永康市楊溪水庫下泄洪水影響分析

朱秋芳，朱軍政

(1.永康市楊溪水庫灌溉工程管理局，浙江 永康 321304;2.浙江水利水電學院，浙江 杭州 310018)

1 基本情況

1.1 流域概況

楊溪水庫(見圖1)位于永康市東南部石柱鎮(zhèn)麻車口村，地處永康江南溪支流李溪，距石柱鎮(zhèn)7.5 km，距市區(qū)15 km。李溪發(fā)源于舟山毛嶺，經(jīng)舟山至前村有申亭溪10.48 km2，至上橋有源口溪8.93 km2注入，緩轉(zhuǎn)北流經(jīng)下東橋、白巖下、臺門，至古竹橋合新樓溪入楊溪水庫，出水庫后于石柱有北大迪溪15.17 km2注入，經(jīng)上里溪于寺山腳入南溪。流域面積174.1 km2，主流長31 km，平均比降4.656‰，其中上游舟山溪主流長12.5 km，流域面積49.28 km2，新樓溪主流長13.2 km，流域面積35 km2。

楊溪大壩腳至南溪寺山腳匯入口，全長11.3 km，河寬40～65 m，其中楊溪水庫至石柱鎮(zhèn)金溫公路大橋止9 650 m河段，在1987年冬至1988年春按20年一遇洪水標準進行了整治，河道現(xiàn)狀保持較好。楊溪水庫按100年一遇洪水設計，下游河道按20年一遇洪水標準進行整治，一旦水庫下泄流量超出20年一遇標準洪水，下游河道將會出現(xiàn)洪水淹沒風險，為此進行下泄洪水演進模擬計算分析，了解不同頻率洪水下游河道漫堤溢流、淹沒范圍、淹沒水深情況。國內(nèi)相關(guān)研究主要集中在水庫潰壩洪水影響風險[1-13]，對水庫正常的下泄洪水，但又超出下游河道行洪能力的洪水風險研究較少。

圖1 楊溪水庫位置及流域示意圖

1.2 水庫概況

楊溪水庫集水面積124 km2，總庫容6 453 萬m3，水庫按100年一遇洪水設計，是一座以灌溉為主，結(jié)合防洪、供水、發(fā)電等綜合功能的中型水庫。100年一遇設計洪水位154.77 m，相應庫容5 768萬m3，20年一遇防洪高水位154.21 m，正常蓄水位153.84 m，梅汛期限制水位153.24 m，臺汛期限制水位152.84 m，防洪庫容630萬m3。

庫區(qū)上游三條溪水匯注入庫，主河道長23 km，比降為4.54‰，主河道平均高程135.54 m，分水嶺平均高程445 m。河道地處山區(qū)，坡陡流急，林木稀少，雨水缺乏調(diào)節(jié)，每逢暴雨，水位暴漲暴落。

水庫下游河道按20年一遇洪水標準進行整治，安全下泄流量為185 m3/s。水庫至李溪出口斷面的洪水傳播時間游為1.5 h，到市區(qū)洪水傳播時間約為3 h。防洪土地面積0.178萬ha，人口約12萬人。除石柱鎮(zhèn)境內(nèi)有金溫鐵路、金溫高速公路、330國道等重要交通工程外，還有下楊電灌、妙端電灌等水利工程設施。

2 防洪調(diào)度計劃

楊溪水庫自投運以來的多年平均降水量為1 483.3 mm，多年平均入庫徑流量9 684萬m3。歷史最豐年份發(fā)生在1989年，年降水量為2 106.6 mm，年入庫徑流量為17 856萬m3。最枯年份發(fā)生在2004年，年降水量為1 131.1 mm，年入庫徑流量為3 761萬m3。

歷史發(fā)生“89.07.23”洪水，庫水位在152.54 m開閘泄洪，調(diào)洪后最高庫水位154.71 m(發(fā)生日期1989年7月23日)，為建庫以來最高值。3孔閘門開啟，組合最大下泄流量310 m3/s(含發(fā)電流量12 m3/s)，泄洪歷時30時5分，下泄水量1 322萬m3。歷史最低庫水位143.01 m，發(fā)生日期2004年2月29日。

