安砂水庫運行方式對下游防洪方案確定的研究

占潤進(jìn)

(福建水利水電勘測設(shè)計研究院,福建 福州 350001)

1 問題的提出

由于受自然地理及氣候條件等因素影響,導(dǎo)致福建沙溪流域的洪水峰高、量大、頻繁發(fā)生,洪災(zāi)損失日益增大,下游防洪問題極為突出。為了適應(yīng)流域經(jīng)濟加快發(fā)展的要求,確保防洪安全,在加快堤防工程建設(shè)的同時應(yīng)及時調(diào)整上游安砂水庫的功能,確保三明、永安、沙縣等地的防洪安全。本文從沙溪流域的洪水特性入手,深入探討和研究安砂水庫的不同防洪方案。

2 沙溪洪水特性

沙溪為雨洪河流,根據(jù)沙縣水文站 1950～2002年共 53年的實測系列統(tǒng)計(見表1、2),年最大流量主要出現(xiàn)在 4～6月的梅雨季,占全年的 87%,其中4月占 15.1%,5月占 24.5%,6月占 47.2%;年最大流量大于 4000m3/s的洪水共有 21場,其中 17場發(fā)生在5～6月;實測最大洪水為 7650m3/s(1994年 5月),其次為 7230m3/s(1964年 6月)。 7～9月份由臺風(fēng)和其他天氣成因的洪水比重很小。據(jù)此洪水特性,防洪期重點在 4～6月。從實測資料成果分析,安砂至永安興平 (約 40km)、三明梅列(91km)、沙縣沙縣站(114km)的洪峰傳播時間分別約為 3.5～4、5.5～8、7～11h。

表1 沙縣站歷年(1950～2002年)年最大流量出現(xiàn)時期

表2 沙縣站實測(1950～2002年)年最大流量大于 4000m 3/s的洪水出現(xiàn)時期

3 沙溪下游防洪標(biāo)準(zhǔn)的提高

安砂水庫下游沿沙溪分布有永安、三明、沙縣等城市,受條件所限,永安、三明兩市目前已通過興建堤防等措施達(dá)到 30年一遇設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn),沙縣城關(guān)達(dá)到 20年一遇標(biāo)準(zhǔn)。但若遇超標(biāo)洪水,因堤線長,汛期防守困難,險段多,防汛搶險、維修費也較多,且隨著城市經(jīng)濟的不斷發(fā)展,超標(biāo)洪水帶來的經(jīng)濟損失也在加大,故迫切希望提高防洪標(biāo)準(zhǔn)。三明市區(qū)可通過已建堤防和上游安砂水庫設(shè)置防洪庫容進(jìn)行調(diào)洪削峰將防洪標(biāo)準(zhǔn)從 30年一遇提高到 50年一遇,同時可提高永安、沙縣市縣防洪標(biāo)準(zhǔn)。

4 安砂水庫現(xiàn)有防洪能力分析

4.1 安砂水庫現(xiàn)有防洪調(diào)度概況

根據(jù)閩防(1997)21號文和閩經(jīng)貿(mào)電力(2004)271號文規(guī)定,安砂水庫目前洪水調(diào)度方案為:

(1)4月 1日～6月 10日,水庫汛期控制水位為263.5m。

(2)在發(fā)生小于或等于 50年一遇洪水時,按水庫水位控制在263.5～265m的條件下開閘控制泄流。

(3)當(dāng)入庫洪水大于 50年一遇洪水時,泄流初時仍用閘門控制,使泄流量等于或小于入庫流量,維持水庫水位在 265m附近;當(dāng)入庫洪水仍繼續(xù)增大水庫水位超過 265m時,全開三孔閘門和底孔泄流,以保大壩安全。

