樂清市福溪水庫防洪能力提升研究

董衛(wèi)洪，李紅仙，俞洪杰，黃 宏

(1.樂清市水利局，浙江 溫州 325600；2.浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002)

樂清市地處我國東南沿海，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，常年受到臺風(fēng)等自然災(zāi)害的威脅，洪澇災(zāi)害頻發(fā)。同時(shí)，樂清市是中國市場經(jīng)濟(jì)發(fā)育最早、經(jīng)濟(jì)發(fā)展最具活力的地區(qū)之一，人口集中，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)。由于社會資源和財(cái)富逐漸集聚，樂清市因洪澇災(zāi)害造成的損失不斷增加，應(yīng)急管理難度逐步加大。水庫作為調(diào)蓄河川徑流最為有效的工程措施，在流域防洪減災(zāi)中具有不可替代的作用[1-3]。樂清市雖然已初步建成了流域防洪排澇工程體系，但仍不能滿足經(jīng)濟(jì)社會高速發(fā)展的需求。隨著水庫建設(shè)高潮的結(jié)束，適宜的建庫地形條件越來越少，新建水庫不僅投資巨大，還面臨眾多社會環(huán)境因素制約，難度越來越大。與新建水庫相比，進(jìn)一步挖掘已建水庫的防洪潛力，如增設(shè)泄洪設(shè)施、優(yōu)化水庫運(yùn)行方式等，能夠在減少投資的前提下有效提升水庫防洪能力，對流域防洪具有重要意義。

鑒于此，本文以樂清市福溪水庫為研究對象，在明確水庫防洪能力短板的基礎(chǔ)上，充分考慮庫區(qū)、大壩自身及下游保護(hù)對象的防洪安全，從預(yù)泄預(yù)降、增設(shè)泄洪洞等角度深入挖掘水庫防洪潛力，并提出建議措施，以期為水庫防洪能力提升提供一定的技術(shù)支撐。

1 水庫概況

福溪水庫位于浙江省樂清市仙溪鎮(zhèn)上游約5 km的大荊溪[4]支流福溪中游(見圖1)，壩址集水面積39.17 km2，總庫容2.27×107m3，是大荊溪流域重要的防洪骨干工程，保護(hù)著下游大荊鎮(zhèn)和仙溪鎮(zhèn)兩個(gè)鎮(zhèn)13萬人口、1 000 hm2農(nóng)田以及104國道、同三高速公路、甬臺溫鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施。福溪水庫始建于1959年，2008—2012年進(jìn)行了除險(xiǎn)加固，除險(xiǎn)加固后工程總體規(guī)模不變(見表1)。

大荊溪流域大洪水基本為臺風(fēng)暴雨所致，洪峰流量大，破壞性強(qiáng)。但目前福溪水庫受泄洪設(shè)施限制，防洪庫容小，防洪能力十分有限，防洪能力亟需提升。

2 現(xiàn)狀防洪能力分析

2.1 設(shè)計(jì)洪水

福溪水庫設(shè)計(jì)洪水由暴雨資料推求[5]，上一階段(除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)階段，簡稱加固初設(shè)階段)設(shè)計(jì)洪水推求采用1961—2006年資料系列，本文將資料系列延長至2019年。根據(jù)最新資料系列，設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果見表2。

表2 福溪水庫設(shè)計(jì)洪水成果表

與加固初設(shè)階段成果相比，本文的設(shè)計(jì)洪水存在一定的增幅，這是補(bǔ)充考慮了2019年“利奇馬”臺風(fēng)暴雨等大暴雨所引起的。通過資料系列延長，本文所得的設(shè)計(jì)洪水成果更貼近實(shí)際，也更為合理。

2.2 現(xiàn)狀防洪條件

2.2.1 水位庫容曲線

福溪水庫位于北雁蕩山景區(qū)，庫區(qū)內(nèi)植被較好，水庫淤積程度較小，故采用原設(shè)計(jì)水位庫容曲線(見圖2)。

2.2.2 泄洪設(shè)施及泄流能力

福溪水庫的泄洪設(shè)施主要包括溢洪道與一孔泄洪放空洞，調(diào)洪過程中不考慮發(fā)電機(jī)組下泄。溢洪道堰頂高程為228.31 m，凈寬為38 m，無閘門控制，屬于開敞式溢洪；泄洪放空洞孔口尺寸1.5 m×2.0 m(寬×高)，底檻高程為191.944 m，出口設(shè)一扇工作閘門，主要用于放空水庫與預(yù)泄洪水。由于泄洪放空洞泄流能力較弱(正常蓄水位工況下泄流能力僅為40.40 m3/s)，故不參與水庫調(diào)洪。在不考慮泄洪放空洞的情況下，福溪水庫的泄流能力曲線見圖3。

