宜昌市柏臨河干流防洪特性分析及流域生態需水量評估

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(長江水利委員會水文局 長江三峽水文水資源勘測局， 湖北 宜昌 443000)

1 研究背景

柏臨河為長江左岸的一級支流，發源于宜昌市夷陵區別家大山的愈家老屋，干流依次流經夷陵區小溪塔街道、龍泉鎮、伍家崗區伍家鄉、伍家崗街道和宜昌高新區生物產業園。柏臨河干流建有大量攔水壩，部分河段存在堤防欠高的問題，尤其是攔水壩附近河段過水斷面面積明顯不足，此外部分河道淤積明顯減小了河道行洪面積，威脅到河道兩岸居民的生命財產安全，流域水安全問題突出，因此亟需對流域防洪特性進行分析，并采取相應的措施。

徐華[1]針對無資料地區采用推理公式法計算了山洪溝的設計洪水，并認為該方法計算精度較高。李磊[2]等認為推理公式法對土耳其小流域設計洪水的計算成果符合當地實際情況。陶新紅[3]采用推理公式法求得設計洪水，結果較為合理。張松達[4]對無資料地區小流域的洪峰流量進行了推算。柏臨河屬山區性河流，河道坡降較大，干流建有3個水位站和1個水文站，但水文資料系列較短，無法通過實測資料進行設計洪水計算，本文擬采用推理公式法計算設計洪水。

采用一維水動力數學模型計算柏臨河干流水面線。吳樹煌[5]等提出了工程設計中天然河道水面線計算的方法及建議。陳瑞方[6]分析了傳統恒定流推算方法與非恒定流數學模型計算方法的差異。方神光[7]等基于一維數學模型對西江干流黔江段防洪特性進行了分析。何書會[8]等對天然河道洪水水面線推算中的技術問題及處理方法進行了研究。柏臨河干流上下游建有較多攔水壩，河道遭到連續性破壞，圣維南方程組的適用性受到限制，因此，計算過程中，在攔水壩處對河道進行分段處理，并采用堰流公式對壩址處水位進行控制，自下而上逐一計算沿程水面線。

河道最小生態需水量即維護河道基本生態功能以及維持河道內水生生物生存所需的水量[9]。國外對河道內生態需水量的研究起步較早，M.Falkenmark[10]等提出了“綠水”的概念，即同時滿足人類生存發展和河流生態所需的水量。P.D.Raskin[11]認為足夠的水量是維持河流、湖泊及濕地生態的前提。國內關于生態需水量的研究始于20世紀70年代，湯奇成[12]首次提出了生態環境用水的概念，認為保護綠洲生態環境的用水即為生態環境用水。王芳[13]等探討了生態需水量的概念，指出生態需水量是用來恢復和保持生態系統穩定、保證河流生態環境所需的水量。生態需水量的計算方法一般有水文學法和水力學法。水文學法包括Tennant法、Texas法、逐月頻率計算法；水力學法包括濕周法和R2-Cross法，此外還有生境模擬法和綜合法。考慮到其他方法要求較高，結合柏臨河流域的實際情況，本文擬采用Tennant法和濕周法計算流域生態需水量。

2 流域概況

柏臨河發源于宜昌市夷陵區別家大山，在宋家咀以上分東西兩支，在宋家咀匯合后，經龍泉鎮、水府廟、土門，在宜昌市城區東郊臨江溪匯入長江。流域呈扇形，主要支流從上至下依次有楊樹河、土門河、后河和花艷沖，楊樹河于水府廟匯入柏臨河干流，匯合口以上的柏臨河干流習慣稱龍泉河，土門河和后河均于徐家畈匯入柏臨河，花艷沖于張家坪匯入柏臨河干流。流域面積為478 km2，柏臨河主河道長54.3 km，河床平均坡降為5.5‰，河道坡降較大，屬山區性河流。柏臨河流域干支流分別建有稻花香(龍泉)水位站，水府廟水位站，臨江溪水位站、鳴鳳河(魏家畈)水文站和支流后河上的新場水位站，共4個水位站和1個水文站。流域水系及水文站點分布見圖1。

