梯級(jí)水庫對(duì)下游城市防洪的影響分析

陳好山，聶池祥，王 毅

（湖北省恩施州水文水資源勘測局，湖北 恩施 445000）

0 引言

忠建河為清江中游右岸的最大支流，發(fā)源于咸豐縣柿子坪，自西南向東北在龍坪村入宣恩縣境內(nèi)，流經(jīng)宣恩縣曉關(guān)鄉(xiāng)桐子營村、珠山鎮(zhèn)、萬寨鄉(xiāng)等地，于龜山河上游的石心河注入清江，干流全長120 km，流域面積1656 km2，總落差424 m。

忠建河屬典型山區(qū)性河流，其上游山高坡陡，匯流快，沿途有多條河流匯入，稍遇大暴雨，忠建河及支流河水就會(huì)猛漲,洪水峰高量大。由于宣恩縣城珠山鎮(zhèn)上游干流先后興建了桐子營、龍洞水庫電站，該梯級(jí)水利樞紐工程的建設(shè)改變了自然狀況和下墊面水力條件，加之下游宣恩縣城區(qū)自身防洪能力不足，一旦水庫調(diào)度失敗將對(duì)下游宣恩縣城市防洪帶來災(zāi)難性后果。

1 概況

桐子營水庫電站位于宣恩縣曉關(guān)鄉(xiāng)桐子營村，距宣恩縣城20km，流域面積503km2，正常蓄水位618.00m，總庫容7730萬m3，興利庫容5446萬m3。龍洞水庫電站位于宣恩縣城上游（距宣恩水文站1.5km）桐子營水庫電站下游，流域面積735km2，正常蓄水位550.00m，總庫容6823萬m3，防洪庫容1658萬m3。忠建河流域水系見圖1，桐子營、龍洞水利樞紐工程特征值見表1。

圖1 忠建河流域水系及水利工程示意圖

表1 桐子營、龍洞水利樞紐工程特征值表

2 防洪能力分析

2.1 設(shè)計(jì)洪水

2.1.1 由流量資料推求

龍洞水庫壩址位于宣恩水文站上游約1.5 km處，流域面積相差0.7%，且之間無支流匯入，因此龍洞水庫壩址設(shè)計(jì)洪水成果可直接移用宣恩水文站實(shí)測流量資料推求。

宣恩水文站建于1958年5月，位于宣恩縣城珠山鎮(zhèn)上湖塘，控制流域面積740 km2。城區(qū)河段自1994年開始疏浚治理，行洪斷面及過洪能力均發(fā)生了較大變化。為保證水文資料的一致性，采用1959年～1992年龍洞水庫建庫前（1993年5月下閘蓄水）宣恩水文站33年實(shí)測流量資料系列進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。經(jīng)查閱《中華人民共和國水文年鑒》，1983年為實(shí)測第1位洪水，加入歷史調(diào)查洪水后其經(jīng)驗(yàn)頻率采用P-Ⅲ型適線，計(jì)算成果見表2。

2.1.2 由暴雨資料推求

選用流域內(nèi)咸豐、龍坪、桐子營、曉關(guān)、宣恩等5站的短歷時(shí)（包括1 h、6 h、24 h）降水量資料，采用中值法計(jì)算設(shè)計(jì)暴雨。產(chǎn)流過程通過扣損法求得，凈雨過程由設(shè)計(jì)面雨量扣去初損和穩(wěn)損求得。忠建河流域?qū)俸笔〉谑姆謪^(qū)，按第十水文分區(qū)綜合匯流參數(shù)計(jì)算水庫設(shè)計(jì)洪水（不考慮天坑影響）。第十水文分區(qū)匯流參數(shù)m1和n值公式m1=0.8F0.3L0.1J-0.06、n=0.69F0.224J0.092計(jì)算。該流域內(nèi)有一定的溶巖，根據(jù)湖北省暴雨徑流查算圖表說明，不對(duì)匯流參數(shù)m1作非線性改正。地面徑流由所求匯流參數(shù)n、k，按瞬時(shí)單位線法計(jì)算無因次單位線并轉(zhuǎn)換為時(shí)段單位線配以相應(yīng)的設(shè)計(jì)凈雨過程，推求地面徑流過程。地下徑流由下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：t≤T 時(shí)：Qt＝Q0＋（Qg－Q0）t/T；t＞T時(shí)：Qt＝Qg·e－β（t－T），將地面徑流過程與地下徑流過程疊加即可得出設(shè)計(jì)洪水過程，由瞬時(shí)單位線法計(jì)算的設(shè)計(jì)頻率洪峰流量成果見表2。

