昆明城市補(bǔ)水對滇池下游城鎮(zhèn)防洪影響研究

崔松云，董盛明，肖 林，李顯鴻，王 軍

(1.云南省水文水資源局昆明分局，云南 昆明 650051；2.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098)

水資源短缺已經(jīng)成為制約我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，為了緩解水資源短缺、并改善水環(huán)境和水生態(tài)，我國修建了大量的調(diào)水和補(bǔ)水工程。這些工程在發(fā)揮水資源優(yōu)化配置效益的同時，也產(chǎn)生了諸多附加效應(yīng)，如水環(huán)境、水生態(tài)、泥沙通量、防洪安全等。圍繞調(diào)水或補(bǔ)水工程附加效應(yīng)，國內(nèi)學(xué)者開展了大量研究，如常玉苗[1]、景福林[2]研究了跨流域調(diào)水對生態(tài)環(huán)境影響綜合評價指標(biāo)體系；何越人[3]、安國慶[4]、張磊[5]等研究了調(diào)引水工程對生態(tài)環(huán)境的影響；金勇[6]研究了南水北調(diào)西線工程對長江徑流的影響；錢凱霞[7]研究了南水北調(diào)西線工程對通天河調(diào)水對長江電力的影響，此外，國內(nèi)多位學(xué)者[8- 12]圍繞調(diào)水工程對水生態(tài)、水系連通等方面的影響開展了針對性研究。

盡管國內(nèi)學(xué)者對調(diào)水或補(bǔ)水工程影響研究較多，但主要集中在水環(huán)境、水生態(tài)、河流泥沙等方面，在防洪安全影響方面的研究相對較少。本文以昆明市滇池補(bǔ)水為例，研究滇池補(bǔ)水對其下游城市的防洪安全影響，定量分析外流域調(diào)水和本流域洪水遭遇后下游主控斷面設(shè)計洪水變化，并在此基礎(chǔ)上開展河道防洪能力評價，為下游城市防洪安全保障提供科技支撐。

1 理論方法

定量分析滇池補(bǔ)水對其下游城市防洪安全影響，涉及非一致性條件下的設(shè)計洪水計算及地區(qū)組成和河道水面線推求等。本次采用水量平衡法進(jìn)行還原計算，使水文資料滿足隨機(jī)穩(wěn)態(tài)假設(shè)條件，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行水文頻率分析計算并推求設(shè)計洪水；采用簡化能量方程推求水面線，基本原理如下。

1.1 水文頻率分析計算

在我國，水文要素分布函數(shù)一般采用P-Ⅲ型曲線，數(shù)學(xué)上稱為γ分布(三參數(shù)Gamma分布)，其概率密度函數(shù)為：

(1)

式中，a0，β，α—分別為分布的位置、尺度和形狀參數(shù)。

1.2 設(shè)計洪水地區(qū)組成

設(shè)計洪水地區(qū)組成方法很多，本文采用同頻率法，基本原則為上下同頻，區(qū)間相應(yīng)；或上區(qū)同頻，下游相應(yīng)。當(dāng)下游斷面發(fā)生設(shè)計頻率p的洪量WCp時，上游斷面發(fā)生同頻率洪量WAp，而區(qū)間發(fā)生相應(yīng)的洪量用公式(2)計算。

WB=WCp-WAp

(2)

1.3 水面線推求

水面線推求采用簡化能量方程。若計算河段比較順直均勻，兩斷面的面積變化不大，可略去兩斷面的流速水頭差和局部水頭損失，公式如下：

(3)

式中，Z1、Z2—上下斷面水位；Q—流量；K—流量模數(shù)；ΔS—兩個斷面的距離。

2 滇池補(bǔ)水后各控制斷面設(shè)計洪水推求

2.1 研究區(qū)域概況

2.1.1河流水系

本次研究范圍河段位于滇池下游螳螂川(普渡河中游河段)，行政區(qū)包括安寧市和富民縣。由于滇池水域分隔，海口以上習(xí)慣稱為滇池流域，?？陂l以下至石龍壩電站段稱?？诤?，石龍壩電站以下至富民永定橋段稱為螳螂川，以下至金沙江交口段稱為普渡河。普渡河流向經(jīng)富民、祿勸縣境，最終匯入金沙江。全流域面積為11751km2，河長364km，河道平均坡降4.5‰。普渡河流域水系、水文站點空間分布如圖1所示。