(4)6月 11日起,水庫水位可蓄到 265m。

4.2 安砂水庫目前的防洪作用

根據(jù)現(xiàn)有調(diào)洪原則,當(dāng)庫水位開始超過 263.5m而未達(dá)到正常蓄水位 265m時,使泄流量等于或小于入庫流量,因此三明市區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)在現(xiàn)有防洪堤過洪能力 30年一遇的基礎(chǔ)上略有提高,但末達(dá)到50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)。成果復(fù)核見表3。

表3 安砂水庫現(xiàn)狀洪水調(diào)節(jié)復(fù)核成果

復(fù)核計算表明,安砂水庫從現(xiàn)有起調(diào)水位263.5m調(diào)洪,在不超過防洪高水位 265m的情況下,三明市區(qū)要達(dá)到 50年的防洪標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)洪水的兩種組合分別控制泄流,對于三明 50年一遇洪水的兩種組合對應(yīng)的兩種頻率,僅安砂相應(yīng)洪水 P=6.5%時滿足三明市區(qū) 50年一遇的防洪要求,需兩種組合都滿足時,才可稱安砂調(diào)洪滿足三明市區(qū) 50年的防洪要求。因此,安砂水庫以現(xiàn)有汛限水位 263.5m、防洪高水位265m設(shè)置的防洪庫容0.4843億m3不能滿足三明市區(qū) 50年的防洪要求。

5 安砂水庫現(xiàn)狀防洪庫容設(shè)于正常蓄水位以下分析

為研究安砂水庫對下游城市的防洪作用,以三明市區(qū)上游端的臺江壩址(F=9300km2)作為控制代表斷面分析安砂水庫對三明市區(qū)及永安、沙縣等城市的防洪作用。按兩種情況進(jìn)行洪水地區(qū)組成分析,即方案(一)安砂與三明城區(qū)同頻率、區(qū)間相應(yīng);方案(二)區(qū)間與三明城區(qū)同頻率、安砂相應(yīng),三明城區(qū)洪水頻率為 2%。洪水成果見表4。

表4 三明城區(qū)設(shè)計洪水地區(qū)組成

若要將目前三明市區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)從 30年一遇洪水(天然狀態(tài)洪水)提高到 50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn),以三明城區(qū)(臺江壩址)為控制斷面,分別分析當(dāng)安砂水庫發(fā)生接近或達(dá)到 50年一遇流量時,通過控制安砂水庫下泄流量,使水庫控泄流量加區(qū)間流量不超過三明市區(qū) 30年一遇流量(天然狀態(tài)洪水)。其中三明市區(qū)河道安全泄量以臺江壩址 30年一遇洪水流量 6970m3/s計算,永安河道安全泄量以興平站 30年一遇洪水流量 6410m3/s計算,沙縣河道安全泄量以沙縣站 20年一遇洪水流量 7050m3/s計算。

三明市區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)要達(dá)到 50年一遇安砂水庫需控制的下泄流量:

方案(一)對應(yīng)安砂壩址洪水頻率為 2%,控制下泄流量 Q控=Q設(shè)-Q區(qū)1=6970-2990=3980(m3/s);

方案(二)對應(yīng)安砂壩址洪水頻率為 6.5%,安砂控制下泄流量 Q控=Q設(shè)-Q區(qū)2=6970-3810=3160(m3/s)。

為使三明市區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到 50年一遇,方案(一)對應(yīng)安砂壩址洪水頻率為 2%,采用控泄流量3980m3/s時,經(jīng)初算所需設(shè)防洪庫容 0.752億 m3;方案(二)對應(yīng)安砂壩址洪水頻率為 6.5%,安砂水庫控泄流量 3160m3/s,需設(shè)防洪庫容 0.418億 m3。以上是采用安砂下泄洪水與區(qū)間洪水遭遇中的兩種典型組合所計算得到的防洪庫容。實際的洪水組合遭遇情況有無數(shù)種,真正要做到補償錯峰調(diào)節(jié)的前提條件是,要準(zhǔn)確獲得區(qū)間洪水發(fā)生標(biāo)準(zhǔn)到達(dá)防洪控制點的流量信息。為安全起見,若對方案(一)對應(yīng)安砂壩址洪水頻率為 2%,也采用控泄流量3160m3/s,經(jīng)初算所需防洪庫容 1.50億 m3。調(diào)洪計算中入庫與壩址洪水的差異,在將計算的防洪庫容考慮安全系數(shù)后,需設(shè)置的防洪庫容為 1.6億m3。