圖3 福溪水庫泄流能力曲線

2.2.3 調(diào)洪原則

根據(jù)《浙江省樂清市福溪水庫除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，確定福溪水庫調(diào)洪原則為溢洪道不設(shè)閘門控制，水庫起調(diào)水位228.31 m，水庫水位超過正常蓄水位228.31 m時(shí)，溢洪道開始泄洪。

2.3 調(diào)洪演算原理

水庫調(diào)洪演算采用靜庫容法[6,7]，假定庫容與壩前水位成單值函數(shù)關(guān)系，忽略動力方程對調(diào)洪的影響，將圣維南偏微分方程組中的連續(xù)方程寫成有限差形式的水量平衡方程式(1)，并建立水庫下泄流量與水庫蓄水量之間的關(guān)系，即蓄泄方程式(2)。采用試算法迭代求解以上方程，即可得到各時(shí)段末的壩前水位、蓄水量及下泄流量。根據(jù)上述原理，逐時(shí)段連續(xù)計(jì)算，即可完成整個(gè)洪水過程的調(diào)洪演算。

(1)

qt=f(Vt)

(2)

式中：Qt—時(shí)段初的入庫流量，m3/s;

Qt+1—時(shí)段末的入庫流量，m3/s；

qt—時(shí)段初的下泄流量，m3/s;

qt+1—時(shí)段末的下泄流量，m3/s；

Vt—時(shí)段初的水庫蓄水量，m3;

Vt+1—時(shí)段末的水庫蓄水量，m3；

ΔT—時(shí)段長度，s；

f(Vt)—水庫下泄流量與水庫蓄水量之間的關(guān)系函數(shù)。

2.4 現(xiàn)狀防洪能力分析結(jié)果

在現(xiàn)狀防洪條件下，對福溪水庫進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水調(diào)洪演算，并將計(jì)算結(jié)果與加固初設(shè)階段成果進(jìn)行對比(見表3)。

表3 調(diào)洪演算成果表

由表3可得，由于設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果的變化，本文調(diào)洪所得的校核洪水位(P=0.05%)為234.91 m，較加固初設(shè)階段增加了0.55 m；設(shè)計(jì)洪水位(P=1%)為233.32 m，較加固初設(shè)階段增加了0.21 m。另外，防洪高水位(P=5%)為232.45 m，略高于移民水位232.30 m，存在增加淹沒的風(fēng)險(xiǎn)。綜上，受現(xiàn)狀防洪條件限制以及變化氣候影響，福溪水庫已無法滿足日益增長的防洪需求，防洪能力有待進(jìn)一步提升。

3 防洪能力提升分析

3.1 預(yù)泄能力分析

福溪水庫主要依靠泄洪放空洞進(jìn)行洪水預(yù)泄，泄洪放空洞泄流能力按孔口泄流公式(3)計(jì)算。經(jīng)過多年實(shí)測運(yùn)行資料驗(yàn)證，該公式計(jì)算結(jié)果合理、可靠，可用于進(jìn)一步分析。

(3)

式中：Qh—泄洪放空洞的泄洪流量，m3/s；

μ—孔口流量系數(shù)；

Ak—泄洪放空洞出口斷面面積，m2；

HW—上游水面與泄洪放空洞出口底板頂?shù)母叱滩睿琺；

hp—泄洪放空洞出口斷面水流的平均單位勢能，自由出流時(shí)為泄洪放空洞出口斷面高度，淹沒出流時(shí)為泄洪放空洞出口水深，m。

目前水庫在汛期未發(fā)生洪水時(shí)控制水位低于汛限水位運(yùn)行，根據(jù)水庫現(xiàn)有泄洪設(shè)施及泄洪能力，推求了預(yù)降水位與預(yù)泄時(shí)間對應(yīng)關(guān)系[8]。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，水庫自汛限水位為228.31 m預(yù)泄1 m、2 m、3 m時(shí)，分別需要6.5 h、12.7 h、19.0 h。而福溪水庫暫無洪水預(yù)報(bào)，流域洪水匯流時(shí)間約為3 h，故實(shí)際預(yù)留給水庫預(yù)泄的時(shí)間也只有3 h，其對應(yīng)的預(yù)降水位僅0.46 m，預(yù)降幅度十分有限。

3.2 預(yù)降水位影響分析

為了研究預(yù)降水位對福溪水庫防洪能力的提升效果，按照1 m為一檔，計(jì)算起調(diào)水位在汛限水位基礎(chǔ)上預(yù)降1～3 m時(shí)各頻率洪水對應(yīng)的水庫最高調(diào)洪水位Zm及最大下泄流量Qm，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 預(yù)降水位調(diào)洪演算成果

