不同調(diào)度方案下清河水庫(kù)壩下河道淹沒損失分析

王 莉

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

水庫(kù)是調(diào)節(jié)洪水的重要水利工程，對(duì)洪水調(diào)節(jié)作用十分明顯。當(dāng)水庫(kù)入庫(kù)發(fā)生較大洪水時(shí)，經(jīng)過(guò)調(diào)洪后，水庫(kù)下泄水量對(duì)下游河道淹沒范圍內(nèi)的影響有所不同，尤其出現(xiàn)超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)候，需要水庫(kù)進(jìn)行科學(xué)調(diào)度，在盡量進(jìn)行攔洪削峰措施下，也最大程度減少對(duì)下游河道淹沒范圍的經(jīng)濟(jì)損失。為科學(xué)調(diào)度水庫(kù)，需要對(duì)水庫(kù)不同調(diào)度方案下的淹沒范圍進(jìn)行分析，從而降低水庫(kù)調(diào)洪泄水對(duì)區(qū)域內(nèi)淹沒損失。近些年來(lái)，對(duì)于河道不同洪水條件下的淹沒損失分析取得一定研究成果，這些研究成果中大都結(jié)合水力學(xué)模型，通過(guò)洪水淹沒范圍模擬，對(duì)淹沒范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)損失、影響人口進(jìn)行分析，從而為防汛決策提供依據(jù)。但是在水庫(kù)不同調(diào)度方案下對(duì)下游河道淹沒損失分析的研究成果還較少。為此本文以清河水庫(kù)為具體實(shí)例，以防汛科學(xué)調(diào)度實(shí)際需求為背景，結(jié)合水力學(xué)模型對(duì)清河水庫(kù)不同調(diào)度方案下對(duì)下游河道淹沒范圍進(jìn)行具體分析，采用下游河道淹沒范圍內(nèi)調(diào)查數(shù)據(jù)以及遙感數(shù)據(jù)對(duì)其淹沒損失進(jìn)行定量分析，研究成果對(duì)于水庫(kù)防洪措施下的科學(xué)調(diào)度具有重要參考價(jià)值。

1 研究區(qū)域概況

清河水庫(kù)是遼河流域的重要水利樞紐工程之一，位于清河干流上，控制面積2376km2，占清河流域總面積的49%，總庫(kù)容9.71億m3，為大Ⅱ型水庫(kù)，壩址距下游長(zhǎng)大鐵路橋和開原縣城約13km。壩址處1956—2007年多年平均徑流量5.08億m3。清河水庫(kù)壩址以上河長(zhǎng)122km，河道寬度為30～160m，平均比降2.03‰，灘槽由礫石、粗砂組成。清河水庫(kù)以下至河口段是遼河左岸較大的支流。清河上游有南北兩支，南支為主流，發(fā)源于清原縣英額門鎮(zhèn)老虎頂山，流至開原市與發(fā)源于西豐縣的碾盤河在耿王莊匯合，在老城鎮(zhèn)接納寇河，于業(yè)民鎮(zhèn)大高力屯注入遼河。清河全長(zhǎng)159km，流域面積為5150km2，流經(jīng)撫順市的清原縣、鐵嶺市的開原市和清河區(qū)。本文計(jì)算范圍為清河水庫(kù)壩下清河河道，本河段長(zhǎng)約38km，清河水庫(kù)下游清河河道主要為開原市和清河區(qū)。期間主要支流包括小清河、寇河、金線河、馬仲河。清河水庫(kù)以下部分河道為灘槽較分明的復(fù)式河槽，清河區(qū)段主槽平均寬200～300m，開原段主槽寬300～500m，河床以細(xì)砂、粗砂為主。

2 研究方法

2.1 不同流量條件下的淹沒范圍計(jì)算

主要采用水力學(xué)模型對(duì)水庫(kù)不同出流條件下的下游河道淹沒范圍進(jìn)行分析，其水流控制計(jì)算方程為：

(1)

其中水平和垂向方向上的水動(dòng)力計(jì)算方程分別為：

(2)

(3)

式中，h—計(jì)算水深，m；d—河床高程，m；ξ—計(jì)算斷面水位，m；p、q—不同方向水流計(jì)算單寬流量，m3/(s/m)；C—謝才系數(shù)；g—重力加速度，m/s2；τxx—水流水平方向剪切應(yīng)力的分量；τxy—垂直水流方向的剪切應(yīng)力分量；ρw—水體密度，g/cm3；Ω—科氏力學(xué)系數(shù)；w—地球自轉(zhuǎn)的角速度，(°)/s；t—計(jì)算時(shí)刻，h；Pa—大氣壓差，kPa；f(v)—風(fēng)摩擦系數(shù)；x—水平方向坐標(biāo)；y—水流垂向坐標(biāo)；V—風(fēng)速，m/s；Vx—水平方向流速分量，m/s；Vy—垂直方向流速分量，m/s。

