蓄滯洪水庫(kù)在小流域山洪災(zāi)害防御中的應(yīng)用研究

夏志東，胡琳琳，張瑋玥

（1·衢州市柯城區(qū)水利局，浙江 衢州 324000；2·杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020；3·浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020）

1 問(wèn)題的提出

浙江省地處東南沿海，山地和丘陵占據(jù)75%左右，有“七山一水二分田”之說(shuō)。近年來(lái)，由于全球氣候變化，大范圍梅雨、局地短時(shí)強(qiáng)降雨和臺(tái)風(fēng)暴雨頻發(fā)，加之人類(lèi)不合理活動(dòng)影響，造成山洪災(zāi)害頻繁發(fā)生，嚴(yán)重威脅山丘地區(qū)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，是當(dāng)前水旱災(zāi)害防御工作的重大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，浙江省目前調(diào)查重要沿河村落11 500余個(gè)，危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)影響人員達(dá)27.3萬(wàn)人。2010年以來(lái)，在水利部的統(tǒng)一部署下，浙江省持續(xù)開(kāi)展山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目建設(shè)，基本構(gòu)建了專(zhuān)業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警與群測(cè)群防相結(jié)合的山洪災(zāi)害防御體系，取得了顯著防災(zāi)減災(zāi)效果，有效避免了群死群傷事件的發(fā)生。

山洪災(zāi)害防御主要有工程措施和非工程措施兩類(lèi)[1-2]，工程措施包括病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固、堤防護(hù)岸、清淤疏浚、堰壩整治、水土保持等，非工程措施包括構(gòu)建天空地一體化監(jiān)測(cè)體系、山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)、智能化預(yù)警平臺(tái)和群測(cè)群防體系建設(shè)等內(nèi)容。在極端性氣候條件下，單靠非工程措施難以有效減少山洪災(zāi)害損失，需采取必要的工程措施進(jìn)行保護(hù)，與監(jiān)測(cè)預(yù)警等非工程措施聯(lián)合發(fā)揮減災(zāi)作用。本文主要通過(guò)探討在山丘區(qū)小流域選擇合適位置建設(shè)一種底孔開(kāi)口式的防洪滯洪水庫(kù)，可以在一定程度上削減洪峰流量，有效減輕下游山洪災(zāi)害，達(dá)到保護(hù)下游村莊及人員生命財(cái)產(chǎn)安全的目的。

2 蓄滯洪水庫(kù)作用

眾所周知，水庫(kù)具有蓄洪、削峰、錯(cuò)峰等功能，通過(guò)控制運(yùn)用和自然調(diào)蓄，能夠在一定程度上減輕下游地區(qū)的洪水災(zāi)害[3]。水庫(kù)削減洪水流量的原理是水量平衡方程，當(dāng)出庫(kù)流量小于入庫(kù)流量，多余的水量就被滯留在水庫(kù)內(nèi)，蓄水量增加。因此水庫(kù)防洪效益大小主要受防洪庫(kù)容控制：防洪庫(kù)容越大，削減洪峰、滯納洪水的作用就越顯著。因此，故通過(guò)在山丘區(qū)流域上游建設(shè)水庫(kù)，能夠快速提高下游保護(hù)對(duì)象的防洪能力，顯著改善流域中下游地區(qū)的防洪現(xiàn)狀。

對(duì)于山區(qū)小流域而言，通過(guò)建設(shè)水庫(kù)來(lái)提升防洪能力受到多種因素制約：一是建設(shè)資金成本高，防洪庫(kù)容大也會(huì)造成征地、移民等難以處理；二是受地形、地質(zhì)條件的制約，也難以找到具有相當(dāng)庫(kù)容條件的壩址位置。防洪庫(kù)容一般是水庫(kù)汛限水位至防洪高水位之間的庫(kù)容，要在山區(qū)充分利用小庫(kù)容來(lái)發(fā)揮防洪效益，就是要盡量不設(shè)置正常庫(kù)容，把有限的庫(kù)容都用于洪水大流量時(shí)的防洪滯洪。因此，我們可以考慮在壩底設(shè)置泄流洞，泄流洞的尺寸根據(jù)下游河道的安全行洪能力而定。當(dāng)來(lái)水量小于下游河道安全泄量時(shí)，洪水通過(guò)泄流洞自由無(wú)壓泄流，隨著來(lái)水量逐漸增大，庫(kù)水位開(kāi)始抬升，泄流洞下泄能力也隨之增大，大于下泄流量的部分洪量在水庫(kù)內(nèi)滯蓄。若下游保護(hù)對(duì)象設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，則遭遇20 a一遇以下洪水情況時(shí)，滯洪水庫(kù)只通過(guò)泄流洞進(jìn)行泄洪，最大下泄流量不超過(guò)河道安全泄量；當(dāng)遭遇超過(guò)20 a一遇洪水，壩頂溢洪道開(kāi)始溢流，下泄流量由泄流洞和溢洪道兩部分組成，下游保護(hù)對(duì)象應(yīng)進(jìn)行提前預(yù)警并組織轉(zhuǎn)移。

