淺蓄滯洪區(qū)內(nèi)的電力工程建設(shè)

趙 威

（湖北省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430040）

1 概述

我國是暴雨洪水災(zāi)害較多的國家，洪水災(zāi)害是主要的自然災(zāi)害之一，蓄滯洪區(qū)是江河防洪體系的重要組成部分，是減輕災(zāi)害、保障防洪安全的有效措施。為了保證重點(diǎn)地區(qū)的防洪安全，將有條件地區(qū)開辟為蓄滯洪區(qū)，有計(jì)劃地蓄滯洪水，是兼顧區(qū)域防洪規(guī)劃實(shí)際與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的需要，也是為保全大局，而不得不犧牲局部利益的全局性考量。

江河防洪調(diào)度的一般原則為：充分利用河道的泄洪能力，適時發(fā)揮干支流水庫的攔洪錯峰作用；當(dāng)控制站水位接近分洪水位時，首先扒開洲灘民垸，擴(kuò)大河道行洪能力；遇超過河道泄洪能力洪水時，應(yīng)立即運(yùn)用蓄滯洪區(qū)分蓄超額洪水，確保重點(diǎn)堤防、地區(qū)和城市的防洪安全。以湖北省武漢市為例，作為長江流域的重要城市，蓄滯洪區(qū)的建設(shè)對于保障地區(qū)防洪安全有著重要的意義。

2 分洪概率與洪水評價

2.1 分洪運(yùn)用概率

在蓄滯洪區(qū)內(nèi)開展電力工程建設(shè)需要明確該蓄滯洪區(qū)的分洪運(yùn)用概率，并根據(jù)工程類別和相應(yīng)防洪要求進(jìn)行初步分析。圖1 為蓄洪區(qū)分洪。

圖1 蓄洪區(qū)分洪

一般蓄滯洪區(qū)的啟用概率低于100 年/次，例如白潭湖蓄滯洪區(qū)的啟用概率為20～30 年/次。根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，大型火力發(fā)電設(shè)施的防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇，由于電廠的重要程度不可忽視，一般在蓄滯洪區(qū)內(nèi)是禁止進(jìn)行大型火電工程建設(shè)的。35 kV以上變電站的防洪標(biāo)準(zhǔn)不低于50 年一遇，那么在白潭湖蓄滯洪區(qū)內(nèi)建變電站必須考慮分洪的影響，一般采取墊高方式處理。220 kV 線路的防洪標(biāo)準(zhǔn)為10～20 年，那么220 kV 線路穿越白潭湖蓄滯洪區(qū)則不用額外墊高[1]。

2.2 洪水影響評價

由于分蓄洪區(qū)影響重大，其主管單位一般為省級水利行政主管部門，故蓄滯洪區(qū)內(nèi)的工程建設(shè)需要進(jìn)行洪水影響評價，待評審?fù)ㄟ^后才能申請施工許可，行政審批流程較長，因此在工程可研階段就要考慮到行政審批的問題。

另外，蓄滯洪區(qū)內(nèi)架空線路需考慮凈空高的問題，架空線路在分蓄洪狀態(tài)下也不得影響抗洪救災(zāi)安全。線路最低弧垂高度應(yīng)在分蓄洪水位以上，且要預(yù)留搶險救災(zāi)船舶凈空高度4.5 m（不含電力安全超高）。

2.3 數(shù)學(xué)模型建立

數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建主要是選取模型范圍和網(wǎng)格剖分，計(jì)算范圍應(yīng)根據(jù)分蓄洪區(qū)工程建設(shè)所涉及區(qū)域確定，在規(guī)劃階段也要考慮主管單位所屬的行政區(qū)域，這里以白潭湖蓄滯洪區(qū)為例。將模型分為4 個獨(dú)立的區(qū)域，主要根據(jù)各區(qū)域的分洪口門銜接而定，也需考慮擬建工程的線路布置。模型的網(wǎng)絡(luò)劃分采用一維和二維銜接的河道網(wǎng)絡(luò)，外加二維地形網(wǎng)格，能夠直觀地看出主要河道的概化單元。蓄滯洪區(qū)內(nèi)的地面單元應(yīng)當(dāng)以各洼淀分洪前獨(dú)立的調(diào)度方案作為銜接的控制邊界，同時考慮周邊堤防、水庫、公路等的不規(guī)則輪廓。將水庫、碼頭等小單元的網(wǎng)格高程及糙率進(jìn)行修正，使計(jì)算區(qū)域所劃分的網(wǎng)格單元可以呈現(xiàn)出任意形狀，以便后續(xù)蓄滯洪區(qū)模擬計(jì)算更為簡單。另外，根據(jù)有關(guān)管理?xiàng)l例，在非防洪建設(shè)項(xiàng)目占用蓄滯洪容量，或是影響正常蓄滯洪功能時，應(yīng)當(dāng)采取補(bǔ)救措施。由于還未判定是否會影響正常蓄滯洪功能，此時應(yīng)根據(jù)洪水影響評價報告在數(shù)學(xué)模型中調(diào)整擬建工程。