6 安砂水庫的防洪方案

提高三明市防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá) 50年一遇,需設(shè)防洪庫容 1.6億 m3,如何設(shè)置水庫防洪庫容與防洪限制水位,涉及面廣,矛盾錯綜復(fù)雜。對防洪問題的分析研究過程,即是一個協(xié)調(diào)處理和解決需要與可能、整體與局部、發(fā)電與防洪、上游與下游等諸多方面利益矛盾的過程。水庫承擔(dān)下游防洪,在現(xiàn)狀下研究了全預(yù)留、部分超高并部分預(yù)留、全超高三種方式,成果見表5。

表5 各方案水庫汛限水位和防洪庫容設(shè)置計算結(jié)果

為了使防洪方案切實可行,并促使防洪與發(fā)電有機結(jié)合,提高中下游的的防洪能力,使下游三明市現(xiàn)有防洪堤過洪能力在 30年一遇的基礎(chǔ)上提高到50年一遇,在充分考慮水庫庫區(qū)淹沒損失情況下,對全預(yù)留、部分超高并部分預(yù)留、全超高三種方式設(shè)置 1.6億 m3防洪庫容進(jìn)行綜合分析。

6.1 從防洪方面來看

各方案通過在主汛期設(shè)汛限水位,防洪庫容(下游50年標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的防洪庫容為 1.6億 m3)都可使下游防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到設(shè)計水平。265m方案是在現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上再降低汛限水位以達(dá)到應(yīng)有的防洪庫容,為全預(yù)留式,而其他方案通過設(shè)立相應(yīng)的汛限水位及防洪高水位,在調(diào)洪計算上都可滿足下游的防洪要求。

6.2 從庫區(qū)淹沒來看

方案一:保持原正常蓄水位 265m,水庫沒有淹沒問題。汛期降低汛限水位,將造成年電能損失0.19億 kW·h,影響電站的發(fā)電效益。但協(xié)調(diào)處理防洪與發(fā)電關(guān)系的難度不大。

方案二:庫區(qū)淹沒比方案三減少很多,特別對嵩口坪鎮(zhèn)等地基本不影響,水庫淹沒投資為 9.37億元。限于環(huán)境容量限制,水庫淹沒賠償、移民搬遷十分困難。

方案三:庫區(qū) 268～270m高程之間的區(qū)間淹沒增加很多,尤其是嵩口坪鎮(zhèn)等地在 270m時基本皆受淹,水庫淹沒投資為 14.11億元。水庫淹沒賠償、移民搬遷困難重重,難以實現(xiàn)。

從三個方案來看,唯方案一沒有淹沒,沒有移民搬遷問題,僅有電能損失補償問題,相對容易協(xié)調(diào)解決,因此經(jīng)綜合考慮后推薦方案一。

7 結(jié) 論

安砂水庫是以發(fā)電為主兼有防洪等其他效益的綜合利用工程,同時又是沙溪及閩江防洪體系的主要組成部分。水法規(guī)定,開發(fā)利用水資源,應(yīng)當(dāng)服從防洪的總體安排,實行興利與除害相結(jié)合的原則,充分發(fā)揮水資源的綜合效益。若從防洪大局出發(fā),處理好部門和整體、上游與下游的利益積極合理地承擔(dān)防洪任務(wù),方案一是比較好的方案。若從改善水庫調(diào)節(jié)性能、綜合提高下游防洪能力和梯級電站電能,保護(hù)環(huán)境,增加枯水期流量等方面考慮,可以考慮方案二,但需加高大壩,水庫防洪高水位 268.12m,汛限水位263.5m。防洪庫容均為 1.6億 m3。