由于山溪性河道洪水暴漲暴落，匯流時(shí)間短，洪水峰型多為尖瘦形，洪水的沖擊性和破壞性與峰值流量大小直接相關(guān)，因此通過(guò)設(shè)置一定的滯洪庫(kù)容，將洪水過(guò)程頂部的部分洪量截留在水庫(kù)內(nèi)，削減洪峰流量，在一定程度上可提升下游地區(qū)的防洪能力。

3 蓄滯洪水庫(kù)需考慮的問(wèn)題

3.1 壩型和壩址選擇

一般情況下，用于山洪災(zāi)害防御的蓄滯洪水庫(kù)的庫(kù)容不大。壩底設(shè)置泄流洞允許不影響下游安全的流量過(guò)流，壩頂要設(shè)置溢洪道承擔(dān)超標(biāo)準(zhǔn)洪水情況下的泄洪任務(wù)，從結(jié)構(gòu)上看只有重力壩和拱壩滿足要求。采用拱壩時(shí)應(yīng)根據(jù)壩址地形條件進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)論證。在壩址選擇上，應(yīng)綜合考慮壩址的地形地質(zhì)條件、庫(kù)容和上游淹沒(méi)情況，壩址上游的集水面積不宜太大，否則要求的滯洪庫(kù)容就大，直接造成政策處理難度和經(jīng)濟(jì)造價(jià)的上升，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益不顯著。從防洪滯洪效果上看，離保護(hù)的對(duì)象越近，防洪滯洪效果就越好，因此壩址選擇應(yīng)盡量離保護(hù)對(duì)象近一些。

3.2 保護(hù)對(duì)象防洪標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)保護(hù)對(duì)象的類(lèi)型及重要性，按照GB 50201—2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》[4]來(lái)確定保護(hù)對(duì)象的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于山區(qū)小流域而言，保護(hù)對(duì)象一般為村莊人口集聚區(qū)和重點(diǎn)集鎮(zhèn)，防洪標(biāo)準(zhǔn)一般為10~20 a一遇?？紤]山洪災(zāi)害的破壞性及山洪發(fā)生時(shí)砂石雜物阻塞河道造成洪水位加劇抬升等因素，蓄滯洪水庫(kù)對(duì)下游保護(hù)對(duì)象的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)不宜低于20 a一遇。

3.3 泄流洞規(guī)模

根據(jù)下游保護(hù)對(duì)象所在河道的位置、斷面形狀及比降等，采用謝才公式①謝才公式：通過(guò)坡降、水力半徑來(lái)計(jì)算明渠和管道均勻流平均流速的公式，1769年由法國(guó)工程師A·de謝才提出。計(jì)算斷面水位流量關(guān)系，從而得到河道安全泄量。洪水前期，泄流洞為無(wú)壓流狀態(tài)，隨著水位上漲，洞內(nèi)流態(tài)由無(wú)壓流向有壓流過(guò)渡，泄流能力也隨著水頭抬升而增加。假定不同的泄流洞尺寸計(jì)算其泄流能力，根據(jù)下游設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)洪水、庫(kù)容曲線等，通過(guò)調(diào)洪演算得到最高庫(kù)水位、最大下泄流量及滯洪庫(kù)容等，綜合考慮庫(kù)容因素及下游河道安全泄量，確定泄流洞規(guī)模。

3.4 大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于超過(guò)下游設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的洪水，由壩頂溢洪道參與聯(lián)合泄洪，水庫(kù)將轉(zhuǎn)為保壩為主，溢洪道規(guī)模應(yīng)滿足設(shè)計(jì)、校核洪水的下泄要求。根據(jù)GB 50201—2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》，按照水庫(kù)總庫(kù)容確定大壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)，并考慮波浪爬高、安全加高等確定壩頂高程。

