梯級水庫對下游城市防洪的影響分析

陳好山，聶池祥，王 毅

（湖北省恩施州水文水資源勘測局，湖北 恩施 445000）

0 引言

忠建河為清江中游右岸的最大支流，發(fā)源于咸豐縣柿子坪，自西南向東北在龍坪村入宣恩縣境內(nèi)，流經(jīng)宣恩縣曉關(guān)鄉(xiāng)桐子營村、珠山鎮(zhèn)、萬寨鄉(xiāng)等地，于龜山河上游的石心河注入清江，干流全長120 km，流域面積1656 km2，總落差424 m。

忠建河屬典型山區(qū)性河流，其上游山高坡陡，匯流快，沿途有多條河流匯入，稍遇大暴雨，忠建河及支流河水就會猛漲,洪水峰高量大。由于宣恩縣城珠山鎮(zhèn)上游干流先后興建了桐子營、龍洞水庫電站，該梯級水利樞紐工程的建設(shè)改變了自然狀況和下墊面水力條件，加之下游宣恩縣城區(qū)自身防洪能力不足，一旦水庫調(diào)度失敗將對下游宣恩縣城市防洪帶來災(zāi)難性后果。

1 概況

桐子營水庫電站位于宣恩縣曉關(guān)鄉(xiāng)桐子營村，距宣恩縣城20km，流域面積503km2，正常蓄水位618.00m，總庫容7730萬m3，興利庫容5446萬m3。龍洞水庫電站位于宣恩縣城上游（距宣恩水文站1.5km）桐子營水庫電站下游，流域面積735km2，正常蓄水位550.00m，總庫容6823萬m3，防洪庫容1658萬m3。忠建河流域水系見圖1，桐子營、龍洞水利樞紐工程特征值見表1。

圖1 忠建河流域水系及水利工程示意圖

表1 桐子營、龍洞水利樞紐工程特征值表

2 防洪能力分析

2.1 設(shè)計洪水

2.1.1 由流量資料推求

龍洞水庫壩址位于宣恩水文站上游約1.5 km處，流域面積相差0.7%，且之間無支流匯入，因此龍洞水庫壩址設(shè)計洪水成果可直接移用宣恩水文站實測流量資料推求。

宣恩水文站建于1958年5月，位于宣恩縣城珠山鎮(zhèn)上湖塘，控制流域面積740 km2。城區(qū)河段自1994年開始疏浚治理，行洪斷面及過洪能力均發(fā)生了較大變化。為保證水文資料的一致性，采用1959年～1992年龍洞水庫建庫前（1993年5月下閘蓄水）宣恩水文站33年實測流量資料系列進行設(shè)計洪水計算。經(jīng)查閱《中華人民共和國水文年鑒》，1983年為實測第1位洪水，加入歷史調(diào)查洪水后其經(jīng)驗頻率采用P-Ⅲ型適線，計算成果見表2。

2.1.2 由暴雨資料推求

選用流域內(nèi)咸豐、龍坪、桐子營、曉關(guān)、宣恩等5站的短歷時（包括1 h、6 h、24 h）降水量資料，采用中值法計算設(shè)計暴雨。產(chǎn)流過程通過扣損法求得，凈雨過程由設(shè)計面雨量扣去初損和穩(wěn)損求得。忠建河流域?qū)俸笔〉谑姆謪^(qū)，按第十水文分區(qū)綜合匯流參數(shù)計算水庫設(shè)計洪水（不考慮天坑影響）。第十水文分區(qū)匯流參數(shù)m1和n值公式m1=0.8F0.3L0.1J-0.06、n=0.69F0.224J0.092計算。該流域內(nèi)有一定的溶巖，根據(jù)湖北省暴雨徑流查算圖表說明，不對匯流參數(shù)m1作非線性改正。地面徑流由所求匯流參數(shù)n、k，按瞬時單位線法計算無因次單位線并轉(zhuǎn)換為時段單位線配以相應(yīng)的設(shè)計凈雨過程，推求地面徑流過程。地下徑流由下列經(jīng)驗公式計算：t≤T 時：Qt＝Q0＋（Qg－Q0）t/T；t＞T時：Qt＝Qg·e－β（t－T），將地面徑流過程與地下徑流過程疊加即可得出設(shè)計洪水過程，由瞬時單位線法計算的設(shè)計頻率洪峰流量成果見表2。

表2 龍洞水庫壩址設(shè)計洪水成果表

2.1.3 設(shè)計洪水過程線

本次龍洞水庫壩址設(shè)計洪水復(fù)核方法中，流量資料途徑主要是延長系列和對實測系列的特大值處理作了修正，暴雨資料途徑主要是采用實測短歷時降水量資料和湖北省暴雨徑流查算圖表推薦的瞬時單位線法計算。從上表可知，本次復(fù)核成果均小于原初設(shè)成果，但均與原初設(shè)成果很接近，從偏安全考慮，本次設(shè)計頻率洪峰流量值仍采用原初設(shè)成果。

通過對宣恩站歷年實測最大洪水過程的統(tǒng)計分析（以單峰型為主），選取接近設(shè)計頻率、峰高量大，對防洪不利的1983年洪水為典型，按峰量同頻率縮放推算出龍洞水庫設(shè)計洪水過程線，結(jié)果見圖2。

圖2 龍洞水庫設(shè)計洪水過程線圖

2.2 設(shè)計洪水水面線

宣恩城區(qū)干流河段（龍洞電站壩下～三河溝匯河口）長約7 km，本文選取18個斷面進行評價分析，按天然河道恒定非均勻流伯努利能量方程,采用迭代法由三河溝大橋上游19 m處為起算斷面，計算出城區(qū)干流河段左岸各斷面各種頻率設(shè)計洪水水面線，見圖3。

