原有的滯洪區(qū)亦不復(fù)存在，加之下墊面硬化后，同量級暴雨洪水增大，致使盤龍江防洪壓力較大。

(2)由于外流調(diào)水的加入，松華壩水庫與盤龍江敷潤橋水文站聯(lián)合調(diào)度的邊界條件發(fā)生變化，未建立現(xiàn)狀條件下的聯(lián)合調(diào)度方案，在發(fā)生洪水時，可能因調(diào)度不當(dāng)而致使松華壩水庫防洪效益不能充分發(fā)揮；因此，當(dāng)盤龍江流域發(fā)生超10 a一遇標(biāo)準(zhǔn)洪水時，若各工程調(diào)度不當(dāng)，將產(chǎn)生人為災(zāi)害，危及昆明主城防洪安全[2]。

為確保昆明主城防洪安全、科學(xué)合理調(diào)度松華壩水庫，使其防洪功能得到最大限度發(fā)揮，達(dá)到即保護(hù)下游昆明主城區(qū)防洪安全，又減少庫區(qū)淹沒損失，同時確保牛欄江-滇池補(bǔ)水工程的正常運(yùn)行的目的，協(xié)調(diào)好松華壩水庫調(diào)度、牛欄江-滇池補(bǔ)水和盤龍江的洪水調(diào)度關(guān)系對確保昆明主城防洪安全至關(guān)重要[3]?；诖?，本文通過對盤龍江邊界條件變化情況下的設(shè)計洪水進(jìn)行分析，提出現(xiàn)狀條件下的洪水調(diào)度方案，以避免因調(diào)度不當(dāng)產(chǎn)生的人為災(zāi)害，充分發(fā)揮非工程措施對防災(zāi)減災(zāi)的效益。本文提出的調(diào)度方案已在昆明主城“2017.7.20”暴雨洪水中得到運(yùn)用，并發(fā)揮了較好的減災(zāi)效益。

1 盤龍江現(xiàn)狀條件下洪水組成情況分析

1.1 現(xiàn)狀條件下洪水組成情況

在盤龍江干流昆明主城區(qū)設(shè)有敷潤橋水文站，該站為盤龍江洪水調(diào)度的重要控制站。在牛欄江-滇池補(bǔ)水工程未運(yùn)行前，該站洪水主要由松華壩水庫下泄洪水及水庫以下區(qū)間洪水組成；在2013年12月牛欄江-滇池補(bǔ)水工程(設(shè)計補(bǔ)水流量23.0 m3/s)運(yùn)行后，補(bǔ)水量主要通過盤龍江入滇池，盡管可人為調(diào)控水量，但因輸水線路長，即使泵站停止提水，需18 h左右才能斷流，當(dāng)盤龍江出現(xiàn)大洪水時，兩者遭遇可能性大。因此，現(xiàn)狀條件下盤龍江洪水主要由松華壩水庫下泄洪水、區(qū)間洪水、牛欄江調(diào)水量組成。

1.2 盤龍江河道洪水分析

1.2.1 洪水標(biāo)準(zhǔn)

按照現(xiàn)代新昆明城市總體規(guī)劃，根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201-2014)的規(guī)定，結(jié)合《昆明城市防洪總體規(guī)劃(修編)》，盤龍江防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)達(dá)到100 a一遇以上，但現(xiàn)狀防洪能力不達(dá)標(biāo)，近期又無法對其進(jìn)行整治提高行洪能力，故本方案主要分析現(xiàn)狀條件下標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)設(shè)計洪水(10、20、30 a一遇)，確保標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)洪水調(diào)度安全。

1.2.2 洪水分析成果

(1)盤龍江控制斷面設(shè)計洪水分析。鑒于盤龍江控制斷面洪水由松華壩水庫下泄與區(qū)間洪水、牛欄江-滇池補(bǔ)水工程調(diào)水量組成，其特性差異較大的情況，考慮分塊分單元計算各部分洪水后再進(jìn)行地區(qū)組合。

根據(jù)資料狀況并結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范要求，松華壩水庫入庫洪水依據(jù)上游小河水文站實測(1953-2016年)和調(diào)查歷史洪水資料，以小河水文站為參證站，采用水文比擬法計算；松華壩以下至控制斷面區(qū)間洪水根據(jù)松華壩、敷潤橋站實測洪水系列，采用頻率法計算。最后，將松華壩水庫下泄洪水采用馬斯京根法演算至敷潤橋站，考慮牛欄江補(bǔ)水流量后進(jìn)行洪水地區(qū)組合。

