烏巢河水庫設(shè)計洪水及防洪影響分析研究

盧留虎

(湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院，湖南 長沙 410000)

1 項目背景

鳳凰縣地處湘、黔、渝三省市邊緣地區(qū)，多年平均降水量少于全州均值，由于降雨季節(jié)不能和作物耕種季節(jié)完全相適應(yīng)，加上地形復(fù)雜，山高坡陡，土層脊薄，陰河眾多，旱災(zāi)發(fā)生頻繁，曾有“十年九旱”之說，特別是秋旱或夏秋連旱極為頻繁，是鳳凰縣的最大自然災(zāi)害?？h境內(nèi)蓄水工程少，沒有健全的灌溉系統(tǒng)，現(xiàn)狀主要灌溉水源工程龍?zhí)梁铀畮旖ㄓ?974年，灌溉渠道滲漏嚴重。興建烏巢河水庫建成后，與現(xiàn)有龍?zhí)梁庸鄥^(qū)組合成烏龍灌區(qū)，對提高灌區(qū)灌溉保證率，保證糧食安全意義重大。

鳳凰縣城作為國家級歷史文化名城，古城墻、沿河商鋪、吊腳樓依老城區(qū)的沱江河兩岸修建。由于老城區(qū)沿河無法修建防洪堤(沿河為旅游景區(qū))及新城區(qū)防洪堤尚未全部建成，因此，鳳凰縣城洪災(zāi)較為頻發(fā)。鳳凰縣洪水一般發(fā)生在每年的5—8月，期間峰量大、來勢猛，嚴重危害人民生命財產(chǎn)安全。

烏巢河水庫位于武水一級支流沱江上游，是一座以灌溉、防洪為主，兼顧城鎮(zhèn)供水、灌區(qū)農(nóng)村人畜用水及生態(tài)用水要求的綜合利用水利工程。水庫下游距離鳳凰縣城36 km，水庫興建后，預(yù)留防洪庫容，聯(lián)合長潭崗水庫合理調(diào)度，完善了城市防洪體系建設(shè)，可提高鳳凰縣城的防洪標(biāo)準，保護歷史文化名城，減少洪災(zāi)對鳳凰縣城的襲擊，更好保護旅游區(qū)人民生命財產(chǎn)安全，維護社會穩(wěn)定，促進鳳凰旅游事業(yè)的進一步發(fā)展。

2 設(shè)計洪水

2.1 流域概況

沱江為武水一級支流、沅江二級支流，流域總面積為981 km2，河流長度為131 km，河流坡降為2.78‰。沱江發(fā)源于鳳凰縣中部，流經(jīng)臘爾山、鳳凰城、解放巖，于吉首市河溪鎮(zhèn)小河壩匯入武水。流域形狀上游寬、下游窄，地勢西北高、東南低，上游分水嶺高程約為990 m，中下游約為400～600 m。沱江在鳳凰縣城上游約為27 km處分為烏巢河(左支)、龍?zhí)梁?右支)兩大支流。

烏巢河水庫位于沱江左支，流域內(nèi)峰巒疊嶂谷深河險，植被良好，高程在800～1 057 m之間，壩址以上流域面積為85.3 km2。龍?zhí)梁铀畮煳挥阢抑?，鳳凰縣城西北約39 km處，該水庫建于1974年，以灌溉為主。烏巢河水庫建成后，與現(xiàn)有龍?zhí)梁庸鄥^(qū)合并成烏龍灌區(qū)。

烏巢河水庫下游，鳳凰縣城上游約11 km的沱江干流建有長潭崗水庫。該水庫于1994年底蓄水發(fā)電，為中型水庫，控制集雨面積為460 km2，是沱江流域的龍頭水庫，以防洪為主，兼有灌溉、發(fā)電、供水、旅游等綜合效益。水利工程位置及水系情況見圖1。

圖1 工程位置及水系示意

2.2 洪水特性及成因

本流域洪水均由暴雨所形成，屬暴雨型洪水。流域內(nèi)降水集中，山地、丘陵面積廣、坡度較大，導(dǎo)致流域內(nèi)洪水具有洪水歷時短、峰型單瘦、陡漲陡落、年最大洪峰流量年際變化大等特性。長潭崗水庫建成蓄水，影響了鳳凰(二)水文站洪水資料的一致性，但長潭崗水庫無完整的觀測資料，無法對1994年以后的洪水資料進行還原計算，洪水計算的實測系列取1959—1993年。

