宜昌市柏臨河干流防洪特性分析及流域生態(tài)需水量評估

，，

(長江水利委員會水文局 長江三峽水文水資源勘測局， 湖北 宜昌 443000)

1 研究背景

柏臨河為長江左岸的一級支流，發(fā)源于宜昌市夷陵區(qū)別家大山的愈家老屋，干流依次流經(jīng)夷陵區(qū)小溪塔街道、龍泉鎮(zhèn)、伍家崗區(qū)伍家鄉(xiāng)、伍家崗街道和宜昌高新區(qū)生物產(chǎn)業(yè)園。柏臨河干流建有大量攔水壩，部分河段存在堤防欠高的問題，尤其是攔水壩附近河段過水斷面面積明顯不足，此外部分河道淤積明顯減小了河道行洪面積，威脅到河道兩岸居民的生命財產(chǎn)安全，流域水安全問題突出，因此亟需對流域防洪特性進行分析，并采取相應(yīng)的措施。

徐華[1]針對無資料地區(qū)采用推理公式法計算了山洪溝的設(shè)計洪水，并認為該方法計算精度較高。李磊[2]等認為推理公式法對土耳其小流域設(shè)計洪水的計算成果符合當?shù)貙嶋H情況。陶新紅[3]采用推理公式法求得設(shè)計洪水，結(jié)果較為合理。張松達[4]對無資料地區(qū)小流域的洪峰流量進行了推算。柏臨河屬山區(qū)性河流，河道坡降較大，干流建有3個水位站和1個水文站，但水文資料系列較短，無法通過實測資料進行設(shè)計洪水計算，本文擬采用推理公式法計算設(shè)計洪水。

采用一維水動力數(shù)學(xué)模型計算柏臨河干流水面線。吳樹煌[5]等提出了工程設(shè)計中天然河道水面線計算的方法及建議。陳瑞方[6]分析了傳統(tǒng)恒定流推算方法與非恒定流數(shù)學(xué)模型計算方法的差異。方神光[7]等基于一維數(shù)學(xué)模型對西江干流黔江段防洪特性進行了分析。何書會[8]等對天然河道洪水水面線推算中的技術(shù)問題及處理方法進行了研究。柏臨河干流上下游建有較多攔水壩，河道遭到連續(xù)性破壞，圣維南方程組的適用性受到限制，因此，計算過程中，在攔水壩處對河道進行分段處理，并采用堰流公式對壩址處水位進行控制，自下而上逐一計算沿程水面線。

河道最小生態(tài)需水量即維護河道基本生態(tài)功能以及維持河道內(nèi)水生生物生存所需的水量[9]。國外對河道內(nèi)生態(tài)需水量的研究起步較早，M.Falkenmark[10]等提出了“綠水”的概念，即同時滿足人類生存發(fā)展和河流生態(tài)所需的水量。P.D.Raskin[11]認為足夠的水量是維持河流、湖泊及濕地生態(tài)的前提。國內(nèi)關(guān)于生態(tài)需水量的研究始于20世紀70年代，湯奇成[12]首次提出了生態(tài)環(huán)境用水的概念，認為保護綠洲生態(tài)環(huán)境的用水即為生態(tài)環(huán)境用水。王芳[13]等探討了生態(tài)需水量的概念，指出生態(tài)需水量是用來恢復(fù)和保持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定、保證河流生態(tài)環(huán)境所需的水量。生態(tài)需水量的計算方法一般有水文學(xué)法和水力學(xué)法。水文學(xué)法包括Tennant法、Texas法、逐月頻率計算法；水力學(xué)法包括濕周法和R2-Cross法，此外還有生境模擬法和綜合法?？紤]到其他方法要求較高，結(jié)合柏臨河流域的實際情況，本文擬采用Tennant法和濕周法計算流域生態(tài)需水量。

2 流域概況

柏臨河發(fā)源于宜昌市夷陵區(qū)別家大山，在宋家咀以上分東西兩支，在宋家咀匯合后，經(jīng)龍泉鎮(zhèn)、水府廟、土門，在宜昌市城區(qū)東郊臨江溪匯入長江。流域呈扇形，主要支流從上至下依次有楊樹河、土門河、后河和花艷沖，楊樹河于水府廟匯入柏臨河干流，匯合口以上的柏臨河干流習(xí)慣稱龍泉河，土門河和后河均于徐家畈匯入柏臨河，花艷沖于張家坪匯入柏臨河干流。流域面積為478 km2，柏臨河主河道長54.3 km，河床平均坡降為5.5‰，河道坡降較大，屬山區(qū)性河流。柏臨河流域干支流分別建有稻花香(龍泉)水位站，水府廟水位站，臨江溪水位站、鳴鳳河(魏家畈)水文站和支流后河上的新場水位站，共4個水位站和1個水文站。流域水系及水文站點分布見圖1。

