淺議桃源水電站壩址河段洪水位波動現(xiàn)象

劉 波，田國民，奉偉清

(中國水電顧問集團桃源水電廠，湖南 常德 415700)

0 引 言

桃源水電站位于湖南省常德市桃源縣城附近的沅水干流上，是沅水干流最末一個新增水電開發(fā)梯級電站。桃源水電站上游距凌津灘水電站38.2 km，下游距桃源縣延溪河口約1.6 km，壩址緊臨桃源縣城，左、右岸分別為桃源縣漳江垸和潯陽垸。工程以發(fā)電為主，兼顧航運、旅游等綜合利用[1]。

壩址以上流域面積為8.67萬km2，多年平均年徑流量為650億m3，多年平均流量2 060 m3/s。水庫校核洪水位48.98 m，總庫容6.468億m3，設(shè)計洪水位45.18 m，正常蓄水位39.50 m，相應(yīng)庫容1.28億m3，死水位39.30m，水庫無調(diào)節(jié)性能。電站總裝機容量180 WM，保證出力48 MW，設(shè)計多年平均發(fā)電量7.93億kW·h，年利用時間4 404 h[2]。

凌津灘至桃源河段的補充規(guī)劃是2009年4月經(jīng)湖南省批準同意，2010年8月經(jīng)湖南省能源局核準正式開工建設(shè)，2013年10月底首臺機組發(fā)電，2014年10月上旬9臺機組全部投產(chǎn)發(fā)電。

1 壩址河段洪水位波動現(xiàn)象

該電站自投產(chǎn)運行以來，期間經(jīng)歷了2場較大洪水的實際運行考驗：

(1)第1場是“2014- 07-17”洪水。桃源水文站實測最大洪峰流量28 600 m3/s，泄洪閘上、下游實測最高水位分別為45.74、45.62 m(桃源水文站實測站點河段洪水位為45.395 m)，流量及水位均超過重現(xiàn)期50年一遇設(shè)計洪水(洪峰流量28 100 m3/s，泄洪閘上、下游水位計算值分別為45.18、44.97 m)。從實測流量看，“2014- 07-17”洪水是一場超50年一遇的洪水。

(2)第2場是“2017- 07- 02”洪水。桃源水文站實測最大洪峰流量22 544 m3/s，泄洪閘上、下游實測最高水位分別為43.81、43.57 m(桃源水文站實測站點河段洪水位為43.445 m)，流量及水位均超過重現(xiàn)期20年一遇設(shè)計洪水(洪峰流量22 300 m3/s，泄洪閘上、下游水位計算值分別為43.23、43.09 m)。從實測流量看，“2017- 07- 02”洪水是一場超20年一遇的洪水。

現(xiàn)將兩場洪水實測值及根據(jù)其已知流量插值計算上、下游水位，以及最接近的特征頻率設(shè)計洪水計算結(jié)果對比分析于表1。

表1 2場洪水實測值及計算值與相近特征頻率設(shè)計洪水計算結(jié)果對比分析

兩場洪水經(jīng)對比分析后發(fā)現(xiàn)的主要問題：

(1)實測泄洪閘上游庫水位高于對應(yīng)流量水位計算值，同時高于相近特征頻率設(shè)計洪水計算值；“2014- 07-17”洪水高出“50年一遇設(shè)計”洪水0.564 m，“2017- 07- 02”洪水高出“20年一遇設(shè)計”洪水0.583 m。

(2)實測泄洪閘下游河水位高于對應(yīng)流量水位計算值，同時高于相近特征頻率設(shè)計洪水計算值；“2014- 07-17”洪水高出“50年一遇設(shè)計”洪水0.653 m，“2017- 07- 02”洪水高出“20年一遇設(shè)計”洪水0.484 m。

(3)實測上、下游水位壅高值均在設(shè)計許可范圍內(nèi)。

(4)“2014- 07-17”洪水同期桃源水文站水位為45.395 m，為建站以來實測水位最高值，壩址下游水位與桃源水文站之間水位差為0.225 m?！?017- 07- 02”洪水同期桃源水文站水位為43.445 m，壩址下游水位與桃源水文站之間水位差為0.125 m。

2 認識桃源水電站壩址洪水

2.1 流域概況

沅水流域四周高山環(huán)繞，東以雪峰山與資水分界，西接梵凈山與烏江為鄰，南隔苗嶺與柳江分流，北至武陵山與澧水相隔。沅水是洞庭湖水系四水之一，發(fā)源于貴州省東南部，源頭稱清水江，過托口后稱沅水，經(jīng)常德德山流入洞庭湖。沅水自源頭至德山，干流全長1 028 km，總落差1 033 m，河道主流流向大體由西南向東北，德山以上流域面積90 000 km2。