圖1 柏臨河流域水系及水文站點分布

柏臨河流域水位觀測始于2012年，水文資料系列不足7 a。鳴鳳河水文站于2016年設立，是流域內唯一的水文站點，實測資料系列較短，無法根據實測資料進行設計洪水計算，故該流域屬基本無水文資料地區。各站觀測情況統計見表1。

表1 柏臨河干流水文站網及水文項目觀測情況統計

3 水文分析計算

3.1 計算方法

3.1.1 推理公式法

柏臨河流域位于湖北省水文氣象分區第Ⅷ區，設計洪水計算采用湖北省暴雨統計參數圖集中的推理法公式法計算[14]。基于水科院推理公式法，根據新編的暴雨參數和設計暴雨特點，結合具體情況進行了改進，計算公式為

(1)

(2)

式中，K1、K2、K3、K4為暴雨遞減指數n的函數，已制成表格供計算時查用；θ=L/J1/3，L為河流長度，km；J為河道比降，‰；S為雨力，mm；F為流域面積，km2；u為產流期平均損失率,mm/h；m為匯流參數，按流域所在分區并結合H24點的值選用相應公式計算。

3.1.2 一維數學模型

一維數學模型根據圣維南方程組計算沿程水面線，采用簡化的四點隱式格式對圣維南方程組進行離散，將離散結果代入到連續性方程與動量方程中，再通過迭代求解Q和Z。編號j和j+1相鄰兩斷面的水位流量關系為

(3)

(4)

式中，Q為流量，m3/s；Z為水位，m；Cj、Dj、Ej、Fj、Gj、Фj需要內部迭代求解。

模型上邊界采用流量進行控制，下邊界采用水位進行控制；柏臨河支流楊樹河、土門河、后河和花艷沖以支流入匯的形式參與水面線計算。

3.1.3 堰流公式控制攔水壩處水位

柏臨河干流分布的攔水壩堰坎厚度較小，δ/H也較小，無側收縮，可按薄壁堰處理，薄壁堰堰流公式為

(5)

式中，Q為流量，m3/s；mo為堰流流量指數，與堰的進口尺寸和δ/H有關；b為堰寬，m；H為堰上水頭，m 。根據斷面流量、堰的尺寸和高程，通過式(5)可推算攔水壩處水位。

3.2 研究方法可靠性與合理性分析

3.2.1 推理公式的可靠性

采用推理公式法分別計算柏臨河流域干支流不同頻率設計洪水，將計算成果與《湖北省宜昌市城區防洪規劃(北部區域)》進行對比，見表2。

表2 柏臨河流域設計洪水計算成果與宜昌市防洪規劃計算成果比較

由表2分析可知，推理公式法計算值與防洪規劃值差值較小，相對誤差小于2%，在允許范圍內，計算成果可靠。從工程安全角度考慮，在水面線計算時各斷面不同頻率設計洪水取兩種計算成果中的較大值。

3.2.2 一維水動力學模型糙率取值

柏臨河屬無資料地區，無法通過實測資料進行糙率率定。惠遇甲等[15]對奉節至香溪河段糙率系數進行了計算與分析。田景環等[16]對天然一維河道一維數模中綜合糙率的確定方法進行了研究，提出了天然河道一維水力計算時糙率系數的確定方法，并通過實驗對該方法進行了驗證，認為該方法對缺乏實測資料地區同樣適用。朱馬別克·努爾合買提[17]對西北山區天然河道糙率系數進行了分析，指出反演算法在近似確定糙率的過程中準確度較高。綜上，本文柏臨河干流糙率n取值為 0.032。