表2 龍洞水庫壩址設(shè)計(jì)洪水成果表

2.1.3 設(shè)計(jì)洪水過程線

本次龍洞水庫壩址設(shè)計(jì)洪水復(fù)核方法中，流量資料途徑主要是延長系列和對(duì)實(shí)測系列的特大值處理作了修正，暴雨資料途徑主要是采用實(shí)測短歷時(shí)降水量資料和湖北省暴雨徑流查算圖表推薦的瞬時(shí)單位線法計(jì)算。從上表可知，本次復(fù)核成果均小于原初設(shè)成果，但均與原初設(shè)成果很接近，從偏安全考慮，本次設(shè)計(jì)頻率洪峰流量值仍采用原初設(shè)成果。

通過對(duì)宣恩站歷年實(shí)測最大洪水過程的統(tǒng)計(jì)分析（以單峰型為主），選取接近設(shè)計(jì)頻率、峰高量大，對(duì)防洪不利的1983年洪水為典型，按峰量同頻率縮放推算出龍洞水庫設(shè)計(jì)洪水過程線，結(jié)果見圖2。

圖2 龍洞水庫設(shè)計(jì)洪水過程線圖

2.2 設(shè)計(jì)洪水水面線

宣恩城區(qū)干流河段（龍洞電站壩下～三河溝匯河口）長約7 km，本文選取18個(gè)斷面進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，按天然河道恒定非均勻流伯努利能量方程,采用迭代法由三河溝大橋上游19 m處為起算斷面，計(jì)算出城區(qū)干流河段左岸各斷面各種頻率設(shè)計(jì)洪水水面線，見圖3。

式中：ζ為局部損失系數(shù)；α為擴(kuò)散系數(shù)(V上＞V下取0.5,V上＜V下取 0)；n為糙率系數(shù)；K 為輸水系數(shù)；hf為摩阻損失，hf=（υ2上/2g-υ2下/2g）L/2；he為擴(kuò)散損失，he=α（υ2上/2g-υ2下/2g）。

圖3 宣恩城區(qū)忠建河干流河段典型斷面各種頻率洪水水面線圖

根據(jù)《城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJ50-92)對(duì)城市等別、防洪標(biāo)準(zhǔn)、堤防工程級(jí)別及安全超高的規(guī)定，宣恩縣城為四等城市，為保證宣恩縣城區(qū)安全，堤防超高應(yīng)為0.50 m，故宣恩縣城區(qū)干流河段安全流量為1400 m3/s，相當(dāng)于20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 梯級(jí)水庫調(diào)洪演算分析

2.3.1 水庫調(diào)度原則

桐子營、龍洞水庫為上下游串聯(lián)式梯級(jí)水庫，功能單一且調(diào)洪庫容小，區(qū)間匯流時(shí)間短，水庫錯(cuò)峰能力差。上游水庫宜采取預(yù)報(bào)預(yù)泄結(jié)合安全流量固定泄洪方式進(jìn)行調(diào)度，以消減最大入庫洪峰流量作為防洪調(diào)度判別指標(biāo)，利用水庫調(diào)蓄作用盡可能使水庫放水均勻，使下泄流量最小化（達(dá)到最優(yōu)削峰效果），以提升下游城區(qū)防洪能力，水庫攔蓄尾水回蓄到防洪限制水位，不影響發(fā)電效益為原則。

