水庫(kù)功能調(diào)整影響下紫云湖防洪能力分析

◎劉玉鳳 湖南省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 趙佩臣 中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 孫少華 中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司

1.紫云湖概述

紫云湖(蛟頭陂水庫(kù)) 位于肥西縣上派鎮(zhèn)境內(nèi)，屬于長(zhǎng)江流域派河水系，現(xiàn)狀是一座以防洪、灌溉為主，兼有鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水等綜合功能的?。ㄒ唬┬退畮?kù)，匯水區(qū)域?yàn)樯角饏^(qū)，壩址以上集雨面積37.5km，干流長(zhǎng)度11.5km，干流比降0.0044，水庫(kù)于1957年11月開工興建，1959年3月建成。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為：50年一遇設(shè)計(jì)，500 年一遇校核，相應(yīng)校核洪水位23.74m，設(shè)計(jì)洪水位22.74m，汛限水位20.74m，興利水位21.24m，死水位18.24m(吳淞高程)?？値?kù)容340萬(wàn)m，調(diào)洪庫(kù)容258萬(wàn)m，興利庫(kù)容80萬(wàn)m，死庫(kù)容2萬(wàn)m。紫云湖主要建筑物有：大壩、正常溢洪道和放水涵等。

依據(jù)相關(guān)規(guī)劃，紫云湖位于未來城市建成區(qū)，規(guī)劃為城市建成區(qū)的濕地文化公園，擬將其功能調(diào)整為以防洪、景觀為主，兼有灌溉、供水等，防洪標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整為近期50年一遇設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)期100年一遇設(shè)計(jì)，500年一遇校核。

基于紫云湖增加了景觀功能，擬對(duì)其實(shí)施底泥清淤及岸線塑形。

2.措施簡(jiǎn)介

2.1 底泥清淤

根據(jù)紫云湖現(xiàn)狀調(diào)查顯示，紫云湖現(xiàn)狀水質(zhì)難以維持在地表Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，隨著五老堰河相關(guān)治理工程的推進(jìn)，紫云湖外源污染逐漸得到控制。但水庫(kù)底泥作為污染物的蓄積庫(kù)，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間沉積數(shù)量越來越多，底泥污染物的不斷釋放已成為當(dāng)前水庫(kù)水體中重要的污染內(nèi)源，目前紫云湖水質(zhì)處于輕度至中度營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，水質(zhì)問題日趨嚴(yán)重。另外，紫云湖底泥中沉積的有機(jī)物的長(zhǎng)期存在，已成為紫云湖水源地的隱患。

經(jīng)對(duì)紫云湖底泥調(diào)查顯示，水庫(kù)底泥淤積層按底泥性質(zhì)可分為浮泥層、過渡層和原狀土層，污染最嚴(yán)重的底泥主要集中在浮泥層和過渡層中。本次紫云湖底泥淤積量通過水下地形的測(cè)量，并結(jié)合底泥物探布孔確定浮泥層和過渡層的厚度進(jìn)而確定底泥淤積量。

通過對(duì)紫云湖均勻布置的10處斷面分析計(jì)算，本次紫云湖清淤面積約33.64 萬(wàn)m，清淤深度0.5m～1.0m，確定紫云湖污染底泥淤積量為23.70萬(wàn)m。

2.2 岸線塑形

紫云湖除壩址位置岸線已成形外，其他環(huán)庫(kù)岸線均為天然岸線，雜亂無(wú)章，為配合紫云湖濕地文化公園建設(shè)，擬對(duì)庫(kù)岸進(jìn)行整體塑形。根據(jù)景觀規(guī)劃思路，為貼合紫云湖寓意及一池三山的景觀理念，擬將紫云湖打造成為紫色祥云造型，并結(jié)合地形連通北面水系，形成紫云湖第三山。本次紫云湖塑形高程范圍為19.00m～21.10m，岸坡主要采用自然式駁岸，岸頂高程21.10m，坡度不陡于1:3，坡面種植草皮，土石方量約4.4萬(wàn)m。

3.庫(kù)容曲線復(fù)核

底泥清淤及岸線塑形將對(duì)水庫(kù)庫(kù)容產(chǎn)生影響。具體為:紫云湖底泥高程范圍主要為13.00m～19.00m，清淤放量23.7 萬(wàn)m（水下方），清淤可增加庫(kù)容約6.4萬(wàn)m；紫云湖岸線塑形影響高程范圍主要為19.00m～21.10m，岸線塑形后庫(kù)容增加約4.4萬(wàn)m。本次將增加的庫(kù)容在相應(yīng)高程范圍內(nèi)進(jìn)行線型平均分配工程前后水位～庫(kù)容關(guān)系見表1。

