橫山水庫防洪能力提升研究

楊怡青，胡 劍，陳龍贊

(寧波市水利水電規劃設計研究院，浙江 寧波 315192)

在流域防洪體系中，大中型水庫一直承擔攔洪蓄洪、削峰錯峰的工程任務，是整個防洪體系的重要組成部分[1]。近年來在極端氣候頻發、城市建設規模持續擴張、流域規劃防洪格局改變等新形勢下，流域整體洪量增加，流域干流泄洪壓力明顯增大[2]。因此，提升大中型水庫防洪能力、挖掘其工程應用價值是緩解干流防洪壓力、減少洪水入侵平原的重要舉措，是提升水利防災減災能力、支撐新形勢下經濟社會可持續發展的內在要求。

國內外關于水庫防洪能力的研究起步于20世紀90年代，馮平等通過概率組合方法估算了水庫的防洪能力，得出的結果比僅依賴設計洪水過程給出的防洪標準更能反映水庫的實際防洪作用[3]。仲志余等基于動庫容調洪的基本原理并考慮了泥沙淤積對水庫防洪能力的影響，計算分析了三峽水庫的防洪能力[4]。胡秀英利用多庫聯合調度模型計算分析多水庫聯合防洪能力[5]。S J Bennett等結合美國11000座水庫的實測資料，研究了累積沉積物(如泥沙)等對水庫防洪能力的影響[6]。Niewiadomska等基于多庫聯合調度模型研究了實時水庫防洪與預報方法[7]。總體來說，國內外關于水庫防洪能力的研究經歷了從靜態到動態[8]，從單庫防洪能力到多庫聯合[9]防洪能力的變化[10]。

國內外現有的研究均是從水庫上游來水的角度出發，結合水庫的運行狀況分析優化水庫的防洪能力[11]。本文將從水庫現有防洪能力、洪水特性分析等方面出發，結合下游興奉橋斷面安全泄量，優化水庫運行調度方案，從而達到提升水庫防洪能力[12]的目的。

1 研究區域

1.1 甬江流域

甬江流域位于全國海岸帶中段，地勢總體呈西南高、東北低。西南部為天臺山支脈四明山脈，總面積達2521km2，約占甬江流域總面積的43%；平原位于流域中部及北部沿海，姚江、奉化江、甬江“三江”橫貫其間。

甬江流域屬亞熱帶季風氣候區，四季分明，溫暖濕潤，光照充足，雨量豐沛。秋冬季，受北方冷高壓氣團控制，以晴冷干燥天氣為主。春夏季，北方冷高壓氣團逐漸衰退，雨水增多。

甬江流域主要水系包括甬江、同為甬江河源的奉化江和姚江，在寧波市區三江口匯合后稱為甬江。甬江流域具體包括了奉化江流域和姚江流域。

甬江流域基本位于寧波市境內，是寧波市社會經濟活動最重要的區域。流域面積占寧波市總陸域面積的60%以上，人口和GDP均占全市的70%以上，是寧波市經濟社會發展的核心區域。

1.2 流域水庫概況

近年來，隨著流域水利治理工作的不斷推進，甬江流域總體構建了“上蓄、中疏、下排”的防洪排澇工程體系，流域防洪排澇能力不斷增強[14]。“上蓄”水庫工程情況如下：

奉化江流域有4座大型水庫，1座中型水庫，分別為周公宅水庫、皎口水庫、亭下水庫、橫山水庫以及葛岙水庫(中型)。

姚江流域有1座大型水庫，4座中型水庫，分別為四明湖水庫(大型)、梁輝水庫、陸埠水庫、雙溪口水庫以及溪下水庫。

1.3 流域防洪排澇能力現狀

隨著流域防洪排澇工程體系建設步伐的不斷推進，奉化江干支流及姚江干流洪水不再進入平原，平原澇水外排能力明顯增強。

奉化江干支流上游山區相對集中且集雨面積較大。現狀條件下，奉化江干支流防洪壓力仍然較大，奉化江干支流沿線最高洪水位普遍較堤防設計水位高0.03～0.19m，除東江、鄞江及縣江上游堤段以及奉化江鄞州大橋下游堤段防洪能力仍基本滿足20年一遇、50年一遇及100年一遇防洪標準要求外，奉化江“鄞州大橋上游”、東江“東江大閘下游”、鄞江“百梁橋下游”以及剡江干流沿線堤防安全超高不足，干流防洪安全缺乏有效保障。