根據(jù)鳳凰(二)站1959—1993年實測資料統(tǒng)計：實測年最大流量極大值為896 m3/s(1974年7月)，次大值為840 m3/s(1970年6月)，極小值為138 m3/s(1978年5月)，極值比為6.1。洪峰出現(xiàn)時間集中在5—7月，占78.5%，其中5月占25.5%(13次)，6月占37.3%(19次)，7月占15.7%(8次)；4月、8月、9月、10月甚至11月也偶有年最大洪水發(fā)生，分別出現(xiàn)過2次、3次、1次、1次、4次，該站年最大洪水分布如圖2所示。本流域?qū)偕絽^(qū)性小流域，洪水陡漲陡落，一般洪水歷時1 d，多為單峰。

圖2 鳳凰水文站年最大洪水分布示意

2.3 鳳凰設(shè)計洪水

表1 鳳凰(二)水文站設(shè)計洪水成果 m3/s

2.4 烏巢河設(shè)計洪水

烏巢河水庫壩址集雨面積為85.3 km2，距離下游鳳凰(二)水文站36 km。采用水文比擬法和推理公式法計算設(shè)計洪水。由奪希雨量站1963—2016年長系列實測最大24 h降雨資料，采用P—Ⅲ型曲線進行頻率計算24 h設(shè)計暴雨。根據(jù)《湖南省暴雨洪水查算手冊》中推薦的推理公式法計算壩址設(shè)計洪水，公式如下：

(1)

τ=0.278/(m×J1/3×Qm1/4)

(2)

工程位于暴雨一致性分區(qū)4區(qū)，由各時段設(shè)計暴雨推求凈雨過程，其中初損取I0=25mm，R上/R總=0.64～0.76。自最大凈雨強度開始向前后相鄰時段連續(xù)累加，并除以相應(yīng)的歷時，得出時段平均最大凈雨強度，點匯～τ相關(guān)線。地下徑流R下=R總-R上，以τ時刻為地下徑流峰值位置，按照等腰三角形關(guān)系,求地下徑流峰值及地下徑流過程。地面徑流過程與地下徑流過程疊加可得設(shè)計洪水過程，地面徑流峰值時刻對應(yīng)的流量為設(shè)計洪水洪峰流量。計算的設(shè)計洪水成果見表2。

表2 烏巢河壩址設(shè)計洪水成果

P=0.1%、0.2%時：推理公式計算成果比水文比擬法計算成果小4.0%；P=1%、4%、5%、50%時：推理公式計算成果比水文比擬法計算成果大1.0～22%；水庫設(shè)計頻率洪水(P=2%)，推理公式計算成果比水文比擬法計算成果大2.0%，推薦采用推理公式法計算成果。

3 防洪影響分析

3.1 防洪體系

鳳凰縣城市防洪規(guī)劃原則為：城市防洪規(guī)劃與城市建設(shè)和古城保護總體規(guī)劃相結(jié)合，近期(2010年)設(shè)計防洪標(biāo)準20年一遇，遠景50年一遇。老城區(qū)沿河是旅游景區(qū)，無法新修堤防，防洪主要依靠上游防洪水庫的削峰；新城區(qū)沿河可以修建堤防，其防洪體系為水庫+堤防的防洪方案。

1)城市堤防

鳳凰古城墻、沿河商鋪、吊腳樓依老城區(qū)的沱江河兩岸修建，老城區(qū)地面高程約為305.5 m，安全泄量約為670 m3/s；新城區(qū)完成了部分堤防建設(shè)，堤防的規(guī)劃安全泄量為1 180 m3/s。

2)長潭崗水庫

長潭崗水庫的防洪庫容為2 310萬m3，長潭崗水庫防洪調(diào)度方式：

① 水庫從防洪限制水位392.00 m起調(diào)，長潭崗—鳳凰縣城區(qū)間流量小于100 m3/s時，當(dāng)來流小于570 m3/s時，水庫來多少泄多少(泄流能力小于來水時按泄流能力下泄)，當(dāng)來流大于570 m3/s時，水庫控制泄量570 m3/s；