2.1 水庫洪水調(diào)度原則

(1)水庫洪水調(diào)度遵守安全第一，兼顧興利，主要功能以防洪為主時，兼顧下游防洪；水庫發(fā)揮灌溉供水作用為主時，兼顧防洪發(fā)電；

(2)楊溪水庫承擔下游的防洪任務，水庫水位低于20年一遇洪水位時(154.21 m)，下泄流量控制在下游河道安全泄量185 m3/s以下；

(3)水庫水位高于20年一遇洪水位時(154.21 m)，水庫逐步加大開啟閘門泄洪，在確保大壩安全前提下控制泄流量不大于入庫洪峰，避免造成人為洪水。

2.2 調(diào)洪計算成果

按2.1調(diào)度原則進行調(diào)洪演算，水庫調(diào)洪成果(見表1)。

表1 楊溪水庫調(diào)洪計算成果表(臺汛期)

3 二維洪水演進數(shù)學模型

根據(jù)楊溪水庫下游李溪河道實際情況，針對下泄洪水演進問題，建立楊溪水庫下游二維數(shù)值模型，對下泄洪水演進進行流場模擬，模擬下泄洪水的傳播過程，分析水庫下游淹沒范圍、淹沒水深等基礎信息。

3.1 控制方程

數(shù)學模型水流計算的控制方程為沿水深平均的二維淺水方程，包括一個連續(xù)方程和兩個動量方程，分別如下：

(1)

(2)

(3)

式中：z—水位；u—x方向垂線平均流速；

v—y方向垂線平均流速；h—水深；

c—謝才阻力系數(shù)；E—紊動擴散系數(shù)。

3.2 定解條件及求解方法

(1)定解條件

定解條件包括初始條件和邊界條件。

邊界條件為上游進口及旁側(cè)入口給定流量邊界，下游出口給定水位邊界，固壁邊界給定滑移邊界條件(即流體在邊界處的法向速度為0)。

(2)干濕邊界處理

由于計算區(qū)域中存在隨水位漲落而變化的動邊界，為了避免過強的淺水效應影響及保證模型計算的連續(xù)性，通常采用“干濕處理技術(shù)”。模型處理干濕邊界的方法是單元區(qū)分法。當單元的水深小于hdry(干水深)時，該計算區(qū)域的節(jié)點將不參加計算；當單元的水深介于hdry和hflood(淹沒水深)之間時，此時動量通量會設定為0，只有質(zhì)量通量會被計算；當單元的水深大于hwet(濕水深度)時，動量通量和質(zhì)量通量都會在計算中被考慮。

(3)渦粘系數(shù)

渦粘系數(shù)根據(jù)Smagorinsky公式確定：

(4)

式中：u—x方向垂線平均流速；v—y方向垂線平均流速；l—網(wǎng)格間距(又稱特征長度)；Cs—計算參數(shù)，一般取0.25～1.0之間。

模型采用基于單元中心的有限體積法對二維淺水控制方程進行離散求解。

3.3 模型構(gòu)建

3.3.1 計算范圍及網(wǎng)格剖分

本次河道二維水動力學模型計算范圍，自楊溪水庫壩址至下游寺山腳，計算河段全長約11.3 km，上邊界取在水庫壩址，下邊界取為李溪匯入口。

楊溪水庫壩址至寺山腳段地形采用不規(guī)則三角網(wǎng)格進行剖分。在網(wǎng)格剖分時，需要考慮堤防、道路等線性建筑物的阻水作用。采用網(wǎng)格最大面積和三角形最小角度對網(wǎng)格生成進行控制。計算域內(nèi)的網(wǎng)格布設考慮了水流、地形梯度的差異，對水流、地形復雜河段以及橋梁橋附近區(qū)域的計算網(wǎng)格作了進一步加密，以便更好地反映該地區(qū)水流、地形變化特征，保證流場模擬精度，整個計算域內(nèi)共布設77 899個三角形單元，40 018個有效節(jié)點，最小空間步長為5 m，計算時間步長為30 s。整體模型計算網(wǎng)格(見圖2)。陸地地形數(shù)據(jù)通過水庫下游1 ∶2 000地形圖提取，河道地形數(shù)據(jù)圖通過河道斷面圖提取的河道高程點。在進行網(wǎng)格插值時，李溪兩岸分別設置隔斷線，確保河道和陸地分開插值，避免河道陸地相鄰網(wǎng)格的插值高程不準確。計算區(qū)域數(shù)字化地形(見圖3)。