沅水河流特征以洪江、凌津灘為界，將干流分為上、中、下游三段，源頭—洪江上游段大部份為高山峽谷，源頭段系高原區(qū)；洪江—凌津灘中游段為峽谷和丘陵地區(qū)，耕地較多(水田)，山上多灌木、喬木林，植被較好；凌津灘—德山下游段為低矮丘嶺，桃源以下為沖積平原。

沅水干流分13個梯級開發(fā)，三板溪為沅水干流的“龍頭”水庫，具有多年調(diào)節(jié)性能，五強溪為沅水中下游的控制性骨干工程，為季調(diào)節(jié)水庫。2009年4月，湖南省政府批復(fù)同意沅水凌津灘—桃源河段增加一級水電開發(fā)梯級，即桃源水電站。桃源水電站壩址以上集水面積86 700 km2，占沅水流域面積的96.2%。

沅水干流梯級開發(fā)示意見圖1。

圖1 沅水干流梯級開發(fā)示意

2.2 洪水特性

沅水流域內(nèi)的洪水由降水形成，大洪水次數(shù)多，洪峰流量大，大洪水連續(xù)頻繁發(fā)生，與其他流域洪水遭遇、易造成洞庭湖及四水尾閭地區(qū)災(zāi)害性洪水等特點。一般每年3月下旬到4月初，沅水流域各地陸續(xù)進入雨季，先后發(fā)生暴雨，6月～7月份，由于高空低槽、低渦、切變線等西風(fēng)帶系統(tǒng)和地面冷鋒或靜止鋒的作用，常發(fā)生大面積、長歷時、強度大的暴雨，形成本流域大洪水，如1969年、1970年、1995年、1996年、1998年、1999年大洪水等。1766年、1911年等歷史大洪水大部分也發(fā)生在6月或7月。

2.3 壩址設(shè)計洪水

桃源壩址與桃源水文站距離僅1.6 km，流域面積相差較小，僅有0.58%，因此壩址設(shè)計洪水直接采用桃源水文站設(shè)計洪水。

桃源壩址年最大洪水系列，選用桃源站1953年～2003年洪水資料，部分年份考慮梯級水庫調(diào)蓄影響進行了還原計算。采用獨立取樣的方法，統(tǒng)計得出壩址51年實測洪水系列。其中1953年～1973年采用桃源水文站實測洪水資料；1974年～1993年洪水資料由于受鳳灘水庫調(diào)節(jié)的影響，進行了還原，還原計算的具體方法是由鳳灘水庫的水位和庫容曲線求出鳳灘水庫調(diào)蓄過程，將鳳灘水庫調(diào)蓄過程考慮傳播時間平移到王家河后，用王家河至桃源的洪水演算公式演算至桃源，然后與桃源的實測洪水過程相加，即得桃源的天然洪水過程。

1994年～2003年因受鳳灘水庫和五強溪大壩蓄水滯洪雙重影響，首先應(yīng)用五強溪單一梯級入庫洪水～壩址洪水相關(guān)關(guān)系插補，得出五強溪壩址1994年～2003年壩址洪水洪峰系列，然后采用王家河(五強溪)與桃源站洪峰流量相關(guān)關(guān)系，用王家河(五強溪)資料插補出桃源站1994年～2003年洪峰流量。

由此形成桃源站1953年～2003年共51 a天然洪水系列，滿足規(guī)范要求。桃源水電站壩址特征頻率設(shè)計洪水成果見表2。

表2 壩址各頻率年洪峰流量成果

3 桃源水電站的防洪設(shè)計

3.1 防洪標準

桃源水電站水庫總庫容6.86億m3，電站總裝機容量180 MW。根據(jù)DL 5180—2003《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標準》，本工程為二等大(2)型工程。主要建筑物(如泄洪閘、土石副壩、河床式電站廠房及通航建筑物擋水部分[3]等)按3級建筑物設(shè)計；次要建筑物(如導(dǎo)墻、擋土墻、廠房及通航建筑物非擋水[4]部分)按4級建筑物設(shè)計。主要建筑物按重現(xiàn)期50年洪水設(shè)計，500年洪水校核；土石副壩按重現(xiàn)期50年洪水設(shè)計，1 000年洪水校核；下游消能防沖建筑物按重現(xiàn)期30年洪水設(shè)計。