按照上述思路，對各部分洪水進(jìn)行分析，考慮地區(qū)組合后得到敷潤橋站設(shè)計洪水，具體成果見表1。

表1 盤龍江敷潤橋站設(shè)計洪水組合成果表 m3/sTab.1 Results of design flood combination of Furunqiao station in Panlong River

表1中洪水組合時，考慮水庫至控制斷面區(qū)間河槽具有一定調(diào)蓄能力，且河段規(guī)整，故組合時采用馬斯京根法將下泄洪水過程演算至敷潤橋站后與區(qū)間洪水進(jìn)行組合；而牛欄江補(bǔ)水由于較為穩(wěn)定，故直接同頻疊加。洪水組合成果經(jīng)與《昆明城市防洪總體規(guī)劃(修編)》、盤龍江河道整治工程設(shè)計報告等相關(guān)成果相比，認(rèn)為本次分析成果基本合理。

(2)盤龍江暴雨預(yù)警指標(biāo)分析。根據(jù)表1洪水分析成果可知，當(dāng)盤龍江流域發(fā)生20 a一遇以上洪水時，敷潤橋站組合洪峰已超過盤龍江安全泄量，將威脅到昆明主城的防洪安全，需提出預(yù)警，由相應(yīng)部門對盤龍江流域內(nèi)水利工程進(jìn)行科學(xué)調(diào)度。從目前預(yù)警預(yù)報技術(shù)看，預(yù)警指標(biāo)主要為水位及雨量，若以水位為預(yù)警指標(biāo)，當(dāng)盤龍江敷潤橋站出現(xiàn)超警戒水位時發(fā)布預(yù)警信息再采取調(diào)度措施，預(yù)見期較短，來不及對松華壩水庫及牛欄江補(bǔ)水工程調(diào)度方案進(jìn)行調(diào)整，而采用雨量預(yù)警可結(jié)合短期或超短期氣象預(yù)報，增長預(yù)見期，為松華壩水庫及牛欄江補(bǔ)水工程調(diào)整運(yùn)行調(diào)度方案爭取有效時間。鑒于水庫對洪水削峰錯峰作用明顯，可為下游洪水調(diào)度提供有利條件，故本次主要分析松華壩水庫以下區(qū)間雨量預(yù)警指標(biāo)。

根據(jù)松華壩、敷潤橋站實測暴雨洪水成果，分析受城市發(fā)展下墊面變化影響后的產(chǎn)、匯流參數(shù)，采用流量反算法確定水庫以下區(qū)間不同頻率洪水對應(yīng)的時段暴雨量，作為相應(yīng)的雨量預(yù)警指標(biāo)。具體步驟：①根據(jù)松華壩、敷潤橋站實測場次暴雨洪水，分析區(qū)間產(chǎn)匯流參數(shù)；②以松華壩、敷潤橋站為參證站，分析設(shè)計點暴雨，考慮點面折算系數(shù)修訂后得到松華壩水庫以下區(qū)間設(shè)計面暴雨；③假定不同頻率的設(shè)計暴雨過程，經(jīng)產(chǎn)匯流計算區(qū)間設(shè)計洪水，當(dāng)計算的區(qū)間洪水與上述分析的區(qū)間設(shè)計洪水相差在3%以內(nèi)時，認(rèn)為假定的設(shè)計暴雨過程即為設(shè)計洪水所對應(yīng)的暴雨過程，即預(yù)警雨量。具體成果見表2。

表2 松華壩水庫以下區(qū)間設(shè)計洪水相應(yīng)暴雨成果表Tab.2 Results of design flood corresponding rainstorm for the interval below reservoir

根據(jù)盤龍江松華壩、敷潤橋站實測暴雨洪水資料分析，水庫以下區(qū)間洪水主要由6 h暴雨產(chǎn)生，其匯流歷時在2～3 h之間，而牛欄江-滇池補(bǔ)水工程前端干河泵站關(guān)機(jī)停水后，輸水線路中水量尚需18 h左右才能完全消退，故兩者遭遇的可能性較大。為保證牛欄江-滇池補(bǔ)水工程獲得有效的調(diào)度時間，雨量預(yù)報應(yīng)提前24 h發(fā)布預(yù)警，預(yù)報時段應(yīng)包括1、3、6 h雨量，即當(dāng)預(yù)測未來24 h內(nèi)1、3、6 h雨量達(dá)到相應(yīng)預(yù)警指標(biāo)時，應(yīng)立即發(fā)布雨量預(yù)警，便于牛欄江-滇池補(bǔ)水工程及時采取應(yīng)急調(diào)度措施。