② 長潭崗—鳳凰縣城區(qū)間流量大于或等于100 m3/s時，當(dāng)來流小于360 m3/s時，水庫來多少泄多少(泄流能力小于來水時按泄流能力下泄)，當(dāng)來流大于360 m3/s時，水庫控制泄量為360 m3/s；

③ 庫水位大于防洪高水位為398.00 m時，水庫開閘敞泄，轉(zhuǎn)入保壩的調(diào)度方式。

長潭崗水庫防洪調(diào)度方式見表3。

表3 長潭崗水庫防洪調(diào)度方式

3)烏巢河水庫

汛期4月1日至9月30日，應(yīng)預(yù)留防洪庫容為500萬m3，相應(yīng)防洪限制水位為518.50 m，防洪高水位為525.10 m。洪水來臨時，利用防洪庫容錯峰，按相應(yīng)控制泄量泄洪；洪水退水期將庫水位限制在防洪限制水位以迎接下一次洪峰；汛后10月1日允許蓄至正常蓄水位。防洪調(diào)度方式：當(dāng)水庫來水小于280 m3/s時，來多少泄多少；當(dāng)來流大于280 m3/s時，水庫控泄280 m3/s；庫水位至防洪高水位525.10 m后，轉(zhuǎn)入保壩安全防洪調(diào)度，開啟閘門按泄流能力下泄。

3.2 洪水組合分析

烏巢河水庫具有防洪作用，其防洪保護對象為鳳凰縣城。根據(jù)鳳凰縣城城市防洪規(guī)劃，通過烏巢河水庫與長潭崗水庫聯(lián)合調(diào)度達到縣城的防洪目的。

根據(jù)烏巢河水庫與長潭崗水庫聯(lián)合調(diào)度防護鳳凰縣城的規(guī)劃，對各區(qū)間洪水進行組合分析，3種組合方案如下：① 烏巢河設(shè)計，烏～長區(qū)間(區(qū)間1)、長～鳳區(qū)間(區(qū)間2)相應(yīng)；② 烏巢河、長～鳳區(qū)間(區(qū)間2)相應(yīng)，烏～長(區(qū)間1)設(shè)計；③ 烏巢河、烏～長(區(qū)間1)相應(yīng)，長～鳳區(qū)間(區(qū)間2)設(shè)計。洪水組合情況見表4，“兩庫”防洪調(diào)度成果見表5。

表4 洪水組合

表5 “兩庫”(烏巢河、長潭崗水庫)聯(lián)合調(diào)度成果

根據(jù)烏巢河水庫壩址設(shè)計、相應(yīng)洪水流量及防洪調(diào)度方式，當(dāng)發(fā)生以烏巢河水庫上游為主的洪水時(組合1)，烏巢河水庫削減洪峰流量分別為192 m3/s(P=2%)、93 m3/s(P=5%);當(dāng)洪水以烏巢河水庫～鳳凰縣城為主時(組合2、3)，烏巢河水庫不控泄。

3.3 防洪效益分析

長潭崗水庫壩址流域面積占鳳凰縣城流域面積的87.8%，預(yù)留防洪庫容為2 310萬m3，對鳳凰縣城防洪作用較大，考慮長潭崗水庫單庫防洪作用，可將老城區(qū)的防洪標(biāo)準提高至約20年一遇。

本次設(shè)計上游烏巢河水庫預(yù)留防洪庫容為 500萬m3，通過與長潭崗水庫聯(lián)合調(diào)度，當(dāng)洪水以烏巢河水庫上游為主時，可將老城區(qū)的防洪標(biāo)準提高到約25年一遇；當(dāng)洪水以烏巢河水庫—鳳凰縣城為主時，烏巢河水庫對下游防洪作用不明顯。

3.4 潰壩洪水分析

壩體為砼砌塊石拱壩，按大壩在校核洪水位下瞬間橫縱向潰壩2/3，估算壩址處潰壩最大流量及水庫放空時間。

最大流量計算公式：

(3)