2 案例研究分析

綜合考慮水文資料、地質地貌資料以及水庫工程狀況等，本文選定甬江流域子流域奉化江流域上游橫山水庫作為研究對象并結合具體實例進行分析研究。

2.1 研究思路

結合奉化江流域水文地質狀況和橫山水庫運行調度現狀，研究思路如下：

(1)了解橫山水庫的概況，明確橫山水庫現有的運行調度方案。

(2)進行甬江流域的設計暴雨和設計洪水計算，分析不同重現期下橫山水庫與其下游受保護斷面之間區域(非受控山區)的洪水狀況。

(3)根據上述分析計算結果分析現有調度方案的作用和存在的問題，嘗試優化現有調度方案并與之前調度方案的防洪能力進行比較分析。

2.2 水文分析

2.2.1基礎資料

流域及區域水文分析計算共采用54處國家雨量站(包括甬江流域周邊的雨量站)。其中，流域內雨量站點44處，附近雨量站點10處，各測站雨量資料起始年份和觀測年限不一。綜合各雨量站具體情況，選用1956—2016年共計61年的資料作為水文分析的基礎數據。全部61年雨量資料均通過“一致性”“可靠性”和“代表性”審查。

2.2.2設計暴雨

(1)設計暴雨計算

流域暴雨選樣采用年最大值法，具體步驟如下：①根據各雨量測站實測降雨資料，繪制雨量分布等值線；②采用網格法計算各研究流域長系列逐日面降雨量；③通過統計得出各時段的年最大面雨量；④進行面雨量的頻率計算并繪制年最大雨量的頻率分布曲線；⑤通過各時段年最大雨量的頻率分布曲線查得不同頻率下設計雨量。

通過以上計算可以得到不同頻率下甬江流域、姚江流域、奉化江流域年最大1d、3d降雨量，成果見表1。

(2)設計暴雨成果的合理性檢查

甬江流域設計面雨量頻率參數與當地水文手冊中給定的值相當，未出現明顯偏差。查證甬江流域現有的面雨量時間序列與設計暴雨計算中得到的設計結果大體相當，沒有出現量級上、分布上相悖的情況，總體考慮設計暴雨的結果較為合理[15]。

2.2.3設計洪水

(1)產流計算

根據甬江流域及其子流域奉化江流域的歷史暴雨空間分布資料，本次選定“1963年12號臺風”降雨作為奉化江流域典型降雨。

山區及平原均采用初損后損法進行產流計算。產流以前的總損失水量稱為初損，以流域平均水深表示；后損主要是流域產流以后的下滲損失，以平均下滲率表示。一次降雨形成的徑流深計算方法如下式：

R=P-I0-ftR-P0

(1)

式中，P—一次降雨量，mm；I0—初損，mm；f—平均下滲率，mm/h；tR—產流歷時，h；P0—降雨后期不產流的雨量，mm。

具體成果見表2。

(2)匯流計算

匯流計算主要包括山區坡面匯流、山區河道匯流和平原河網匯流。當集水面積大于50km2時，無資料地區坡面匯流計算采用“浙江省瞬時單位線法”，瞬時單位線是指流域上分布均勻、歷時趨于無窮小、強度趨于無窮大、總量為一個單位的地面凈雨在流域出口斷面形成的地面徑流過程線，其數學表達式為

表1 甬江流域設計暴雨成果

表2 奉化江流域不同重現期產流量計算成果 單位：萬m3

(2)

式中，n—線性水庫的個數；Γ(n)—n的伽瑪函數；K—線性水庫的調蓄系數，反映流域的匯流時間。按照這兩參數的匯流模式，只要求出n和K兩參數，即可求出瞬時單位線。

在實際應用中，一般用S曲線轉化成時段為Δt的無因次單位線U(Δt，t)，即

(3)

U(Δt，t)=S(t)-S(t-Δt)

(4)

用瞬時單位線計算設計洪水時，應考慮單位線對雨強的非線性反應，采用不同時段凈雨強度條件下使用不同單位線的方法，即變雨強單位線法。

當集水面積小于50km2時，采用“浙江省推理公式法”，即

Qmp=0.278×ip×F

(5)

(6)