3.3 柏臨河干流防洪特性分析

根據表2的設計洪水成果，分別計算了不同方案干支流的來水量。各方案計算條件見表3。

表3 不同計算方案邊界條件

三峽工程建成后，依據三峽水庫防洪調度方案，100 a一遇及其以下洪水，枝城流量控制在56 700 m3/s，宜昌至枝城河段按56 700m3/s的流量設防。《湖北省宜昌市城區防洪規劃(北部區域)》給出了56 700m3/s流量下宜昌段各斷面設計洪水位，本文直接引用柏臨河設計洪水位為50.63 m。

分別計算得到柏臨河干流P=10%、P=5%、P=2%的沿程水面線，根據宜昌市城區防洪規劃要求，龍泉古鎮稻花香廠區至后河入河口防洪標準為20 a一遇，后河入河口至臨江溪入江口防洪標準為50 a一遇，而龍泉古鎮上游主要為人口較少的農村地區，防洪標準較低，可按10 a一遇考慮。各河段根據其不同的防洪標準，得到羅家畈至臨江溪沿程防洪水面線，見圖2。

圖2 柏臨河干流沿程防洪水面線

參照GB 50286-2013《堤防工程設計規范》[18]，對于10 a一遇、20 a一遇洪水和50 a一遇洪水，對應的安全超高分別為0.7 ，0.8 m和0.9 m。結合計算的柏臨河干流沿程水面線，得到柏臨河羅家畈至臨江溪設計堤頂高程，再根據沿程現狀堤頂高程，分析柏臨河干流防洪現狀。柏臨河干流沿程設計堤頂高程與現狀堤頂高程見圖3。

圖3 柏臨河干流沿程設計堤頂高程與現狀堤頂高程

分析羅家畈至臨江溪設計堤頂高程與現狀堤頂高程的關系可知，河段上游雷家畈攔水壩、宋家咀攔水壩處堤防欠高明顯，欠高達到1.4 m和2.3 m，其他河段堤防能滿足防洪要求。河段中游龍泉古鎮建有關公坊酒廠攔水壩、稻花香賓館攔水壩、龍泉古鎮攔水壩和151攔水壩，攔水壩附近河段堤防欠高分別為0.7，0.5，0.8 m和0.8 m。下游河段堤防高程基本能滿足防洪要求。

考慮到攔水壩上游一般建有取用水設施，為兩岸居民提供生產、生活用水，因此攔水壩改造過程中以拆壩、降低壩頂高程為主，結合河道疏浚，新建堤防護岸，保證河道行洪安全。

表5 柏臨河流域最小生態需水量計算成果

4 柏臨河流域生態需水量

4.1 生態需水量計算

Tennant法也稱蒙大拿法，該方法以預先確定的多年平均流量百分數為基礎，將保護水生態和水環境的河流流量推薦值分為最大允許極限值、最佳范圍值、極好狀態值、很好狀態值、良好狀態值、一般或較差狀態值、差或最小狀態值和極差狀態值等1個高限標準、1個最佳范圍標準和6個低限標準。水生生物對環境的季節性要求不同，4～9月為魚類產卵育肥期，10月至翌年3月為一般用水期。基于該方法建立了水生生物、河流景觀、娛樂和河流流量之間的關系標準，見表4。濕周法主要是通過確定濕周-流量關系，結合實測流量和河道參數，從而得到相應濕周-流量數據。

表4 保護魚類、野生動物、娛樂和相關環境資源的河流流量狀況

注：*表示多年平均流量百分數%。

對于柏臨河流域生態需水量計算，Tennant法確定的年內較枯時段、較豐時段生態需水量分別采用多年平均天然流量的20%和40%。濕周法采用冪函數來擬合濕周-流量關系，對“V”型斷面和“U”型斷面效果較好，各方法計算的生態需水量成果見表5。

計算表明，Tennant法和濕周法計算的最小生態需水量相差不大。對Tennant法計算的成果進行分析，柏臨河上段(龍泉河)最小生態需水量為0.641億m3，柏臨河下段最小生態需水量為1.716億m3；楊樹河段最小生態需水量為0.442億m3；土門河最小生態需水量為0.129億m3；后河河段最小生態需水量為0.367億m3；花艷沖最小生態需水量為0.032億m3。