2.1.2補(bǔ)水工程

為解決水資源短缺問題，云南省相繼在滇池流域?qū)嵤┝苏气F河引水濟(jì)昆、清水海引水和牛欄江—滇池補(bǔ)水三項外流域補(bǔ)水工程，現(xiàn)狀外流域補(bǔ)水流量達(dá)到31.1m3/s。

2.1.3補(bǔ)水后下游防洪形勢分析

在高強(qiáng)度人類活動和補(bǔ)水工程調(diào)水復(fù)合影響下，可能會出現(xiàn)外調(diào)水量與本流域洪水遭遇情況，進(jìn)而嚴(yán)重威脅人民生命財產(chǎn)安全和制約經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展[4]。盡管昆明市已加大對城區(qū)淹水點、入滇池河道和滇池出口河道綜合整治，在一定程度上緩解滇池周邊和昆明城區(qū)防洪壓力；然而滇池下游的安寧市和富民縣中心城鎮(zhèn)位于螳螂川河畔，防洪斷面以上區(qū)間面積大、暴雨洪水地區(qū)組成復(fù)雜，同時，滇池下泄洪水易與區(qū)間洪水遭遇，從而給兩縣防洪安全帶來更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，定量評估滇池補(bǔ)水對下游城市防洪安全的影響，并為下游防洪規(guī)劃提供科學(xué)支撐是亟待解決的問題。

圖1 普渡河流域水系及水文站點分布

2.2 防洪控制斷面及防洪標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)河流水系及滇池下游城鎮(zhèn)位置分布情況，考慮相應(yīng)城鎮(zhèn)開展防洪預(yù)警的時效性及可控性，確定滇池下游城鎮(zhèn)防洪控制斷面，安寧市防洪控制斷面為城區(qū)上游的小菜園及中游的溫青閘斷面，富民縣城防洪控制斷面為城區(qū)上游的永定橋及中游的麥竜閘斷面。

隨著現(xiàn)代新昆明發(fā)展戰(zhàn)略的推進(jìn)，昆明市提出“一主四輔”的發(fā)展模式，并將安寧和富民縣城定位為一般城鎮(zhèn)，人口20萬以內(nèi)。根據(jù)GB 50201—2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，一般城鎮(zhèn)等級為Ⅳ，防洪標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇。

2.3 洪水地區(qū)組成分析

根據(jù)河流水系空間拓?fù)潢P(guān)系可知，安寧市防洪控制斷面(小菜園、溫青閘)、富民縣城防洪控制斷面(永定橋、麥竜閘)洪水由滇池下泄與區(qū)間洪水組成。由于滇池下泄洪水受人為調(diào)控，可視為人工洪水，而區(qū)間洪為天然洪水，兩者洪水特征、量級等存在顯著差別，需分別研究。因此，洪水分析內(nèi)容包括滇池入出湖洪水、滇池出口(包括西園隧洞)至防洪控制斷面區(qū)間洪水和洪水地區(qū)組成。

安寧市防洪控制斷面(小菜園、溫青閘)洪水依據(jù)螳螂川干流?？?包括西園隧洞)、小菜園和蔡家村水文站實測資料分析，富民縣城防洪控制斷面(永定橋、麥竜閘)洪水主要根據(jù)蔡家村、三岔河和三江口站實測資料分析(各站空間分布圖如圖1所示)。