2 盤龍江現(xiàn)狀條件下洪水調(diào)度方案研究

根據(jù)《昆明市城市防洪總體規(guī)劃(修編)》對盤龍江現(xiàn)狀行洪能力復(fù)核結(jié)果，盤龍江城區(qū)河道現(xiàn)狀行洪能力僅為99.0 m3/s(相當(dāng)于30 a一遇)，當(dāng)盤龍江流域發(fā)生30 a一遇以上洪水時視為超標(biāo)洪水，應(yīng)采取應(yīng)急搶險措施。鑒于此，本次主要研究盤龍江流域發(fā)生30 a一遇以下洪水多水源組合情況下的調(diào)度方案，為盤龍江現(xiàn)狀行洪能力條件下的洪水調(diào)度及相關(guān)工程運(yùn)行提供指導(dǎo)[5]。

主要研究松華壩水庫下泄洪水、牛欄江補(bǔ)水量、區(qū)間洪水組合后以盤龍江安全泄量為控制，發(fā)揮松華壩水庫最大調(diào)洪能力情況下的調(diào)度方案，對于30 a一遇以上超現(xiàn)狀標(biāo)的洪水應(yīng)采取應(yīng)急搶險措施。

2.1 調(diào)度原則

當(dāng)盤龍江流域發(fā)生10 a一遇以下(含10 a)洪水時，松華壩水庫、牛欄江補(bǔ)水工程可按原設(shè)計調(diào)度方式進(jìn)行正常調(diào)度。

當(dāng)盤龍江流域發(fā)生20 a一遇洪水時，在牛欄江補(bǔ)水工程正常運(yùn)行的狀況下，按盤龍江敷潤橋站組合洪水不超安全泄量(99.0 m3/s)進(jìn)行控制，確定松華壩水庫控制下泄過程，以松華壩水庫控制下泄過程為邊界條件對松華壩水庫相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)洪水進(jìn)行調(diào)洪演算，若水庫洪水位不超過防洪高水位，牛欄江補(bǔ)水工程可正常運(yùn)行；若水庫洪水位超過防洪高水位，則需保證松華壩水庫大壩安全，松華壩水庫自由下泄，同時牛欄江補(bǔ)水工程應(yīng)立即停止調(diào)水。

當(dāng)盤龍江流域發(fā)生30 a一遇洪水時，即使牛欄江補(bǔ)水工程停止補(bǔ)水，松華壩水庫下泄洪水與區(qū)間洪水組合后，敷潤橋站洪峰流量仍然超過盤龍江安全泄量，故仍需對松華壩水庫下泄洪水進(jìn)行控制。

當(dāng)盤龍江流域發(fā)生30 a一遇以上洪水時，視為超現(xiàn)狀標(biāo)準(zhǔn)洪水，應(yīng)采立即取應(yīng)急搶險措施。

2.2 松華壩水庫控制下泄過程分析

(1)不同重現(xiàn)期洪水控制下泄過程對比分析。根據(jù)上述思路，在牛欄江補(bǔ)水工程正常運(yùn)行狀況下，盤龍江流域發(fā)生20～30 a一遇洪水時，松華壩水庫下泄洪水、松～昆區(qū)間洪水與牛欄江補(bǔ)水量組合后敷潤橋站洪峰流量介于115～135 m3/s之間，超過了盤龍江的安全泄量99.0 m3/s，故需對松華壩水庫下泄過程進(jìn)行控制，發(fā)生30 a一遇洪水時，牛欄江補(bǔ)水工程還應(yīng)立即停止調(diào)水，確保敷潤橋站洪水不超安全泄量。

根據(jù)敷潤橋站洪水組成情況及盤龍江河道對洪水的調(diào)蓄能力，采用試算法確定松華壩水庫的控制下泄過程，30 a一遇洪水不考慮牛欄江補(bǔ)水流量，以敷潤橋站組合洪峰流量不超過安全泄量為控制，采用馬斯京根分段連續(xù)演算法反試算松華壩水庫控制下泄過程。經(jīng)試算，松～昆區(qū)間發(fā)生20、30 a一遇洪水時對應(yīng)的松華壩控制下泄過程如圖2所示。