式中QM為壩址處潰壩最大流量,m3/s；B為潰壩時水面寬,m；H0為潰壩時水庫水深,m；b為局部潰口處寬度,m。

水庫泄空時間：

(4)

式中t為水庫泄空時間,s；W為可泄總水量,m3；QM為潰壩最大流量,m3/s；K為經(jīng)驗系數(shù)。

經(jīng)計算，校核水位為525.10 m時，最大潰壩流量為45 086 m3/s，水庫放空時間為1 807 s，約30 min。

烏巢河水庫在校核洪水位垮壩時，洪水的沖力是很大的。計算潰壩時洪水到長潭崗水庫尾水及其壩址的時間及最大流量時，按下述公式計算，所得結(jié)果為潰壩時各斷面增加的設(shè)計洪水流量。

(5)

式中QLM為當(dāng)潰壩最大流量演進至距壩址為L處時，在該處出現(xiàn)的最大流量,m3/s；W為水庫潰壩時的庫容,m3；QM為壩址處的潰壩最大流量,m3/s；L為距壩址的距離,m；v為下游L處河道洪水期斷面最大平均流速,m/s，一般山區(qū)河流可取3.0～5.0 m/s，半山區(qū)可取2.0～3.0 m/s，平原可采用1.0～2.0 m/s，本次取5.0；K為經(jīng)驗系數(shù)，山區(qū)取1.1～1.5，半山區(qū)取1.0，平原取0.8～0.9，本次取1.5。

經(jīng)計算，校核洪水位時發(fā)生潰壩洪水，潰壩洪水到長潭崗水庫尾水處及壩址的最大流量分別為10 514 m3/s、4 846 m3/s。

潰壩洪水傳播的時間按下述公式計算：

(6)

式中t2為最大洪量到達時間,s；L為距壩址距離,m；H0為壩上游水深,m；hm為最大流量時平均水深,m；W為可泄總水量,m3；K2為經(jīng)驗系數(shù)。

當(dāng)校核洪水時潰壩，最大洪峰到達長潭崗水庫尾水處及壩址的時間分別為20 min、60 min。

烏巢河水庫潰壩時蓄水量為1 800萬m3，到達長潭崗壩址處洪峰流量為4 846 m3/s，洪水過程概化為三角形。長潭崗水庫防洪庫容為2 310萬m3，以汛限水位作為起調(diào)水位，不考慮烏巢河～長潭崗區(qū)間洪水時，考慮上游潰壩時刻開始水庫預(yù)泄騰庫。經(jīng)調(diào)洪計算，庫水位控制在防洪高水位以下，大壩不漫頂(如圖3所示)。

圖3 長潭崗水庫調(diào)洪結(jié)果示意

4 結(jié)語

1)烏巢河水庫是一座以灌溉、防洪為主，兼顧城鎮(zhèn)供水、灌區(qū)農(nóng)村人畜用水及生態(tài)用水要求的綜合利用水利工程。工程建成后，對健全區(qū)域灌溉系統(tǒng)，提高灌區(qū)灌溉保證率，增加糧食及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水意義重大。

2)烏巢河與長潭崗水庫聯(lián)合調(diào)度，當(dāng)洪水以烏巢河水庫上游為主時，可將老城區(qū)的防洪標(biāo)準提高至25年一遇；當(dāng)洪水以烏巢河水庫～鳳凰縣城為主時，烏巢河水庫對下游防洪作用不明顯。

3)烏巢河水庫位于峽谷地區(qū)，最大壩高為 76.5 m，校核水位為525.10 m時，最大潰壩流量達45 086 m3/s。不考慮烏巢河～長潭崗區(qū)間洪水時，潰壩洪水至長潭河壩址洪峰流量為4 846 m3/s，長潭河水庫庫水位可以控制在防洪高水位以下，大壩不漫頂。

4)烏巢河水庫地處峽谷地帶，下游有長潭崗水庫及鳳凰縣城。工程建設(shè)及運行期，須保證工程質(zhì)量及大壩安全檢測系統(tǒng)、水文自動測報系統(tǒng)正常運行，保證水庫科學(xué)調(diào)度、安全運行。