3.2 泄洪建筑物布置

泄水建筑物為主河槽泄洪閘，電站壩址河床由雙洲島分隔成左右槽，共布置25孔泄洪閘，其中左槽布置14孔，右槽布置11孔。閘孔由右至左依次編號為1號～25號閘孔，其中右槽11孔泄洪閘編號為13號～11號閘孔；左槽14孔泄洪閘編號為12號～25號閘孔。泄洪閘閘孔尺寸為20.0 m×13.5 m(寬×高)，溢流堰頂采用寬頂堰，堰頂高程26.00 m，弧形鋼閘門擋水，液壓啟閉機啟閉，上游采用浮式檢修門擋水。

右槽4號～8號閘孔和左槽17號～21號閘孔下游接現(xiàn)澆鋼筋混凝土消力池，消力池尺寸為29.0 m×112.8 m(長×寬)。

消能建筑物主要由消力池、護坦或海漫組成。泄洪閘或消力池下游流速較大的非消力池部位接35.5 m長河床護坦或海漫，右槽采用格賓石籠，左槽采用現(xiàn)澆混凝土和至少1.0 m厚大塊石。

3.3 泄洪建筑物泄流能力要求

桃源水電站為平原丘陵地區(qū)典型的低水頭、大流量開發(fā)梯級電站，水庫無調(diào)節(jié)性能，必須確保電站建成后不影響河道行洪、無人為洪澇災(zāi)害，對泄洪建筑物泄流能力總體要求是壩址上、下游水位雍高值不能超過0.3 m。

根據(jù)SL 265—2001《水閘設(shè)計規(guī)范》“第5節(jié)水力設(shè)計”中第5.0.5條規(guī)定，水閘的過閘水位差應(yīng)根據(jù)上游淹沒影響、允許的過閘單寬流量和水閘工程造價等因素綜合比較選定。一般情況下，平原區(qū)水閘的過閘水位差可采用0.1～0.3 m。據(jù)此，對水閘的泄流能力提出了過閘水位差要求，只要上、下游水位差(即上游雍高值)低于設(shè)計控制值0.3 m，泄洪閘的泄流能力即滿足要求。

3.4 樞紐防洪制約因素

桃源水電站壩址左岸防洪堤頂高程約為47.00 m，右岸防洪堤堤頂高程約為46.00 m，壩址河道安全泄量為22 300 m3/s，防洪堤防洪標準約為20年一遇；隨著城市經(jīng)濟的發(fā)展，壩址區(qū)防洪堤遠景防洪標準按50年一遇考慮，對應(yīng)50年一遇洪水的堤頂高程為47.40 m。當洪水位高于遠景防洪堤頂高程時，洪水將漫堤。

3.5 水庫調(diào)度

桃源水電站正常運行情況下電站運行過程中水庫水位不消落，運行方式如下：

(1)當入庫流量不大于電站滿發(fā)流量3 735 m3/s時，庫水位維持在正常蓄水位39.50 m，樞紐閘門關(guān)閉，出庫流量全部通過水輪機下泄。

(2)當入庫流量大于滿發(fā)流量且電站凈水頭大于2 m時，水庫仍維持在正常蓄水位39.50 m運行，大于水輪機引用流量部分的入庫流量，通過閘門控制下泄。

(3)當入庫流量大于8 800 m3/s時，電站機組停止發(fā)電，樞紐采用預(yù)報預(yù)泄的方式控制泄流，入庫流量全部通過泄洪閘下泄，直至恢復(fù)天然河道，樞紐按天然來流量泄流。

(4)洪水退水過程中，當桃源壩址流量小于停機流量8 800 m3/s，且通過五強溪水庫洪水預(yù)報，桃源10 h之內(nèi)及后期的入庫流量不會超過停機流量時，水庫關(guān)閘蓄水。

4 洪水位波動原因分析

4.1 壩址河段歷史大洪水調(diào)查

調(diào)查統(tǒng)計桃源水文站建站以來洪峰流量Q>22 300 m3/s(20年一遇)的13場大洪水參數(shù)，匯總于表3，其中“1996- 07-19”洪水洪峰流量最大(Q=29 100 m3/s)，下游水位排第2，“2014- 07-17”洪水洪峰流量排第3(Q=28 600 m3/s)，下游水位排第1。

表3 桃源水文站實測13場歷史大洪水參數(shù)統(tǒng)計匯總

4.2 防洪堤垸建設(shè)過程與潰決情況

4.2.1 防洪堤垸建設(shè)過程

桃源水電站影響河段兩岸階地寬闊平坦，階地寬度為河道寬度的數(shù)倍，土壤肥沃，非常適合居民生活，遍布居民城鎮(zhèn)。為了滿足城鎮(zhèn)防洪需要，結(jié)合河道地形和居民分布特點，各地沿河興建了數(shù)處防洪堤垸，堤垸建設(shè)與完善過程簡況如下：