式中，F—水庫壩址以上集雨面積，km2；iP—凈雨強度，mm/h；hR—τ時段內凈雨，mm；τ—集流時間，h；n—暴雨指數。

計算得出橫山水庫非受控山區(橫山—興奉橋)各重現期的洪峰流量，以及按現有調度方案下的橫山水庫相應出流量，詳見表3。

2.2.4結果分析

綜合2.2.3節的計算成果和2.3.2節調度方案可以發現，在流域20～50年一遇的暴雨情況下，因非受控山區洪峰未超過505.0、625.0m3/s，

表3 橫山水庫非受控山區不同重現期洪峰流量及水庫相應出流 單位：m3/s

造成下游斷面發生洪峰時，橫山水庫均存在相應出流，水庫出流會增加干流洪峰、抬升上下游沿線水位，對下游河道防洪造成一定不利影響。

2.3 水庫概況與運行調度方案

2.3.1水庫概況

橫山水庫位于奉化江支流縣江上游。水庫壩址以上集水面積為150.8km2，總庫容為1.108億m3，是一座以防洪、供水、灌溉為主，并具備發電、養殖等綜合性功能的大型水利工程。水庫大壩按百年一遇防洪標準設計，萬年一遇防洪標準校核。

橫山水庫調度控制斷面興奉橋，位于奉化主城區，興奉橋與橫山壩址的距離約為14.5km。興奉橋斷面與橫山水庫之間存在74km2的產流區域，區間來水不受水庫控制，又稱為非受控區間，如圖2所示。

圖2 橫山水庫山區產流分區

2.3.2水庫運行調度規則

興奉橋堤防防洪標準為50年一遇，20年一遇安全泄量為505.0m3/s，50年一遇安全泄量為625.0m3/s。橫山水庫正常按興奉橋斷面安全泄量進行補償調節，具體調度方式如下：

①水庫臺汛汛限水位105.17m。

②當庫水位105.17m

③當114.77m

④當Z>118.17m時，泄洪洞及泄洪閘全開敞泄，控制下泄流量不超過入庫流量。

2.4 水庫防洪能力現狀及提升分析

2.4.1水庫防洪能力現狀

根據現有的橫山水庫運行調度方案，當奉化江流域遭遇20～50年一遇的設計暴雨時對橫山水庫進行調洪計算并分析得出水庫削峰與蓄洪效益。

當橫山水庫遭遇流域20～50年一遇設計暴雨時，水庫削峰、蓄洪效果較好，削峰率達53.9%～55.3%，攔蓄洪率達48.5%～57.8%；且因水庫前期按505.0、625.0m3/s補償調度，預留一定庫容應對中后期大洪水，50年一遇水庫調洪效果優于20年一遇的調洪效果。

2.4.2水庫運行規則優化

根據2.3.4節和2.4.1節中的結果分析可以發現，橫山水庫現有的調度方案可以較好地滿足削峰蓄洪的任務，但是依舊存在值得優化的地方。根據橫山水庫現有的運行調度方案以及產流域的水文分析結果，考慮提高下游防洪能力，現擬定新的方案如下：

①水庫汛限水位105.17m。

②當庫水位Z<117.77m(20年一遇)時，按興奉橋安全泄量210.0m3/s進行補償調節。

③當117.77m

④當118.11m

⑤當Z>118.97m時，泄洪閘全開，控制下泄流量不超過入庫流量。

2.4.3結果分析

計算奉化江流域遭遇20～50年一遇設計暴雨下，按新的調度方案(即按210.0m3/s補償調度)橫山水庫的調洪演算結果，詳見表4。

由表4的計算結果可以發現：

①當遭遇流域20年一遇設計暴雨時，若橫山水庫前期按興奉橋210.0m3/s補償調度，水庫削峰率達80.5%，攔蓄洪率達72.3%，較按505.0、625.0m3/s補償調度(削峰率53.9%，攔洪率48.5%)的削峰、蓄洪效果提升明顯。

②當遭遇流域50年一遇設計暴雨時，若橫山水庫前期按興奉橋210.0m3/s補償調度，中后期調蓄能力有所減弱，削峰率僅45.7%，較按505.0、625.0m3/s補償調度(削峰率55.3%)的削峰效果有所降低，但因前期調蓄增強，攔蓄洪率達65.5%，較按505.0、625.0m3/s補償調度(攔蓄洪率57.8%)蓄洪效果有所提升。

表4 橫山水庫削峰與蓄洪效益統計結果

3 結語

本文從調整水庫補償調度流量角度出發，優化奉化江流域上游橫山水庫的防洪調度方案，有效增強了水庫削峰、攔洪蓄洪能力，緩解下游河道的防洪壓力，水庫防洪能力得到明顯提升。

限于篇幅和基礎資料情況，本文研究在內容的深度和廣度上存在不足。事實上，除去水庫補償調度流量這一影響因素，從擴充庫容、調整預泄量、更改平均起調水位等角度出發，分析相應的水庫優化調度方案，提升水庫防洪能力也具有很好的研究和實用價值。