圖1 柏臨河流域水系及水文站點分布

柏臨河流域水位觀測始于2012年，水文資料系列不足7 a。鳴鳳河水文站于2016年設(shè)立，是流域內(nèi)唯一的水文站點，實測資料系列較短，無法根據(jù)實測資料進行設(shè)計洪水計算，故該流域?qū)倩緹o水文資料地區(qū)。各站觀測情況統(tǒng)計見表1。

表1 柏臨河干流水文站網(wǎng)及水文項目觀測情況統(tǒng)計

3 水文分析計算

3.1 計算方法

3.1.1 推理公式法

柏臨河流域位于湖北省水文氣象分區(qū)第Ⅷ區(qū)，設(shè)計洪水計算采用湖北省暴雨統(tǒng)計參數(shù)圖集中的推理法公式法計算[14]?；谒圃和评砉椒?，根據(jù)新編的暴雨參數(shù)和設(shè)計暴雨特點，結(jié)合具體情況進行了改進，計算公式為

(1)

(2)

式中，K1、K2、K3、K4為暴雨遞減指數(shù)n的函數(shù)，已制成表格供計算時查用；θ=L/J1/3，L為河流長度，km；J為河道比降，‰；S為雨力，mm；F為流域面積，km2；u為產(chǎn)流期平均損失率,mm/h；m為匯流參數(shù)，按流域所在分區(qū)并結(jié)合H24點的值選用相應(yīng)公式計算。

3.1.2 一維數(shù)學(xué)模型

一維數(shù)學(xué)模型根據(jù)圣維南方程組計算沿程水面線，采用簡化的四點隱式格式對圣維南方程組進行離散，將離散結(jié)果代入到連續(xù)性方程與動量方程中，再通過迭代求解Q和Z。編號j和j+1相鄰兩斷面的水位流量關(guān)系為

(3)

(4)

式中，Q為流量，m3/s；Z為水位，m；Cj、Dj、Ej、Fj、Gj、Фj需要內(nèi)部迭代求解。

模型上邊界采用流量進行控制，下邊界采用水位進行控制；柏臨河支流楊樹河、土門河、后河和花艷沖以支流入?yún)R的形式參與水面線計算。

3.1.3 堰流公式控制攔水壩處水位

柏臨河干流分布的攔水壩堰坎厚度較小，δ/H也較小，無側(cè)收縮，可按薄壁堰處理，薄壁堰堰流公式為

(5)

式中，Q為流量，m3/s；mo為堰流流量指數(shù)，與堰的進口尺寸和δ/H有關(guān)；b為堰寬，m；H為堰上水頭，m 。根據(jù)斷面流量、堰的尺寸和高程，通過式(5)可推算攔水壩處水位。

3.2 研究方法可靠性與合理性分析

3.2.1 推理公式的可靠性

采用推理公式法分別計算柏臨河流域干支流不同頻率設(shè)計洪水，將計算成果與《湖北省宜昌市城區(qū)防洪規(guī)劃(北部區(qū)域)》進行對比，見表2。

表2 柏臨河流域設(shè)計洪水計算成果與宜昌市防洪規(guī)劃計算成果比較

由表2分析可知，推理公式法計算值與防洪規(guī)劃值差值較小，相對誤差小于2%，在允許范圍內(nèi)，計算成果可靠。從工程安全角度考慮，在水面線計算時各斷面不同頻率設(shè)計洪水取兩種計算成果中的較大值。

3.2.2 一維水動力學(xué)模型糙率取值

柏臨河屬無資料地區(qū)，無法通過實測資料進行糙率率定?；萦黾椎萚15]對奉節(jié)至香溪河段糙率系數(shù)進行了計算與分析。田景環(huán)等[16]對天然一維河道一維數(shù)模中綜合糙率的確定方法進行了研究，提出了天然河道一維水力計算時糙率系數(shù)的確定方法，并通過實驗對該方法進行了驗證，認為該方法對缺乏實測資料地區(qū)同樣適用。朱馬別克·努爾合買提[17]對西北山區(qū)天然河道糙率系數(shù)進行了分析，指出反演算法在近似確定糙率的過程中準確度較高。綜上，本文柏臨河干流糙率n取值為 0.032。