(1)1973年開始，桃源縣大興水利工程建設(shè)，相繼建成了護城、陬溪、車湖、木塘、潯陽、桃花源、團結(jié)等7個防洪堤垸，但防洪標準僅為5年一遇。

(2)1995年秋冬，桃源縣再次大興水利工程建設(shè)，擬提高上述7個防洪堤垸的防洪標準，漳江垸(原護城垸)為20年一遇，其余均為10年一遇，但由于資金不足，均未達到設(shè)防標準。

(3)受“’96”“’98”洪水潰垸影響，桃源縣委、政府在1996年秋冬～1999年間連續(xù)幾年大興水利工程建設(shè)，以提高上述7個防洪堤垸的防洪標準，漳江垸為20年一遇，其余均為10年一遇。

目前，漳江垸在五強溪等水庫的聯(lián)合調(diào)度下，可達到30年一遇，其他防洪堤垸可達到15～20年一遇，在安全流量23 000 m3/s以下，沅水下游的防洪堤垸基本可以自保。沅水下游防洪堤垸分布見圖2。

圖2 沅水下游堤垸布置

4.2.2 防洪堤垸潰決情況

1996年7月16日～17日，沅水下游(即桃源水電站壩址下游)的木塘垸、車湖垸、潯陽垸、桃花垸、團結(jié)垸等5個防洪堤垸因堤頂高程不夠，先后發(fā)生漫潰，1996年洪水漫潰情況見表4。由表4可知，木塘垸等5個防洪堤垸漫潰2～3 d后，沅水桃源水文站的洪峰水位才達到最高44.925 m，即“先潰垸后漲水”，說明所潰堤垸起到了分洪作用，有效降低了桃源水文站站址實測水位。

表4 桃源至常德河段防洪堤垸潰決情況

4.3 壩址河段洪水位波動的主要原因分析

桃源水電站壩址水位與桃源水文站站址水位同步超高，通過歷史數(shù)據(jù)對比，分析了桃源水文站站址水位超高的原因，即桃源水電站壩址水位超高的原因，具體為:

(1)桃源河段兩岸防洪堤垸建設(shè)渠化了行洪河道，改變了行洪斷面，影響了主河道行洪能力。在“1969- 07-17”洪水發(fā)生時，壩址河段尚無防洪堤垸建設(shè)，河道行洪斷面基本為天然原始斷面。當洪峰流量超過主河道安全流量時，洪水向兩岸漫流，行洪斷面急劇增大，水位增長緩慢。當啟動防洪堤垸建設(shè)后，人為地改變了河道行洪斷面，行洪斷面減小，當河道水位超過堤垸頂部時，洪水漫過堤頂進入兩岸階地，兩岸階地分洪，洪水位上漲緩慢。所以，桃源河段洪水位在防洪堤垸建設(shè)前后出現(xiàn)較大差異是正常的。

(2)桃源水電站建設(shè)前壩址河段兩岸防洪堤垸的漫潰與河道洪水位變化關(guān)系密切。當發(fā)生超過主河道安全洪水時，洪水位沒及防洪堤垸頂部而出現(xiàn)越堤漫流，當洪水繼續(xù)上漲時，隨著洪水漫流流量增大，防洪堤垸難免發(fā)生水毀、潰堤，這在防洪堤垸建設(shè)史上有見證和記錄的，“1996- 07-19”洪水是歷史記錄最大洪水，當年防洪堤垸的建設(shè)已經(jīng)較為完善，但還是發(fā)生了潰垸，只要有潰垸決口，河道洪水位就會驟降，所以，不難理解“2014- 07-17”洪水洪量小而水位最高的情況，因為“2014- 07-17”洪水發(fā)生時，當?shù)卣扇∫磺写胧﹪婪浪朗胤篮榈疼?，最終確保無漫頂、無潰垸情況發(fā)生。因此，當“1996- 07-19”洪水發(fā)生時，如果沒有發(fā)生潰堤，記錄的洪水位應(yīng)該是最高。

(3)洪水類型、歷時長短對堤垸防洪的影響，以及政府組織抗洪的措施等均可能對大洪水發(fā)生時的河段水位有一定影響。“2014- 07-17”洪水屬洪峰“尖瘦”型洪水，洪峰流量大但歷時短暫(高于44.93 m洪水位的時段歷時僅13 h)，經(jīng)湖南省防汛指揮部奮力搶險及五強溪水庫的合理調(diào)度，保住了桃源縣的7個防洪堤垸和武陵、鼎城的2個防洪堤垸，堤垸均未潰決，但所有防洪堤垸險象環(huán)生，岌岌可危，多個堤垸已出現(xiàn)潰垸型重大險情，導(dǎo)致與“1996- 07-19”洪水相比，流量稍小但水位卻高了0.47 m。對于設(shè)計確定的典型洪水類型而言，在50年一遇洪水情況下，保住全部堤垸的安全將是極其困難的，因此，“2014- 07-17”洪水的水位可以看作桃源河段50年一遇洪水情況下一種較極端的河道高水位。