2.4 洪水模擬分析

一般來說在計(jì)算蓄滯洪區(qū)前需要提高洪區(qū)的計(jì)算精度，采用非網(wǎng)格結(jié)構(gòu)對項(xiàng)目區(qū)域進(jìn)行局部加密，分析白潭湖的邊界條件，從而實(shí)現(xiàn)洪水模擬，以此為分洪運(yùn)用計(jì)算提供支撐。

根據(jù)白潭湖上游支流分布及匯流情況，可設(shè)置2個入流分區(qū)模型，而內(nèi)部堤防將白潭湖分成多個區(qū)域，需要考慮過流寬頂堰流的過水流量，數(shù)據(jù)可以根據(jù)上下游水位計(jì)算結(jié)果確定。由于白潭湖內(nèi)部具有多處陸域，還應(yīng)當(dāng)考慮地面阻水程度，分析地形條件及地表阻水特征，得出糙率。按照地形、地貌條件和地面特點(diǎn)，結(jié)合過往模擬經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算。一般來說，行洪道的綜合糙率為0.025~0.035；房屋建筑等阻水建筑物的糙率為0.08~0.10；葦田及其他水生植物的糙率取0.08~0.12；油田、水田、草地、菜地等區(qū)域糙率取0.035~0.040。概化處理主要分析地面流通道、不泄流邊界、內(nèi)溢堤壩、自由出流邊界等數(shù)據(jù)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)蓄滯洪區(qū)的特征進(jìn)行模化、計(jì)算。

洪水模擬分析應(yīng)當(dāng)根據(jù)上文《防洪標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，大型火力發(fā)電的防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇，且35 kV以上變電站的防洪標(biāo)準(zhǔn)不低于50 年一遇，選取50 年和100 年一遇兩種防御標(biāo)準(zhǔn)來確定輸電線路和輸電擬建工程的防洪標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)入流特點(diǎn)和邊界條件差異，選用二維水流數(shù)學(xué)模型，對工程建設(shè)前后應(yīng)對50 年和100 年一遇兩種標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行模擬分析。得到工程前后最高洪水位與最大水深等值線數(shù)據(jù)，以及洪水流速矢量數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)結(jié)果可知，當(dāng)白潭湖發(fā)生50 年一遇洪水時，最高洪水位23.12 m，這時白潭湖周邊分洪區(qū)將全部啟用，口門位置流速加大，分洪洪水順地勢自由滿溢；當(dāng)發(fā)生100 年一遇洪水時，白潭湖最高洪水位25.28 m（長江中游于1954 年8 月18日出現(xiàn)洪峰水位29.73 m），此時白潭湖周邊分洪區(qū)依然全部啟用，小關(guān)口門穩(wěn)定流速。根據(jù)擬建工程在蓄滯洪區(qū)內(nèi)壅水情況，50 年一遇標(biāo)準(zhǔn)的擬建工程總壅水高度為0.02 m；100 年一遇標(biāo)準(zhǔn)總壅水高度為0.14 m?？梢缘贸鰯M建的輸電工程在工程建設(shè)模擬前后的壅水幅度較小，對白潭湖滯洪區(qū)的滯洪態(tài)勢與洪水流勢的影響程度很小[2]。

3 分洪運(yùn)用計(jì)算

3.1 模型介紹

3.1.1 基本方程

蓄滯洪區(qū)的數(shù)值模擬和計(jì)算通常采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型，基本方程如式（1）至式（3）所示。

式中：Z——水位，m；h——水深，m；u、v——垂線平均流速在x，y 方向的分量，m/s；M、N——單寬流量在x，y 方向的分量，m3/（s·m），M=hu，N=hv；n——曼寧糙率系數(shù)；g——重力加速度。