圖2 盤龍江現(xiàn)狀行洪能力條件下松華壩水庫控制下過程成果Fig.2 Results of control and discharge process of Songhuaba reservoir under the condition of the flood discharge capacity of Panlong River

(2)不同重現(xiàn)期洪水控制下泄最高水位對比分析。由于盤龍江流域發(fā)生20～30 a一遇洪水時，對松華壩水庫下泄流量進(jìn)行了控制，為確保水庫安全，需按上述分析的松華壩水庫允許最大下泄流量進(jìn)行控制，對松華壩水庫相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)洪水進(jìn)行調(diào)洪計算，分析相應(yīng)洪水位，判斷水庫運(yùn)行是否安全。

根據(jù)水庫現(xiàn)狀泄洪設(shè)施、水庫特性、入庫洪水過程、控制下泄過程、庫容曲線等邊界條件，按水量平衡原理采用試算法對水庫逐時段進(jìn)行調(diào)洪計算，得到水庫控制下泄流量條件下的水庫特征值，結(jié)果見表3。

表3 松華壩水庫洪水調(diào)節(jié)計算特征值成果表(控制下泄情況下)Tab.3 Results of characteristic values of flood regulation calculation of Songhuaba Reservoir(Under the control of the discharge)

從表3計算結(jié)果看出，當(dāng)松華壩水庫按上述分析的控制下泄過程下泄時，20 a一遇洪水位為1 967.22 m，30 a一遇洪水位為1 967.26 m，均未超過防洪高水位1 971.00 m，大壩處于安全狀態(tài)，表明可按上述分析的下泄過程為控制進(jìn)行水庫調(diào)度。

2.3 現(xiàn)狀條件下盤龍江洪水調(diào)度方案擬訂

由于盤龍江現(xiàn)狀行洪能力不達(dá)標(biāo)，而近期通過整治提高行洪能力的可能性較小，主汛期又為牛欄江補(bǔ)水工程的主要調(diào)水期，在此狀況下，昆明主城及盤龍江汛期防洪壓力較大，為確保昆明主城、盤龍江防洪安全，需科學(xué)合理調(diào)度松華壩水庫及牛欄江補(bǔ)水工程，故根據(jù)上述洪水分析及水庫調(diào)洪計算結(jié)果研究不同條件下的調(diào)度方案。

(1)當(dāng)盤龍江流域發(fā)生10 a一遇以下(含10 a)洪水時，即盤龍江流域1、3、6 h雨量不大于50、70、85 mm時，松華壩水庫可按原設(shè)計調(diào)度方式進(jìn)行調(diào)度，不需控制下泄過程，牛欄江補(bǔ)水工程可按設(shè)計補(bǔ)水流量23.0 m3/s正常進(jìn)行調(diào)水。

(2)當(dāng)盤龍江流域發(fā)生20 a一遇洪水時(區(qū)間洪峰流量達(dá)到75.6 m3/s)，即盤龍江流域1、3、6 h雨量達(dá)到60、85、100 mm時，牛欄江補(bǔ)水工程可正常運(yùn)行，但松華壩水庫需控制下泄流量進(jìn)行錯峰，待區(qū)間洪水過后，松華壩水庫再均勻下泄使庫水位回落至汛限水位1 963.50 m?？刂茝牡?個時段開始，需控制24個時段(控制最大下泄流量見表3)。此條件下，庫水位達(dá)到1 967.22 m，超過正常蓄水位(1 965.50 m)1.72 m，超過原20 a一遇設(shè)計洪水位(1 966.80 m)0.42 m，但低于水庫防洪高水位，水庫大壩處于安全狀態(tài)。

(3)當(dāng)盤龍江流域發(fā)生30 a一遇洪水時(區(qū)間洪峰流量達(dá)到86.9 m3/s)，即盤龍江流域1、3、6 h雨量達(dá)到70、100、120 mm時，牛欄江補(bǔ)水立即采取應(yīng)急調(diào)度措施，同時松華壩水庫控制下泄流量進(jìn)行錯峰，待區(qū)間洪水過后，松華壩水庫再均勻下泄使庫水位回落至汛限水位1 963.50 m?？刂茝牡?個時段開始，需控制10個時段(控制最大下泄流量見表3)。此條件下，庫水位達(dá)到1 967.26 m，超過正常蓄水位(1 965.50 m)1.76 m，但低于水庫防洪高水位，水庫大壩處于安全狀態(tài)。