式中：ζ為局部損失系數(shù)；α為擴散系數(shù)(V上＞V下取0.5,V上＜V下取 0)；n為糙率系數(shù)；K 為輸水系數(shù)；hf為摩阻損失，hf=（υ2上/2g-υ2下/2g）L/2；he為擴散損失，he=α（υ2上/2g-υ2下/2g）。

圖3 宣恩城區(qū)忠建河干流河段典型斷面各種頻率洪水水面線圖

根據(jù)《城市防洪工程設(shè)計規(guī)范》(CJ50-92)對城市等別、防洪標準、堤防工程級別及安全超高的規(guī)定，宣恩縣城為四等城市，為保證宣恩縣城區(qū)安全，堤防超高應(yīng)為0.50 m，故宣恩縣城區(qū)干流河段安全流量為1400 m3/s，相當于20年一遇洪水標準。

2.3 梯級水庫調(diào)洪演算分析

2.3.1 水庫調(diào)度原則

桐子營、龍洞水庫為上下游串聯(lián)式梯級水庫，功能單一且調(diào)洪庫容小，區(qū)間匯流時間短，水庫錯峰能力差。上游水庫宜采取預(yù)報預(yù)泄結(jié)合安全流量固定泄洪方式進行調(diào)度，以消減最大入庫洪峰流量作為防洪調(diào)度判別指標，利用水庫調(diào)蓄作用盡可能使水庫放水均勻，使下泄流量最小化（達到最優(yōu)削峰效果），以提升下游城區(qū)防洪能力，水庫攔蓄尾水回蓄到防洪限制水位，不影響發(fā)電效益為原則。

2.3.2 桐子營水庫調(diào)洪演算分析

桐子營水庫預(yù)泄起調(diào)水位按615.00 m計算，調(diào)洪期間防洪限制水位為618.00 m，調(diào)洪庫容為977萬m3,按此控制條件進行調(diào)洪分析。采用調(diào)洪及預(yù)泄庫容調(diào)度分析計算出桐子營水庫設(shè)計洪水及最大下泄流量（表3）及桐子營水庫設(shè)計洪水及預(yù)泄過程線（圖4）。

圖4 桐子營水庫設(shè)計洪水及預(yù)泄過程線圖

2.3.3 龍洞水庫調(diào)洪演算分析

據(jù)龍洞水庫特性，水庫消減洪峰流量和延長泄洪時間及溢洪道泄洪量受到溢洪道水頭的限制，而溢洪道水頭又受到水庫蓄洪量控制，水庫蓄洪量的大小取決于入庫和出庫流量之差，龍洞水庫調(diào)洪計算采用水量平衡公式：

龍洞水庫按100年一遇設(shè)計，設(shè)計洪水位554.92 m，500年一遇校核設(shè)計，校核洪水位556.83 m，正常蓄水位與防洪限制水位一致（均為550.00 m），調(diào)節(jié)庫容2442萬m3，調(diào)洪庫容1658萬m3，為不完全年調(diào)節(jié)水庫。當起調(diào)水位為550.00 m時對應(yīng)下泄能力為1630 m3/s；當入庫流量小于1630 m3/s，通過閘門調(diào)節(jié)下泄量；當入庫流量大于1630 m3/s時，水庫按下泄能力下泄；當泄流狀況進入自由泄流情況下，泄流量與水庫借助輔助線 q-（v/Δt+q/2）調(diào)洪演算。

龍洞水庫在不同特征水位下進行調(diào)洪演算，采取限制流量的調(diào)洪方式試算出調(diào)洪中不超過水庫設(shè)計洪水位、校核洪水位時的最低限制流量，成果見表4。

表4 龍洞水庫各特征水位調(diào)洪演算成果表

2.3.4 梯級水庫聯(lián)調(diào)對下游防洪影響分析

經(jīng)分析，當宣恩城區(qū)上游發(fā)生100年一遇的洪水時龍洞水庫按設(shè)計洪水位控制最大下泄流量為1750 m3/s；當宣恩城區(qū)上游發(fā)生50年一遇的洪水時，龍洞水庫按設(shè)計洪水位控制最大下泄流量為1460 m3/s。宣恩城區(qū)河段通過整治后，現(xiàn)狀河道安全流量為1400 m3/s,上游梯級水庫通過聯(lián)調(diào)后宣恩城區(qū)防洪能力從10年一遇提升至30年一遇及以上，分析成果見表5及表6。

表5 宣恩城區(qū)忠建河干流河段典型斷面各種頻率洪水水面成果表

表6 梯級水庫聯(lián)調(diào)后宣恩城區(qū)防洪能力成果表

3 結(jié)語

宣恩縣城區(qū)整體現(xiàn)狀防洪能力偏低，不足5年一遇防洪標準，遠遠達不到國家規(guī)定的四等城市20年一遇防洪標準要求，尤其是部分區(qū)域防洪形勢特別嚴峻。由于城區(qū)河段來水主要受桐子營水庫、龍洞水庫調(diào)節(jié)控制，雖然上游兩座水庫防洪庫容不大，但通過水庫群聯(lián)合調(diào)度可將城區(qū)防洪能力從10年一遇標準提高至50年一遇標準，可有效提高宣恩城區(qū)防洪能力。針對當前防洪現(xiàn)狀，為提高城區(qū)防洪能力減輕洪澇災(zāi)害實現(xiàn)人水和諧，需要進一步加快推進河道防洪工程治理、加大防洪宣傳力度提高全民防洪減災(zāi)意識、加強流域水雨情自動測報系統(tǒng)建設(shè)、完善水情預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)。