2.3.1滇池入、出湖洪水

滇池入湖洪水分析方法：①根據(jù)水量平衡原理還原入湖洪水，同時考慮上游水庫群的攔蓄影響，推求現(xiàn)狀近似天然入湖洪水系列；②將天然入湖洪水系列作頻率計算，并在此基礎(chǔ)上考慮歷史洪水訂正統(tǒng)計參數(shù)(選擇盤龍江上游小河水文站類比分析)，據(jù)此計算滇池總?cè)牒O(shè)計洪水；③分析上游大、中型8座水庫入庫設(shè)計洪水(采用水文比擬法)，并進(jìn)行調(diào)節(jié)計算；④按水量平衡方程計算水庫群以下至滇池區(qū)間設(shè)計洪水，其中考慮因城區(qū)不透水面積擴(kuò)大導(dǎo)致相同暴雨條件下的洪水增量以及外流域引水濟(jì)昆工程(包括云龍水庫、清水海、牛欄江)實施后的回歸水；⑤將上游水庫群經(jīng)調(diào)節(jié)計算后的設(shè)計下泄量與區(qū)間設(shè)計洪水迭加后組成滇池入湖設(shè)計洪水。

關(guān)于出湖洪水，根據(jù)上述分析得到的入湖洪水過程，采用水量平衡原理結(jié)合滇池現(xiàn)狀調(diào)度模式、湖容曲線、下泄曲線進(jìn)行調(diào)節(jié)計算得到下泄洪水過程。

2.3.2滇池出口至防洪控制斷面區(qū)間洪水

?？谥涟矊幨蟹篮榭刂茢嗝?小菜園、溫青閘)區(qū)間洪水，根據(jù)海口、菜家村水文站實測洪水資料統(tǒng)計，海口站現(xiàn)狀最大出流量僅80m3/s(平均為20m3/s)，占蔡家村站實測年最大洪水的10%以內(nèi)，主要洪水由區(qū)間產(chǎn)生，因此，區(qū)間洪水先分析菜家村站洪水，再采用水量平衡原理計算。

?？谥粮幻窨h城防洪控制斷面(永定橋、麥竜閘)區(qū)間洪水，根據(jù)實測水文資料分析可知，滇池下泄流量在蔡家村站實測年最大洪水中所占比重較小，蔡家村、三岔河、三江口站的洪水主要由區(qū)間產(chǎn)生，故依據(jù)各站實測和調(diào)查洪水資料直接估計區(qū)間洪水。

2.3.3洪水地區(qū)組成

對于安寧市防洪控制斷面(小菜園、溫青閘)而言，斷面處于?？谡九c蔡家村站區(qū)間(簡稱海蔡區(qū)間)，因滇池流域面積占蔡家村站控制面積的56.6%，海蔡區(qū)間占43.4%，屬山丘型的中等流域，地形、地貌變化大。從暴雨空間分布情況看，因流域水文條件十分復(fù)雜，暴雨空間分布不均勻的特點更顯著，整個流域發(fā)生同頻洪水幾率不大。因此，河道洪水采用洪水地區(qū)組成，根據(jù)流域地形、地貌以及水文條件、區(qū)間暴雨量等，考慮采用滇池與蔡家村站同頻、區(qū)間相應(yīng)的組合方式計算控制斷面洪水。

對于富民縣城防洪控制斷面(永定橋、麥竜閘)來說，滇池洪水比重相對小，而區(qū)間洪水比重大，采用區(qū)間與滇池下泄洪水直接組合方式。

2.4 防洪控制斷面洪水分析成果

按照上述分析思路及方法，分塊分單元對各部分洪水分析后，經(jīng)洪水地區(qū)組成得到各防洪控制斷面設(shè)計洪水。鑒于滇池出湖河道?？诤佑?014年7月完成了綜合整治，滇池下泄流量增大，為定量分析外流域調(diào)水及海口河整治后對滇池下游城鎮(zhèn)的防洪影響，按海口河整治前、后兩種工況進(jìn)行洪水組合，具體成果見表1。

表1 不同工況條件下滇池下游城鎮(zhèn)防洪控制斷面設(shè)計洪水成果

將上述分析成果與前期已通過審查或?qū)嵤┑墓こ趟姆治龀晒?如昆明市城市防洪總體規(guī)劃、麥竜閘整治初步設(shè)計報告等)相比，成果接近，表明本次計算成果合理，可用于分析滇池補(bǔ)水對下游防洪的影響。