福溪水庫現(xiàn)狀防洪庫容412×104m3，水位預(yù)降1 m、2 m、3 m時(shí)，防洪庫容分別增加94 萬m3、185×104m3、276×104m3，增幅相當(dāng)可觀。然而，防洪庫容的增加對防洪能力的提升效果并不明顯。由表4可得，遭遇10年一遇及以上洪水時(shí)，預(yù)降1～3 m對于水庫最高調(diào)洪水位以及最大下泄流量基本沒有影響；遭遇5年一遇洪水時(shí)，水庫最高調(diào)洪水位下降0.01～0.03 m，最大下泄流量減少1～6 m3/s。

究其原因可知，福溪水庫缺乏下泄控制手段，且228.31 m以下沒有泄洪能力，即使預(yù)降水位，前期起漲段洪水仍然會占用防洪庫容，導(dǎo)致預(yù)留給洪水主峰的防洪庫容不足，故預(yù)降水位對福溪水庫的防洪能力提升基本沒有作用。

3.3 增設(shè)泄洪洞影響分析

由上文分析可知，福溪水庫防洪短板主要集中在泄洪設(shè)施上：(1)泄洪放空洞泄流能力弱，不能有效預(yù)降水位、騰出更多庫容迎接洪水；(2)溢洪道堰頂高程為228.31 m，在該高程之下沒有泄流能力，即使洪水來臨前水庫水位預(yù)降充分，前期起漲段洪水仍會占用防洪庫容，導(dǎo)致水庫有效防洪庫容不足。在228.31 m以下增加泄流能力可有效彌補(bǔ)上述短板[9]。結(jié)合福溪水庫實(shí)際情況，可將現(xiàn)有導(dǎo)流洞改造成泄洪洞，使其在225.31～228.31 m時(shí)能達(dá)到200 m3/s的泄流能力。

3.3.1 泄流能力提升分析

與3.1節(jié)類似，在增設(shè)泄洪洞(關(guān)閉現(xiàn)有泄洪放空洞)的條件下推求預(yù)降水位與預(yù)泄時(shí)間對應(yīng)關(guān)系，計(jì)算結(jié)果(見圖4)。增設(shè)泄洪洞后，水庫水位從汛限水位預(yù)降1 m、2 m、3 m，用時(shí)僅需1.3 h、2.6 h、3.8 h，各用時(shí)約為原來的1/5。這有效提高了調(diào)度的靈活性，使得水庫能夠更好地應(yīng)對突發(fā)暴雨等事件。

圖4 預(yù)降水位與預(yù)泄時(shí)間關(guān)系圖

3.3.2 防洪安全提升分析

以226.31 m作為起調(diào)水位，對增設(shè)泄洪洞前后各頻率洪水對應(yīng)的水庫最高調(diào)洪水位及最大下泄流量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果對比見表5。

表5 增設(shè)泄洪洞前后調(diào)洪成果對比

由表5可得，增設(shè)泄洪洞后，福溪水庫遭遇各頻率洪水，最高調(diào)洪水位下降0.83～1.88 m，對應(yīng)的最大下泄流量減少20～103 m3/s，極大地降低了庫區(qū)、下游保護(hù)對象的淹沒風(fēng)險(xiǎn)以及大壩的防洪壓力。另外，目前福溪水庫下游河道防洪能力為10～20年一遇，局部不足10年一遇，增設(shè)泄洪洞增加了水庫對洪水的削峰能力，提升了局部河道的防洪標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 論

本文通過防洪需求和現(xiàn)狀防洪能力分析，明確了福溪水庫的防洪短板，并從預(yù)泄預(yù)降、增設(shè)泄洪洞等角度探尋防洪能力提升措施，得到以下結(jié)論：(1)由于經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展及氣候變化，福溪水庫的現(xiàn)狀防洪能力已無法滿足需求，亟需進(jìn)一步提升；(2)受現(xiàn)狀泄洪能力限制，福溪水庫預(yù)泄能力差，且預(yù)降水位對減輕防洪風(fēng)險(xiǎn)的效果并不明顯，故不推薦預(yù)泄預(yù)降作為防洪能力提升的主要措施；(3)在汛限水位以下增設(shè)泄洪洞，增加水庫的泄洪能力，能有效提高調(diào)度的靈活性，減輕庫區(qū)、大壩自身以及下游保護(hù)對象的防洪風(fēng)險(xiǎn)，故建議其作為福溪水庫防洪能力提升的主要措施。