3.1.2 計(jì)算方法

模型通常采用的數(shù)值方法為有限體積法。在有限體積法計(jì)算中，將基本方程對每一控制體積分，得到一組以控制體特征量平均的物理量為未知數(shù)的代數(shù)方程組，同時沿坐標(biāo)方向?qū)Ψ匠探M進(jìn)行離散，形成的離散方程與有限差分法相似。由于采用了守恒型的微分方程并對每一計(jì)算單元進(jìn)行質(zhì)量和動量守恒形式的離散，使得微分方程包含的守恒性質(zhì)在每一個控制容積上都得到滿足，并保持各單元界面兩側(cè)相鄰控制體的計(jì)算輸運(yùn)通量相等，整個計(jì)算域上保持守恒性?；痉匠屉x散后的形式如式（4）所示。

y 方向水流運(yùn)動方程可用與式（4）相同的方法離散。為節(jié)省篇幅，不再列出其離散結(jié)果。如式（5）至式（7）所示。

計(jì)算所需的初始條件包括：蓄滯洪區(qū)地形、分洪區(qū)內(nèi)的初始水深和流速；邊界條件包括：分洪口門處外江水位和流量。

3.2 沖刷計(jì)算

當(dāng)分蓄洪民垸分洪運(yùn)用后，洪水對建設(shè)項(xiàng)目將產(chǎn)生一定的影響，主要的影響為在分洪運(yùn)用過程中對擬建工程基礎(chǔ)產(chǎn)生的沖刷。蓄滯洪區(qū)局部沖刷采用黏性土沖刷的計(jì)算公式。鐵道部黏土橋渡沖刷研究小組的《黏土橋渡沖刷天然資料分析報告》中，推薦以下兩個公式。

式中：hb——橋墩局部沖刷深度，m；B——橋墩計(jì)算寬度，m；Kξ——墩形系數(shù)；IL——沖刷坑范圍內(nèi)黏性土液性指數(shù)，該式中IL的適用范圍為0.16~1.19；e——沖刷坑范圍內(nèi)黏性土空隙比，式中e 范圍為0.6~1.5；V——橋墩前行進(jìn)垂線平均流速，m/s。當(dāng)V 小于土壤的不沖刷流速時，不會發(fā)生沖刷。

由公式可以看出，影響局部沖刷的主要因素有3 個：基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（墩形系數(shù) Kξ和基礎(chǔ)計(jì)算寬度 B）、基礎(chǔ)土質(zhì)（液性指數(shù)IL和孔隙比e）和水流條件（流速V）。

3.3 擬建工程水流變化及影響分析

為研究擬建工程的建設(shè)對周邊區(qū)域的影響程度，確保局部計(jì)算更準(zhǔn)確，需要計(jì)算水位壅高在50 年一遇和100 年一遇時的差距，并分析兩者的流速差值。雖然水位壅高顯示擬建工程對蓄滯洪區(qū)的影響較小，但可能會對洪水流速產(chǎn)生較大的影響。通過模擬整體計(jì)算得到局部沖刷影響數(shù)據(jù)，能夠反映擬建工程對整個蓄滯洪區(qū)的影響，但卻無法反映擬建工程的局部流場。因此，要針對擬建工程附近流場進(jìn)行局部加密計(jì)算，范圍以30 m×30 m 的正方形為主，底高程設(shè)為平面，在模型中概化水深、流速情況以及擬建工程的形式。本文以平均水深和平均流速計(jì)算擬建工程流場的變化情況。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得知，流場變化對附近洪水流場的影響較為明顯，水流條件與基礎(chǔ)土質(zhì)的差異會對擬建工程周圍流場產(chǎn)生較大影響，最大流速差會產(chǎn)生在工程項(xiàng)目垂直于流速的方向上，也就是迎水面方向，最大可使流速減小56%。而且不同的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生不同影響，如圓柱群對流速影響要小于方柱群。

4 結(jié)論與建議

（1）在蓄滯洪區(qū)內(nèi)開展電力工程建設(shè)需要明確該蓄滯洪區(qū)的分洪運(yùn)用概率，并為洪水影響評價報告的編制與行政審批預(yù)留時間。

（2）穿越蓄滯洪區(qū)的架空線路最低弧垂高度應(yīng)在分蓄洪水位以上，且要預(yù)留搶險救災(zāi)船舶凈空高度4.5 m（不含電力安全超高）。

（3）在分洪運(yùn)用計(jì)算時，本文僅給出了一種常見的水流模型與沖刷計(jì)算方式，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

（4）蓄滯洪區(qū)內(nèi)建設(shè)電力工程還需要著重預(yù)留分洪口門位置，在分洪口門處的流速、沖刷影響較大。工程建設(shè)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離分洪口門，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，距離保持在500 m 以上。電力工程前、后對滯洪區(qū)影響基本一致，擬建電力工程對蓄滯洪區(qū)的影響可忽略不計(jì)。

（5）電路工程處于滯洪區(qū)內(nèi)，在汛期發(fā)生時應(yīng)實(shí)時保持與水利部門聯(lián)系，做好應(yīng)對洪水突發(fā)時的預(yù)案和對策，在發(fā)生水利事件時能夠迅速協(xié)商解決。