3 滇池補(bǔ)水后對下游防洪影響分析

為定量分析評價河道過流能力，根據(jù)河道洪水具有連續(xù)的特點，采用水力學(xué)方法計算分析范圍河段的設(shè)計水面線，據(jù)此評價河段防洪能力。

3.1 邊界條件及參數(shù)

根據(jù)水力計算等相關(guān)規(guī)范確定的控制斷面選取原則，安寧市防洪河段選擇15個，富民縣城防洪斷面選擇20個控制斷面。

3.1.1上下邊界條件及初始條件設(shè)置

上邊界采用20年一遇設(shè)計洪水計算成果，下邊界采用水位條件。其中，安寧市防洪河段選擇溫青閘為控制，?？诤又卫砬?0年一遇起始水位為1823.48m，治理后水位為1823.77m，以小菜園站為校核；富民縣城防洪河段選擇麥竜閘為控制，?？诤又卫砬?0年一遇起始水位為1677.913m，治理后為1678.173m。

3.1.2河道綜合糙率及比降

根據(jù)實測斷面、流量資料結(jié)合相關(guān)規(guī)范分析確定綜合糙率取值，現(xiàn)狀岸邊有少許雜草的取0.035，砌石擋墻取0.025，生態(tài)斷面取0.030。根據(jù)實測資料，安寧小菜園至溫青閘段比降為1.05‰，富民縣城永定橋至麥竜閘段比降為4.87‰。

3.2 設(shè)計洪水位計算

根據(jù)邊界條件、初始條件及參數(shù)取值，采用明渠恒定非均勻漸變流公式分段求和法(簡化能量方程)自下而上試算安寧市防洪河段和富民縣城防洪河段沿程水位。

鑒于安寧市防洪河段主要以小菜園控制，富民縣城主要以永定橋控制的情況，在此僅列出起始和主要防洪控制斷面特征洪水位成果，20年一遇水面線計算成果見表2。

表2 現(xiàn)狀河道水面曲線成果表 單位：m

3.3 防洪影響分析

3.3.1安寧市

根據(jù)表2中設(shè)計水面線成果可知，在滇池出口河段?？诤游凑吻埃矊幨蟹篮榭刂茢嗝?小菜園)可滿足20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)；?？诤又卫砗?，下泄流量增加44m3/s，該斷面設(shè)計洪水位超過兩岸河堤高程(左岸超高0.48m，右岸超高0.43m)，不滿足20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)。

3.3.2富民縣

對于富民縣城永定橋斷面而言，不論海口河治理與否，洪水位均高于兩岸河堤高程，不滿足20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)，若以洪水位不超過現(xiàn)狀堤頂控制，最大過水流量僅270m3/s，相當(dāng)于5年一遇。

綜上，不論是安寧市還是富民縣城防洪河段，河道過水能力十分有限。當(dāng)?shù)岢叵滦?0年一遇洪水時，與區(qū)間組合后的洪峰流量對其是存在一定影響的，特別是海口河治理后，20年一遇下泄洪峰流量增大至164m3/s，小菜園、永定橋防洪控制斷面洪水位都超過兩岸河堤高程，而不滿足行洪要求。

4 結(jié)語

防洪體系是保障人民群眾生命財產(chǎn)安全的系統(tǒng)工程。本文對昆明城市補(bǔ)水對滇池下游城鎮(zhèn)防洪安全進(jìn)行了影響分析，結(jié)果表明，滇池流域?qū)嵤┒囗椡饬饔蜓a(bǔ)水工程后，一方面確保了昆明城市供水安全，但同時也加劇了滇池下游安寧市、富民縣的防洪形勢。為確保滇池下游兩城鎮(zhèn)的防洪安全，需結(jié)合安寧市、富民縣防洪現(xiàn)狀，提出針對性對策措施，降低滇池補(bǔ)水對下游防洪安全的影響。