3.3 柏臨河干流防洪特性分析

根據(jù)表2的設(shè)計洪水成果，分別計算了不同方案干支流的來水量。各方案計算條件見表3。

表3 不同計算方案邊界條件

三峽工程建成后，依據(jù)三峽水庫防洪調(diào)度方案，100 a一遇及其以下洪水，枝城流量控制在56 700 m3/s，宜昌至枝城河段按56 700m3/s的流量設(shè)防。《湖北省宜昌市城區(qū)防洪規(guī)劃(北部區(qū)域)》給出了56 700m3/s流量下宜昌段各斷面設(shè)計洪水位，本文直接引用柏臨河設(shè)計洪水位為50.63 m。

分別計算得到柏臨河干流P=10%、P=5%、P=2%的沿程水面線，根據(jù)宜昌市城區(qū)防洪規(guī)劃要求，龍泉古鎮(zhèn)稻花香廠區(qū)至后河入河口防洪標準為20 a一遇，后河入河口至臨江溪入江口防洪標準為50 a一遇，而龍泉古鎮(zhèn)上游主要為人口較少的農(nóng)村地區(qū)，防洪標準較低，可按10 a一遇考慮。各河段根據(jù)其不同的防洪標準，得到羅家畈至臨江溪沿程防洪水面線，見圖2。

圖2 柏臨河干流沿程防洪水面線

參照GB 50286-2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》[18]，對于10 a一遇、20 a一遇洪水和50 a一遇洪水，對應(yīng)的安全超高分別為0.7 ，0.8 m和0.9 m。結(jié)合計算的柏臨河干流沿程水面線，得到柏臨河羅家畈至臨江溪設(shè)計堤頂高程，再根據(jù)沿程現(xiàn)狀堤頂高程，分析柏臨河干流防洪現(xiàn)狀。柏臨河干流沿程設(shè)計堤頂高程與現(xiàn)狀堤頂高程見圖3。

圖3 柏臨河干流沿程設(shè)計堤頂高程與現(xiàn)狀堤頂高程

分析羅家畈至臨江溪設(shè)計堤頂高程與現(xiàn)狀堤頂高程的關(guān)系可知，河段上游雷家畈攔水壩、宋家咀攔水壩處堤防欠高明顯，欠高達到1.4 m和2.3 m，其他河段堤防能滿足防洪要求。河段中游龍泉古鎮(zhèn)建有關(guān)公坊酒廠攔水壩、稻花香賓館攔水壩、龍泉古鎮(zhèn)攔水壩和151攔水壩，攔水壩附近河段堤防欠高分別為0.7，0.5，0.8 m和0.8 m。下游河段堤防高程基本能滿足防洪要求。

考慮到攔水壩上游一般建有取用水設(shè)施，為兩岸居民提供生產(chǎn)、生活用水，因此攔水壩改造過程中以拆壩、降低壩頂高程為主，結(jié)合河道疏浚，新建堤防護岸，保證河道行洪安全。

表5 柏臨河流域最小生態(tài)需水量計算成果

4 柏臨河流域生態(tài)需水量

4.1 生態(tài)需水量計算

Tennant法也稱蒙大拿法，該方法以預(yù)先確定的多年平均流量百分數(shù)為基礎(chǔ)，將保護水生態(tài)和水環(huán)境的河流流量推薦值分為最大允許極限值、最佳范圍值、極好狀態(tài)值、很好狀態(tài)值、良好狀態(tài)值、一般或較差狀態(tài)值、差或最小狀態(tài)值和極差狀態(tài)值等1個高限標準、1個最佳范圍標準和6個低限標準。水生生物對環(huán)境的季節(jié)性要求不同，4～9月為魚類產(chǎn)卵育肥期，10月至翌年3月為一般用水期?；谠摲椒ń⒘怂?、河流景觀、娛樂和河流流量之間的關(guān)系標準，見表4。濕周法主要是通過確定濕周-流量關(guān)系，結(jié)合實測流量和河道參數(shù)，從而得到相應(yīng)濕周-流量數(shù)據(jù)。

表4 保護魚類、野生動物、娛樂和相關(guān)環(huán)境資源的河流流量狀況

注：*表示多年平均流量百分數(shù)%。

對于柏臨河流域生態(tài)需水量計算，Tennant法確定的年內(nèi)較枯時段、較豐時段生態(tài)需水量分別采用多年平均天然流量的20%和40%。濕周法采用冪函數(shù)來擬合濕周-流量關(guān)系，對“V”型斷面和“U”型斷面效果較好，各方法計算的生態(tài)需水量成果見表5。

計算表明，Tennant法和濕周法計算的最小生態(tài)需水量相差不大。對Tennant法計算的成果進行分析，柏臨河上段(龍泉河)最小生態(tài)需水量為0.641億m3，柏臨河下段最小生態(tài)需水量為1.716億m3；楊樹河段最小生態(tài)需水量為0.442億m3；土門河最小生態(tài)需水量為0.129億m3；后河河段最小生態(tài)需水量為0.367億m3；花艷沖最小生態(tài)需水量為0.032億m3。