(4)“2014- 07-17”洪水實測洪峰流量多出50年一遇設(shè)計洪水500 m3/s，故洪水位相應(yīng)高出50年一遇設(shè)計洪水計算值是可以理解的。

5 洪水位波動的危害性評價

5.1 危害性認識

眾所周知，洪水參數(shù)的制約因素極其復(fù)雜，表征洪水的參數(shù)(洪峰流量、洪水位、洪水頻率)是經(jīng)過調(diào)查、統(tǒng)計加估計、模型概化等手段得出，是典型的概率學(xué)問題，所以出現(xiàn)洪水位波動現(xiàn)象屬于正?，F(xiàn)象。

當然，針對洪水位波動幅度過大的情況必須引起重視，首先得認清其可能危害性。根據(jù)桃源水電站所處位置的特殊性，洪水位波動過大的可能最大危害主要有2個方面，一是洪水位波動現(xiàn)象是否存在規(guī)律性，是否可以推測遭遇大壩設(shè)計洪水時，大壩壩頂高程不足會導(dǎo)致洪水漫壩事故，漫壩事故是大壩安全運行不允許發(fā)生的。二是必須查明洪水位波動的原因，泄洪建筑物泄流能力不足是否會導(dǎo)致庫水位抬升而引發(fā)人為洪澇災(zāi)害，這是防洪地區(qū)最為敏感的考慮因素。

5.2 危害性評價

(1)漫壩憂慮。桃源水電站壩頂高程與防浪墻頂高程是依據(jù)規(guī)范計算確定，經(jīng)過蓄水、竣工安全鑒定專家的多次鑒定，至今邊界條件未曾改變。此外，電站壩頂高程為50.7 m，比兩岸防洪堤最高堤頂高程47.0 m高出3.7 m，當洪水漫潰兩岸防洪堤垸時，壩址兩岸分洪明顯，可以預(yù)見，當大壩遭遇設(shè)計洪水時，壩址河道周圍均是一片汪洋，但桃源水電站壩頂仍屹立于汪洋之中，所以洪水漫壩的憂慮是多余的[5]。

(2)人為洪澇災(zāi)害擔憂。桃源水電站的建設(shè)自始至終必須慎重考慮人為洪水問題，即嚴格控制閘前水位雍高值在0.3 m以下，超過該值即認為有人為洪水之嫌。模型試驗與實測數(shù)據(jù)均說明了上游水位壅高值控制在設(shè)計要求內(nèi)，所以人為洪澇災(zāi)害擔憂也是多余的[6]。

總而言之，無論漫壩之憂還是人為洪澇之患，歸根結(jié)底就是桃源水電站泄洪閘的泄洪能力與安全泄洪問題，事實證明，桃源水電站泄洪閘的泄流能力是不用懷疑的，將來運行過程中電站也將切實做好泄洪閘的運行管理，確保其安全泄洪。

6 結(jié) 語

桃源水電站自2013年首臺機組投產(chǎn)發(fā)電以來，樞紐經(jīng)歷了2場大洪水的實際檢驗，尤其“2014- 07-17”洪水規(guī)模已超過50年一遇，通過對2場實測洪水參數(shù)的對比分析，發(fā)現(xiàn)洪水位出現(xiàn)了波動現(xiàn)象，均高于理論計算值，出于防洪度汛的高度敏感性，及時分析查明波動的原因是非常必要的。本文從認識流域洪水特性、調(diào)查歷史洪水資料、回顧樞紐洪水設(shè)計、追蹤河道行洪斷面變化過程等方面對洪水位波動的原因進行了細致分析，認為洪水位波動現(xiàn)象是客觀存在的，導(dǎo)致波動的根本原因是因河道兩岸防洪堤垸的不斷建設(shè)、完善改變了河道行洪斷面，當該河道遭遇洪水不漫堤、河道兩岸不分洪時，洪水位一般會高于理論設(shè)計值，只要兩岸漫堤、分洪，壩址河道洪水位很難驟升，基本上不會發(fā)生漫壩、人為洪澇災(zāi)害，所以，桃源水電站壩址河道洪水位波動現(xiàn)象是正常的，電站運行過程中應(yīng)確保泄洪閘安全泄洪。