4.調(diào)洪計(jì)算

（1）庫(kù)容曲線。詳見表1。

表1 工程前后水位～庫(kù)容關(guān)系表

（2）洪水過程曲線。詳見表2。

表2 洪水過程線

（3）泄流曲線。紫云湖溢洪道總凈寬為43.8m，設(shè)6孔，底高程為20.10m，為開敞式溢洪道。水位～泄流量關(guān)系曲線見表3。

表3 泄流量關(guān)系曲線

（4）調(diào)度運(yùn)行方式。

1)汛期水庫(kù)通過放水涵洞放水，將庫(kù)水位降至汛限水位19.60m；

2)汛期當(dāng)庫(kù)水位超過汛限水位19.60m時(shí)，水庫(kù)水位上漲至20.10m時(shí)正常溢洪道開始泄洪；即水庫(kù)正常蓄水位20.10m。本次洪水標(biāo)準(zhǔn)按近期50年一遇設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)期100年一遇設(shè)計(jì)，500年一遇校核。調(diào)洪原則為：

①當(dāng)庫(kù)水位低于正常蓄水位20.10m時(shí)，水庫(kù)無(wú)泄量；

②當(dāng)庫(kù)水位高于正常蓄水位20.10m時(shí)，水庫(kù)以溢洪道下泄形式泄洪。

（5）調(diào)洪演算

本次紫云湖調(diào)洪演算計(jì)算方法采用逐時(shí)段試算法，公式如下：

式中：Q、Q為1、2時(shí)段入庫(kù)流量，q、q為1、2時(shí)段出庫(kù)流量，V、V為1、2時(shí)段庫(kù)容。各頻率調(diào)洪演算成果見表4。

表4 調(diào)洪演算結(jié)果

5.壩頂高程復(fù)核

根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 189-2013），壩頂超高按下式確定：

式中：Y為壩頂在靜水位以上的超高，R為風(fēng)浪沿著壩坡的最大爬高，A為安全加高。

（1）波高和波長(zhǎng)計(jì)算。波浪的平均波高和平均波周期宜采用莆田試驗(yàn)站公式：

式中：h為平均波高，T為平均波周期，W為計(jì)算風(fēng)速，D為風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度，H為水域平均水深，g為重力加速度，L為平均波長(zhǎng)，H為壩迎水面前水深。

（2）平均波浪爬高。紫云湖大壩波浪平均爬高可按下式計(jì)算：

式中：R為平均波浪爬高，K為斜坡的糙率滲透性系數(shù)，K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，m為坡度系數(shù)。

（3）設(shè)計(jì)爬高R值計(jì)算。設(shè)計(jì)爬高R值可由平均波高與壩迎水面前水深的比值按《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 189-2013）中表A.1.7規(guī)定的系數(shù)計(jì)算求得。

（4）壩頂高程計(jì)算。壩頂高程按以下情況進(jìn)行計(jì)算，取其大值：

①正常蓄水位或設(shè)計(jì)洪水位加正常運(yùn)用條件的壩頂超高；

②校核洪水位加非常運(yùn)用條件的壩頂超高；

③正常蓄水位加非常運(yùn)用條件的壩頂超高，再加地震安全加高。

壩頂高程計(jì)算成果見表5。

表5 壩頂計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明，紫云湖要求壩頂高程23.98m，低于現(xiàn)狀壩頂高程24.01m，大壩滿足防洪安全要求。

6.防洪分析結(jié)論

進(jìn)行水庫(kù)功能調(diào)整后，紫云湖將成為一座以防洪、景觀為主，兼有灌溉、供水等綜合功能的?。ㄒ唬┬退畮?kù)。最大庫(kù)容370.97萬(wàn)m，近期設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇。近期50年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量289m/s，溢洪道設(shè)計(jì)洪水下泄流量200.7m/s，設(shè)計(jì)洪水位22.07m，相應(yīng)庫(kù)容259.70萬(wàn)m；遠(yuǎn)期100年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量346m/s，溢洪道設(shè)計(jì)洪水下泄流量252.8m/s，設(shè)計(jì)洪水位22.39m，相應(yīng)庫(kù)容297.87萬(wàn)m；校核洪峰流量451.4m/s，溢洪道校核洪水下泄流量355.4m/s，校核洪水位22.98m，相應(yīng)庫(kù)容370.97 萬(wàn)m。壩頂高程應(yīng)在23.98m以上，現(xiàn)狀壩頂高程24.01m，滿足防洪安全要求。