本文建立的二維水力學(xué)模型采用雙向隱格式算法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，方程采用雙向DS消除方法進(jìn)行求解。

2.2 模型計(jì)算條件

結(jié)合水庫(kù)不同調(diào)度方案下的流量以及水位作為二維水力學(xué)模型的上邊界輸入，結(jié)合下游河道野外測(cè)量地形數(shù)據(jù)以及區(qū)域數(shù)字高程數(shù)據(jù)作為模型地形輸入數(shù)據(jù)，對(duì)水庫(kù)不同調(diào)度方案下的淹沒范圍進(jìn)行演算，本文以清河水庫(kù)為實(shí)例，結(jié)合其下游清河水文數(shù)據(jù)以及水庫(kù)設(shè)計(jì)資料對(duì)模型糙率區(qū)間進(jìn)行確定。以下游八棵樹水文站水位流量關(guān)系作為其計(jì)算下邊界。采用三角網(wǎng)格對(duì)水庫(kù)下游河道進(jìn)行空間剖分，對(duì)于部分沖淤變化較大的區(qū)域，對(duì)其計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，本次模型計(jì)算劃分的網(wǎng)格個(gè)數(shù)為16850個(gè)。

3 模型計(jì)算

3.1 河道糙率及斷面處理

3.1.1糙率確定及模型驗(yàn)證

通過(guò)不斷調(diào)整模型中的糙率，充分考慮包括灘槽劃分、地形(包括魚塘、沙坑、灘地構(gòu)筑物等)等諸多影響因素，參考2019年實(shí)測(cè)河底及平面地形等因素，結(jié)合對(duì)比沿程水文、水位站的2019年實(shí)測(cè)水位流量關(guān)系，最終復(fù)核得到與洪水期較為接近的數(shù)學(xué)計(jì)算模型成果。綜合糙率為0.025～0.032。計(jì)算結(jié)果與洪痕的差值除個(gè)別點(diǎn)在0.2m以外，基本都在0.1m以內(nèi)，如圖2所示，表明構(gòu)建的水力學(xué)模型計(jì)算結(jié)果較為合理。

圖2 計(jì)算水位與洪痕對(duì)比圖

3.1.2斷面處理

清河水庫(kù)以下河道共40個(gè)大橫斷面，從遼河管理路橋起至清河水庫(kù)止。對(duì)部分高程低于水位的斷面進(jìn)行了補(bǔ)測(cè)，斷面長(zhǎng)度滿足要求。清河水庫(kù)以下又劃分成清河水庫(kù)至寇河匯入清河段、清河支流寇河匯入口至清河閘段和清河閘至清河口段3段。清河水庫(kù)以下至寇河匯入口段，由于沒有較大支流匯入，所以設(shè)計(jì)洪水采用清河水庫(kù)1995年典型樞紐洪水調(diào)節(jié)計(jì)算成果；清河支流寇河匯入口至清河閘段設(shè)計(jì)洪水成果采用清河水庫(kù)泄洪后的開原洪水組合成果；清河閘以下至清河口段設(shè)計(jì)洪水，由于有馬仲河匯入，所以設(shè)計(jì)洪水是在開原站洪水組合成果基礎(chǔ)上，考慮馬仲河洪水匯入后的成果。各段計(jì)算頻率及流量見表1。

表1 清河水庫(kù)以下河道各河段計(jì)算頻率、流量

3.2 起點(diǎn)水位的確定

根據(jù)河道流量及沿河建筑物情況，將計(jì)算河段分為清河水庫(kù)至城郊攔河壩段、城郊攔河壩至清河閘段、清河閘至遼河回水末端3段。

清河水庫(kù)至城郊攔河壩段：起點(diǎn)水位根據(jù)城郊攔河壩壩上水位流量關(guān)系曲線，50年一遇流量對(duì)應(yīng)的起點(diǎn)水位91.43m，20年一遇流量對(duì)應(yīng)的起點(diǎn)水位90.52m。

城郊攔河壩至清河閘段：起點(diǎn)水位根據(jù)清河閘閘上水位流量關(guān)系曲線，50年一遇流量對(duì)應(yīng)的起點(diǎn)水位80.64m，20年一遇流量對(duì)應(yīng)的起點(diǎn)水位79.53m。

清河閘至遼河回水末端段：起點(diǎn)水位根據(jù)遼河回水末端遼河管理路橋上水位流量關(guān)系曲線，50年一遇流量對(duì)應(yīng)的起點(diǎn)水位65.6m，20年一遇流量對(duì)應(yīng)的起點(diǎn)水位64.6m。