4.2 生態(tài)需水量評估

經(jīng)計算得到95%保證率條件下柏林河干支流來用水(見表6)。具體情況如下：①柏臨河上段在保證率為95%條件下多年平均來水量為0.922億m3，多年平均用水量為0.219億m3，剩余水量約0.438億m3。②柏臨河上段最小生態(tài)需水量為0.641億m3，缺水量約0.203億m3，表明柏臨河上段在保證率為95%條件下水資源量不能滿足河道最小生態(tài)用水的要求。③柏臨河下段在保證率為95%條件下多年平均來水量為6.628億m3，多年平均用水量為3.835億m3，剩余水量約 2.793億m3。④柏臨河干流下段最小生態(tài)需水量為1.716億m3，約占剩余水量的61.4%，表明柏臨河干流下段在保證率為95%條件下多年平均水資源量基本能滿足河道最小生態(tài)用水的要求。

同理，支流楊樹河、土門河、后河和花艷沖在95%保證率條件下來用水量情況見表6。

4.3 河道生態(tài)補水方案

上述分析表明，在保證率95%來水條件下，除柏臨河下段、楊樹河外，柏臨河干流上段、土門河、后河和花艷沖均不能滿足河道最小生態(tài)需水量的要求，需對其進行生態(tài)補水。

(1)龍泉河補水方案。生態(tài)補水缺口最大的是龍泉河，其最小生態(tài)需水量0.641億m3，缺水量為0.203億m3，約占流域生態(tài)缺水總量的80.6%，故流域生態(tài)用水的主要供需矛盾在龍泉河。楊樹河在保證率95%來水條件下，河道剩余水量約1.414億m3，最小態(tài)需水量為0.442億m3，仍有0.972億m3水量富余，可考慮將其水資源量一部分引入鄰近的柏臨河上段(龍泉河)。

表6 95%保證率條件下柏臨河干支流來用水量情況 億m3

(2)土門河、花艷沖的補水方案?；ㄆG沖、土門河等河流水資源量較為匱乏，但生態(tài)補水總量不大，僅0.016億m3。在優(yōu)先滿足城鎮(zhèn)生產(chǎn)生活用水、灌溉用水的前提下，應(yīng)充分利用東風(fēng)干、支渠的連通作用，適時向周家嘴、花艷沖水庫補水。保證周家嘴、花艷沖水庫有足夠的下泄流量，以滿足下游河道的生態(tài)用水需求。

(3)后河河段的補水方案。在正常年份，后河河段河道水資源量基本可以滿足河道最小生態(tài)需水量需求。但在保證率95%來水條件下，河道最小生態(tài)需水量仍缺0.023億m3，約占最小生態(tài)需水量的6.3%。后河流域水庫眾多，水庫儲水能力也較強，只要統(tǒng)籌規(guī)劃，充分發(fā)揮后河流域水庫群的綜合調(diào)節(jié)作用，合理安排各水庫的下泄流量，后河河道的生態(tài)用水要求亦可得到滿足。

5 結(jié) 論

(1)采用推理公式法計算柏臨河流域設(shè)計洪水，計算值與《湖北省宜昌市城區(qū)防洪規(guī)劃(北部區(qū)域)》成果相對誤差在2%以內(nèi)，計算成果可靠。

(2)柏臨河干流存在多座攔水壩，破壞了河道的縱向連續(xù)性，在攔水壩處采用堰流公式推算壩址處水位，分段從下游至上游推算沿程水面線，計算結(jié)果滿足精度要求。

(3)根據(jù)計算的柏臨河干流P=10%、P=5%和P=2%沿程水面線，得到了沿程設(shè)計堤頂高程。結(jié)合現(xiàn)狀堤頂高程分析了柏臨河干流防洪特性，結(jié)果表明：柏臨河上游的雷家畈攔水壩、宋家咀攔水壩處堤防欠高明顯，龍泉古鎮(zhèn)的關(guān)公坊酒廠攔水壩、稻花香賓館攔水壩、龍泉古鎮(zhèn)攔水壩和151攔水壩堤防高程欠高，其他河段基本能滿足防洪要求。對于堤防欠高的幾座攔水壩，建議將其改造為翻板壩，保證行洪安全。

(4)分別計算了柏臨河干支流最小生態(tài)需水量，并對流域生態(tài)需水量進行了評估，計算表明在保證率95%來水條件下，除柏臨河下段、楊樹河能滿足河道最小生態(tài)需水量外，其他河段不能滿足河道最小生態(tài)需水量的要求。