4 應(yīng)用案例

鄣吳溪小流域位于浙江省安吉縣西北部，其中里庚溪支流山高坡陡，河道比降大，河道受兩側(cè)山體控制走向蜿蜒，缺少開(kāi)闊地，壩址條件良好但庫(kù)容條件較差。外庚以下地勢(shì)趨平緩，兩岸村莊防洪能力不足10 a一遇。知青壩位于里庚溪里庚村下游約1 km處，位于兩山之間峽谷地帶，于1966年由下鄉(xiāng)知青所建。壩址以上集水面積僅3.1 km2，河道比降73‰，預(yù)制混凝土拱壩。壩頂高程173.00 m，最大壩高約15 m，壩頂長(zhǎng)約50 m，壩體中間為溢流壩段，溢流段頂高程170.00 m，相應(yīng)庫(kù)容僅5萬(wàn)m3，溢流凈寬15 m，壩底正中設(shè)有直徑2.8 m的自流式溢洪洞，是較為典型的蓄滯洪水庫(kù)（見(jiàn)圖1）。

圖1 底孔式防洪壩圖

因設(shè)計(jì)資料缺失，無(wú)法知曉其設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)GB 50201—2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》，該滯洪水庫(kù)參照?。á颍┬退畮?kù)等級(jí)，結(jié)合其下游防護(hù)對(duì)象和防護(hù)要求，采用設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)20 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)100 a一遇。通過(guò)暴雨洪水計(jì)算，壩址10 a一遇洪峰流量為69 m3/s，20 a一遇洪峰流量為84 m3/s。經(jīng)過(guò)行洪能力復(fù)核，下游景塢村安全泄洪能力約為60 m3/s。

泄流洞按有壓短洞公式計(jì)算泄流能力，壩頂溢洪道按實(shí)用堰公式計(jì)算，泄流能力見(jiàn)表1。為比較設(shè)置底孔泄流洞的防洪效果，本次調(diào)洪計(jì)算按考慮泄流洞和不考慮泄流洞兩種情況計(jì)算，見(jiàn)表2。

表1 水位-泄流能力關(guān)系表

表2 知青壩調(diào)洪計(jì)算成果表

根據(jù)調(diào)洪計(jì)算成果，在不考慮泄流洞情況下，由于該水庫(kù)滯洪庫(kù)容很小，對(duì)各頻率洪峰流量只削減了1~2 m3/s，幾乎沒(méi)有調(diào)蓄滯洪作用。如在壩底設(shè)置泄流洞，水庫(kù)自動(dòng)攔蓄超過(guò)下游安全泄量的部分洪水，10 a一遇洪水削減洪峰流量12 m3/s，20 a一遇洪水削減洪峰流量9 m3/s，該滯洪壩將下游景塢村的防洪能力從略高于5 a一遇提高到10 a一遇以上，但隨著洪水重現(xiàn)期增大，庫(kù)水位在洪峰到來(lái)前就已升至溢洪道高程，故對(duì)50 a一遇以上洪水幾乎沒(méi)有調(diào)蓄滯洪作用。由此可見(jiàn)，蓄滯洪水庫(kù)具有良好的削峰滯洪作用，對(duì)于山洪災(zāi)害防御能夠發(fā)揮一定作用，但良好的庫(kù)容條件是影響蓄滯洪水庫(kù)發(fā)揮效益的重要因素。

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于山洪災(zāi)害防御而言，蓄滯洪水庫(kù)是一種較為有效的工程措施方式，既可以通過(guò)工程措施削減下游洪峰流量，提升下游防洪能力，也可以根據(jù)蓄滯洪水庫(kù)的水位上漲情況設(shè)置報(bào)警水位閾值。通過(guò)安裝自動(dòng)水位監(jiān)測(cè)設(shè)備，當(dāng)庫(kù)水位即將達(dá)到溢洪道高程時(shí)，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)聯(lián)動(dòng)村莊里的預(yù)警設(shè)備，提醒下游群眾立即撤離，較之以往采用雨量預(yù)警的方式準(zhǔn)確性更高。同時(shí)，在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較高的地區(qū)建設(shè)蓄滯洪水庫(kù)，可以攔截滑坡、泥石流等土體，能夠有效降低下游地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

由于建設(shè)水庫(kù)的工程費(fèi)用較高，選址時(shí)一定要充分考慮地形地質(zhì)條件，要具有一定的庫(kù)容條件且上游淹沒(méi)的政策處理費(fèi)用小，則是比較經(jīng)濟(jì)合理的做法。在受到地形條件制約時(shí)，也可選擇梯級(jí)水庫(kù)形式建設(shè)，充分利用滯洪庫(kù)容。為減輕政府資金壓力，將蓄滯洪水庫(kù)項(xiàng)目結(jié)合新農(nóng)村開(kāi)發(fā)，引入社會(huì)資本開(kāi)展山區(qū)漂流項(xiàng)目建設(shè)，在主汛期氣象預(yù)報(bào)有暴雨時(shí)，預(yù)先騰空水庫(kù)保證泄流洞敞開(kāi)發(fā)揮防洪滯洪作用。