(4)當(dāng)盤龍江流域發(fā)生超過30 a一遇洪水時，視為超現(xiàn)狀標(biāo)準(zhǔn)洪水，應(yīng)立即啟動《昆明城市防洪應(yīng)急搶險預(yù)案》，進(jìn)入防洪搶險救災(zāi)狀態(tài)。

(5)為提高調(diào)度方案的可操作性，以松-昆區(qū)間設(shè)計洪水相應(yīng)暴雨作為預(yù)警指標(biāo)，即當(dāng)預(yù)報盤龍江流域未來時段雨量可能達(dá)到相應(yīng)預(yù)警指標(biāo)或?qū)崪y時段雨量即將達(dá)到相應(yīng)預(yù)警指標(biāo)時，應(yīng)發(fā)布調(diào)度指令按上述相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)洪水調(diào)度方案進(jìn)行調(diào)度。相應(yīng)雨量預(yù)警指標(biāo)見表4。

表4 盤龍江流域雨量預(yù)警指標(biāo)成果表Tab.4 Results of rainfall warning index in Panlong River basin

(6)為減小滇池變動回水對盤龍江洪水的頂托影響，滇池必須按《云南省滇池保護(hù)條例》規(guī)定的五級運(yùn)行水位進(jìn)行調(diào)度，確保汛期滇池水位控制在汛限水位1 887.20 m以下。當(dāng)主汛期滇池流域發(fā)生較大暴雨洪水、水位突破1 887.20 m時，應(yīng)調(diào)節(jié)?？陂l、西園隧洞，加大滇池下泄流量，使滇池水位盡快回落到1 887.20 m；當(dāng)主汛期滇池流域發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水、水位突破1 887.50 m時，為確保主城防洪安全，?？陂l、西園隧洞應(yīng)全開，使滇池水位盡快回落至1 887.50 m，之后為減輕滇池下游城鎮(zhèn)的防洪壓力，調(diào)節(jié)海口閘、西園隧洞控制下泄流量，使滇池水位均勻回落至1 887.20 m。

3 結(jié) 論

通過分析，得出如下結(jié)論：

(1)現(xiàn)狀條件下，當(dāng)盤龍江流域發(fā)生10 a一遇以下(含10 a)洪水時，松華壩水庫可按原設(shè)計調(diào)度方式進(jìn)行調(diào)度，牛欄江補(bǔ)水工程可按設(shè)計補(bǔ)水流量正常進(jìn)行調(diào)水。

(2)當(dāng)盤龍江流域發(fā)生20 a一遇洪水時，牛欄江補(bǔ)水工程可按設(shè)計補(bǔ)水流量正常進(jìn)行調(diào)水，但松華壩水庫須控制下泄流量進(jìn)行錯峰，動用部分防洪庫容，庫水位將達(dá)到1 967.22 m。

(3)當(dāng)盤龍江流域發(fā)生30 a一遇洪水時，牛欄江補(bǔ)水工程應(yīng)立即停止調(diào)水，同時松華壩水庫須控制下泄流量進(jìn)行錯峰，動用部分防洪庫容，庫水位將達(dá)到1 967.26 m。

(4)按本文分析提出的洪水調(diào)度方案進(jìn)行調(diào)度，可確保盤龍江流域發(fā)生30 a一遇以下洪水時昆明主城的防洪安全，對昆明城市防洪調(diào)度具有重要指導(dǎo)意義。

由于本次只是針對頻率洪水開展研究，針對發(fā)生相應(yīng)量級的洪水并指導(dǎo)防洪調(diào)度具有現(xiàn)實意義。然而，未來每年發(fā)生的洪水過程是隨機(jī)的，僅僅是頻率洪水調(diào)度成果難以滿足需要，鑒于此，應(yīng)構(gòu)建滇池流域洪水預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)，在精準(zhǔn)的實時洪水預(yù)報基礎(chǔ)上，開展優(yōu)化調(diào)度研究，將具有更大的現(xiàn)實意義。