圖2 二維數(shù)學模型計算網(wǎng)格

圖3 二維數(shù)學模型計算范圍內(nèi)地形分布圖

3.3.2 沿線水利工程概化

從楊溪水庫至寺山腳，沿線有河堤、道路，水利工程29處，包括橋梁和堰壩。在進行建模時，對沿線的水利工程進行了概化。

(1)線性阻水建筑物概化

線性阻水建筑物多為寬度較窄、高程較高的地物，對洪水演進的影響主要表現(xiàn)為其阻水和導水作用。在模型中應準確反映其頂高程及走向，主要為堤防、道路等線性阻水建筑物。這類地物的高程需單獨設置，不參與網(wǎng)格插值。

(2)橋梁概化

楊溪水庫下游河道計算范圍內(nèi)有多座橋梁(見圖4)。橋梁根據(jù)實際位置和尺寸進行概化，橋墩設置為采用河床糙率來反映?？紤]到計算的穩(wěn)定性需要，部分橋墩采用合并概化方式處理。

(3)堰壩概化

堰壩根據(jù)實際位置和尺寸概化(見圖5)，其概化方式采用線性阻水建筑物概化方式。

圖4 上楊橋巖洽公路橋等沿線橋梁

圖5 沿線堰壩

3.4 模型率定

3.4.1 邊界條件處置

(1)上下游邊界

上邊界取在水庫壩址，進口斷面采用流量邊界；下邊界取為李溪匯入口，采用斷面水位。

(2)干濕邊界處理

由于壩下游計算區(qū)域的地形比較復雜，存在地形突變的區(qū)域較多，且模型區(qū)域處于干濕邊交替區(qū)。故為避免計算的不穩(wěn)定性，本次計算設定了干濕邊界，hdry、hflood及hwet的取值分別為0.005 m、0.1 m和0.2 m。

河道二維水動力學模型計算涉及的主要參系數(shù)有河道糙率和計算時間步長等。河道糙率是一個綜合阻力系數(shù)，反映了計算河段的河床河岸阻力、河道形態(tài)變化、水流阻力及河道地形概化等因素的綜合影響。計算所采用的河道糙率由實測水文資料率定計算確定。模型計算采用的時間步長為30 s。

3.4.2 模型率定

模型計算選擇2014年“820”洪水作為驗證資料，該洪水是李溪1989年以來發(fā)生的最大洪水。經(jīng)過驗證計算，圖6為2014年“820”洪水石柱水文站數(shù)學模型洪水過程計算結(jié)果對比。由圖6可見，石柱站控制斷面的洪水位過程計算值與實測值基本吻合。石柱水文站的最高洪水位計算值為99.12 m，實測最高洪水位為99.13 m，兩者最高水位相差0.01 m，洪水過程線基本吻合，同時李溪沿程最高洪水位分布較為合理，說明計算模型能較好地反映李溪洪水演進過程。

圖6 2017年“625”洪水位數(shù)學模型計算結(jié)果對比

4 下泄洪水計算成果分析

4.1 設計水文條件

針對50年一遇和100年一遇下泄洪水計算時給定下面水文邊界條件。

(1)上邊界

楊溪水庫遭遇50年一遇和100年一遇洪水條件時，下泄洪水過程按2014年實際下泄洪水過程同比放大，最大泄洪流量按353 m3/s、400 m3/s控制。

(2)區(qū)間入流

俞溪頭溪、云溪、峰箬溪、無名溪、北大迪溪匯流流量遭遇50年一遇和100年一遇洪水，按楊溪水庫入庫流量進行同比放大，采用恒定流量過程

(3)下邊界

考慮到河道堤防按20年一遇標準設計，遭遇50年一遇和100年一遇洪水時，會發(fā)生漫堤過程，模型下邊界河道外陸地采用固壁可滑移邊界條件，法向流速為零，河道內(nèi)邊界采用自由出流方式處理。

4.2 下泄洪水淹沒范圍分析

針對前述設定的二種工況，進行了水庫下泄洪水模擬計算分析。圖7、圖8分別為50年一遇水庫洪水條件下，下泄洪峰353 m3/s時計算結(jié)果的淹沒范圍示意圖，100年一遇水庫洪水條件下，下泄洪峰400 m3/s時計算結(jié)果的淹沒范圍示意圖。由圖7—8可知計算結(jié)果能綜合反映地形、房屋分布和道路等下墊面條件對洪水演進的影響，表明下泄洪水過程漫堤溢流、淹沒范圍、淹沒水深等特征與下泄洪水洪量過程相對應，李溪下游河道漫溢，洪水淹沒空間分布合理。100年一遇水庫下泄洪水及50年一遇水庫下泄洪水均不同程度發(fā)生漫堤溢流，100年一遇水庫下泄洪水淹沒范圍比50年一遇水庫下泄洪水淹沒范圍、淹沒水深均更大一些，經(jīng)統(tǒng)計100年一遇水庫下泄洪水兩岸陸地淹沒面積4.684 km2，50年一遇水庫下泄洪水兩岸陸地淹沒面積3.894 km2，水庫壩下至李溪匯入口沿途湖塘、上楊、前陽、姓傅、下楊、新華、胡墈頭、妙端、后項等村莊及石柱鎮(zhèn)將受淹至災，其中姓傅、下楊、新華、胡墈頭、石柱鎮(zhèn)受災較為嚴重。