3.3 清河水庫(kù)下游河道外業(yè)調(diào)查結(jié)果

通過(guò)調(diào)查統(tǒng)計(jì)清河水庫(kù)壩下清河河道行洪面積約3287.16hm2，河道主槽面積792.62 hm2，灘地2494.54 hm2。其中，壩下荒地75.63 hm2，旱地1941.65 hm2，水田87.28 hm2，林地44.09 hm2，魚塘4.02 hm2，河灘地7.88 hm2，大棚1.69 hm2，市政綠化用地243.02 hm2，其他地類89.28 hm2，清河水庫(kù)壩下清河河道面積及地類面積等詳見表2。另外，經(jīng)水位核實(shí)及村屯新測(cè)量地圖可知，新測(cè)量的6個(gè)村屯中有4個(gè)村屯在設(shè)計(jì)流量情況下存在不同程度的淹沒，分別為小四寨子、業(yè)民村(大四寨子)、三家子村(合并至新興村)、郎家屯。業(yè)民村(大四寨子)、小四寨子屬開原市。小四寨子、業(yè)民村(大四寨子)位于清河左岸。三家子村(合并至新興村)、郎家屯屬于清河區(qū)，均位于清河右岸。

表2 清河水庫(kù)壩下清河河道外業(yè)調(diào)查綜合結(jié)果 單位：hm2

3.4 淹沒損失分析

以清河水庫(kù)調(diào)度規(guī)則，經(jīng)調(diào)洪演算方程推求其不同調(diào)度方案的下泄流量及前述各河段起點(diǎn)水位作為二維水力學(xué)模型輸入上邊界，通過(guò)水力計(jì)算并綜合河道大橫斷面測(cè)量資料、平面地形圖、航片影像圖及新測(cè)分界堤、村屯等資料對(duì)清河水庫(kù)下游各河段行洪淹沒范圍進(jìn)行分析，結(jié)合清河水庫(kù)壩下河道行洪面積、主槽面積及河道內(nèi)各縣區(qū)地類分布情況對(duì)清河水庫(kù)不同調(diào)度方案下3個(gè)計(jì)算河段淹沒損失進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，成果見表3—5。

不同流量下淹沒面積為包含關(guān)系，即大流量淹沒面積包含小流量淹沒面積，區(qū)間流量增加淹沒面積為二流量下淹沒面積差值。由表3可知，清河水庫(kù)至城郊攔河壩段灘地在1500m3/s流量時(shí)受淹沒影響，當(dāng)達(dá)到50年標(biāo)準(zhǔn)流量(4690m3/s)時(shí)淹沒達(dá)到最大；由表4可知，城郊攔河壩至清河閘段段灘地在2100m3/s流量時(shí)受淹沒影響，當(dāng)達(dá)到50年標(biāo)準(zhǔn)流量(4393m3/s)時(shí)淹沒面積達(dá)到最大。由表5可知，清河閘至遼河回水末端段灘地在800m3/s流量時(shí)受淹沒影響，當(dāng)達(dá)到50年標(biāo)準(zhǔn)流量(1480m3/s)時(shí)淹沒面積達(dá)到最大。表3—5中流量大于50年標(biāo)準(zhǔn)流量的淹沒面積為淹沒線與堤防之間的淹沒面積。

表3 清河水庫(kù)壩下清河河道不同流量下的淹沒損失成果表(清河水庫(kù)至城郊攔河壩段)

表4 清河水庫(kù)壩下清河河道不同流量下的淹沒損失成果表(城郊攔河壩至清河閘段)

表5 清河水庫(kù)壩下清河河道不同流量下的淹沒損失成果表(清河閘至遼河回水末端)

4 主要結(jié)論

(1)結(jié)合清河水庫(kù)壩下清河河道不同流量下的淹沒損失成果可以為清河水庫(kù)科學(xué)調(diào)度提供重要依據(jù)，當(dāng)水庫(kù)按50年一遇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)洪時(shí)，下游河道淹沒范圍將達(dá)到最大，當(dāng)水庫(kù)需要按50年一遇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行泄洪時(shí)，應(yīng)及時(shí)做好下游人員轉(zhuǎn)移工作，盡量降低泄洪產(chǎn)生的人員和財(cái)產(chǎn)損失。

(2)若水庫(kù)下游河道沿程有跨河水工建筑物如攔河閘壩，建議進(jìn)行分段建模，從而提高淹沒范圍的計(jì)算精度，以水工建筑物閘前或壩前水位流量關(guān)系作為上邊界條件進(jìn)行分段計(jì)算。

(3)本文只對(duì)水庫(kù)不同調(diào)度方案下水庫(kù)淹沒損失進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，而對(duì)于如何定量評(píng)估其經(jīng)濟(jì)損失還未進(jìn)行深入研究，在后續(xù)研究中還應(yīng)對(duì)其淹沒的經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行定量評(píng)估，從而對(duì)于后續(xù)經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估提供依據(jù)。