2.3.2 桐子營水庫調(diào)洪演算分析

桐子營水庫預(yù)泄起調(diào)水位按615.00 m計(jì)算，調(diào)洪期間防洪限制水位為618.00 m，調(diào)洪庫容為977萬m3,按此控制條件進(jìn)行調(diào)洪分析。采用調(diào)洪及預(yù)泄庫容調(diào)度分析計(jì)算出桐子營水庫設(shè)計(jì)洪水及最大下泄流量（表3）及桐子營水庫設(shè)計(jì)洪水及預(yù)泄過程線（圖4）。

圖4 桐子營水庫設(shè)計(jì)洪水及預(yù)泄過程線圖

2.3.3 龍洞水庫調(diào)洪演算分析

據(jù)龍洞水庫特性，水庫消減洪峰流量和延長泄洪時(shí)間及溢洪道泄洪量受到溢洪道水頭的限制，而溢洪道水頭又受到水庫蓄洪量控制，水庫蓄洪量的大小取決于入庫和出庫流量之差，龍洞水庫調(diào)洪計(jì)算采用水量平衡公式：

龍洞水庫按100年一遇設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)洪水位554.92 m，500年一遇校核設(shè)計(jì)，校核洪水位556.83 m，正常蓄水位與防洪限制水位一致（均為550.00 m），調(diào)節(jié)庫容2442萬m3，調(diào)洪庫容1658萬m3，為不完全年調(diào)節(jié)水庫。當(dāng)起調(diào)水位為550.00 m時(shí)對(duì)應(yīng)下泄能力為1630 m3/s；當(dāng)入庫流量小于1630 m3/s，通過閘門調(diào)節(jié)下泄量；當(dāng)入庫流量大于1630 m3/s時(shí)，水庫按下泄能力下泄；當(dāng)泄流狀況進(jìn)入自由泄流情況下，泄流量與水庫借助輔助線 q-（v/Δt+q/2）調(diào)洪演算。

龍洞水庫在不同特征水位下進(jìn)行調(diào)洪演算，采取限制流量的調(diào)洪方式試算出調(diào)洪中不超過水庫設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位時(shí)的最低限制流量，成果見表4。

表4 龍洞水庫各特征水位調(diào)洪演算成果表

2.3.4 梯級(jí)水庫聯(lián)調(diào)對(duì)下游防洪影響分析

經(jīng)分析，當(dāng)宣恩城區(qū)上游發(fā)生100年一遇的洪水時(shí)龍洞水庫按設(shè)計(jì)洪水位控制最大下泄流量為1750 m3/s；當(dāng)宣恩城區(qū)上游發(fā)生50年一遇的洪水時(shí)，龍洞水庫按設(shè)計(jì)洪水位控制最大下泄流量為1460 m3/s。宣恩城區(qū)河段通過整治后，現(xiàn)狀河道安全流量為1400 m3/s,上游梯級(jí)水庫通過聯(lián)調(diào)后宣恩城區(qū)防洪能力從10年一遇提升至30年一遇及以上，分析成果見表5及表6。

表5 宣恩城區(qū)忠建河干流河段典型斷面各種頻率洪水水面成果表

表6 梯級(jí)水庫聯(lián)調(diào)后宣恩城區(qū)防洪能力成果表

3 結(jié)語

宣恩縣城區(qū)整體現(xiàn)狀防洪能力偏低，不足5年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到國家規(guī)定的四等城市20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)要求，尤其是部分區(qū)域防洪形勢特別嚴(yán)峻。由于城區(qū)河段來水主要受桐子營水庫、龍洞水庫調(diào)節(jié)控制，雖然上游兩座水庫防洪庫容不大，但通過水庫群聯(lián)合調(diào)度可將城區(qū)防洪能力從10年一遇標(biāo)準(zhǔn)提高至50年一遇標(biāo)準(zhǔn)，可有效提高宣恩城區(qū)防洪能力。針對(duì)當(dāng)前防洪現(xiàn)狀，為提高城區(qū)防洪能力減輕洪澇災(zāi)害實(shí)現(xiàn)人水和諧，需要進(jìn)一步加快推進(jìn)河道防洪工程治理、加大防洪宣傳力度提高全民防洪減災(zāi)意識(shí)、加強(qiáng)流域水雨情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)建設(shè)、完善水情預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)。