4.2 生態需水量評估

經計算得到95%保證率條件下柏林河干支流來用水(見表6)。具體情況如下：①柏臨河上段在保證率為95%條件下多年平均來水量為0.922億m3，多年平均用水量為0.219億m3，剩余水量約0.438億m3。②柏臨河上段最小生態需水量為0.641億m3，缺水量約0.203億m3，表明柏臨河上段在保證率為95%條件下水資源量不能滿足河道最小生態用水的要求。③柏臨河下段在保證率為95%條件下多年平均來水量為6.628億m3，多年平均用水量為3.835億m3，剩余水量約 2.793億m3。④柏臨河干流下段最小生態需水量為1.716億m3，約占剩余水量的61.4%，表明柏臨河干流下段在保證率為95%條件下多年平均水資源量基本能滿足河道最小生態用水的要求。

同理，支流楊樹河、土門河、后河和花艷沖在95%保證率條件下來用水量情況見表6。

4.3 河道生態補水方案

上述分析表明，在保證率95%來水條件下，除柏臨河下段、楊樹河外，柏臨河干流上段、土門河、后河和花艷沖均不能滿足河道最小生態需水量的要求，需對其進行生態補水。

(1)龍泉河補水方案。生態補水缺口最大的是龍泉河，其最小生態需水量0.641億m3，缺水量為0.203億m3，約占流域生態缺水總量的80.6%，故流域生態用水的主要供需矛盾在龍泉河。楊樹河在保證率95%來水條件下，河道剩余水量約1.414億m3，最小態需水量為0.442億m3，仍有0.972億m3水量富余，可考慮將其水資源量一部分引入鄰近的柏臨河上段(龍泉河)。

表6 95%保證率條件下柏臨河干支流來用水量情況 億m3

(2)土門河、花艷沖的補水方案。花艷沖、土門河等河流水資源量較為匱乏，但生態補水總量不大，僅0.016億m3。在優先滿足城鎮生產生活用水、灌溉用水的前提下，應充分利用東風干、支渠的連通作用，適時向周家嘴、花艷沖水庫補水。保證周家嘴、花艷沖水庫有足夠的下泄流量，以滿足下游河道的生態用水需求。

(3)后河河段的補水方案。在正常年份，后河河段河道水資源量基本可以滿足河道最小生態需水量需求。但在保證率95%來水條件下，河道最小生態需水量仍缺0.023億m3，約占最小生態需水量的6.3%。后河流域水庫眾多，水庫儲水能力也較強，只要統籌規劃，充分發揮后河流域水庫群的綜合調節作用，合理安排各水庫的下泄流量，后河河道的生態用水要求亦可得到滿足。

5 結 論

(1)采用推理公式法計算柏臨河流域設計洪水，計算值與《湖北省宜昌市城區防洪規劃(北部區域)》成果相對誤差在2%以內，計算成果可靠。

(2)柏臨河干流存在多座攔水壩，破壞了河道的縱向連續性，在攔水壩處采用堰流公式推算壩址處水位，分段從下游至上游推算沿程水面線，計算結果滿足精度要求。

(3)根據計算的柏臨河干流P=10%、P=5%和P=2%沿程水面線，得到了沿程設計堤頂高程。結合現狀堤頂高程分析了柏臨河干流防洪特性，結果表明：柏臨河上游的雷家畈攔水壩、宋家咀攔水壩處堤防欠高明顯，龍泉古鎮的關公坊酒廠攔水壩、稻花香賓館攔水壩、龍泉古鎮攔水壩和151攔水壩堤防高程欠高，其他河段基本能滿足防洪要求。對于堤防欠高的幾座攔水壩，建議將其改造為翻板壩，保證行洪安全。

(4)分別計算了柏臨河干支流最小生態需水量，并對流域生態需水量進行了評估，計算表明在保證率95%來水條件下，除柏臨河下段、楊樹河能滿足河道最小生態需水量外，其他河段不能滿足河道最小生態需水量的要求。