圖7 楊溪水庫50年一遇下泄洪水淹沒水深分布圖

圖8 楊溪水庫100年一遇下泄洪水淹沒水深分布圖

4.3 代表村鎮(zhèn)洪水影響分析

100年一遇水庫下泄洪水及50年一遇水庫下泄洪水均不同程度發(fā)生漫堤溢流，兩岸村鎮(zhèn)及農(nóng)田均有不同程度受淹。100年一遇水庫下泄洪水及50年一遇水庫下泄洪水這兩種工況下水深、水位、流速、流量的變化規(guī)律基本一致，洪水到達時刻水位暴漲，一般情況下，離壩址越近，洪水到達時間越早，水位漲率越大，最高水位也越大。100年一遇水庫下泄洪水對下游的淹沒影響較為嚴重，50年一遇水庫下泄洪水對下游的影響程度相比較對下游的淹沒影響小一些。

表2為水庫下游沿線各代表村鎮(zhèn)淹沒水深情況的統(tǒng)計。由表2可知，100年一遇水庫下泄洪水淹沒范圍最廣，涉及湖塘、上楊、前陽、姓傅、下楊、新華、胡墈頭、妙端、上里溪、后項等村莊及石柱鎮(zhèn)。其中湖塘、前陽、下楊、后項淹沒情況較為嚴重，淹沒水深可達1 m以上，姓傅、上里溪淹沒水深在0.5～1.0 m之間，其它村鎮(zhèn)淹沒水深基本在0.5 m以內(nèi)。

表2 水庫下游各村鎮(zhèn)淹沒水深情況

5 結(jié) 論

本項目針對楊溪水庫下泄洪水影響，在水文地形基礎資料收集和分析處理的基礎上，采用水力學法，建立河道二維水動力模型，經(jīng)過模型參數(shù)率定，開展了下泄洪水影響的分析計算，得到如下結(jié)論：

(1)建立了河道二維水動力模型，該模型能綜合反映地形、房屋分布和道路等下墊面條件對洪水演進的影響，采用楊溪水庫“20140820”場次洪水條件下對下泄洪水淹沒情況進行模型合理性檢驗，結(jié)果表明，誤差在合理范圍之內(nèi)，計算模型可靠。，

(2)二維水動力學模型對楊溪水庫洪水下泄影響范圍進行分析，計算了50年一遇、100年一遇三個下泄洪水流量的分析方案。結(jié)果表明：河道洪水過程計算與實測洪水基本吻合，漫堤溢流、淹沒范圍、淹沒水深等特征值與下泄洪水洪量過程相對應，李溪下游河道漫溢，洪水淹沒空間分布合理。

(3)楊溪水庫下泄洪水后水庫壩下至李溪匯入口沿途湖塘、上楊、前陽、姓傅、下楊、新華、胡墈頭、妙端、后項等村莊及石柱鎮(zhèn)將受淹至災，其中姓傅、下楊、新華、胡墈頭、石柱鎮(zhèn)受災較為嚴重。100年一遇水庫洪水的淹沒范圍最廣，兩岸陸地淹沒面積4.684 km2，50年一遇水庫下泄洪水兩岸陸地淹沒面積3.894 km2。

(4)楊溪水庫100年一遇、50年一遇下泄洪水后，李溪下游河道沿途水深和水位的變化規(guī)律是一致的，洪水到達時刻水位暴漲，一般情況下，離壩址越近，洪水到達時間越早，水位漲率越大，最高水位也越大。其中湖塘、前陽、下楊、后項淹沒情況較為嚴重，淹沒水深可達1 m以上，姓傅、上里溪淹沒水深在0.5～1.0 m之間，其它村鎮(zhèn)淹沒水深基本在0.5 m以內(nèi)。