“廣域滯洪庫容”理論及在溪源水庫模擬應用研究

吳澤華

(福建省水利水電科學研究院，福建 福州 350001)

傳統治水實踐中，洪水治理往往依托水庫大壩和河道防洪工程，屬于空間上的“末端治理”，未能充分發揮流域在暴雨產流過程的綜合調節能力，難以最大限度減緩洪澇災害及進行雨洪資源充分利用[1-2]。“廣域滯洪庫容”則是在傳統水庫校核洪水位的上方進行廣域延伸和廣義拓展，利用上游流域的丘陵溝谷和緩坡有利地形，建設可控閘門的低壩群，新增形成廣散分布并可隨機啟用的地表和地層臨時性存水單元體系，從而實現“精準攔削洪峰”和增加雨洪資源蓄用的雙重效益。相對而言，“廣域滯洪庫容”理論是“系統治水”理念的有益實踐和探索[3-4]。

同時，研究將“廣域滯洪庫容”理論和技術原理應用于福州溪源水庫，結合溪源溪流域現狀和溪源水庫下游防洪排澇安全問題引發的防洪調度難題，提出在流域上游增設適度規模“廣域滯洪庫容”的解決思路，模擬分析其削減洪峰量值和遲滯洪水入庫時間對下游大學城的防洪排澇安全的有利影響，以及典型年度增加的雨洪資源蓄用量。驗證了“廣域滯洪庫容”理論在洪水調度管理、水資源利用方面的可行性和優勢。

1 “廣域滯洪庫容”理論基礎

1.1 “廣域滯洪庫容”理論及構建方法

“廣域滯洪庫容”是以既有的傳統水庫為基礎，將單純水庫大壩庫區的洪水治理，擴展到涉及整個上游流域空間的山水林草系統治理，因而增加了創新的思路和空間[5]。“廣域滯洪庫容”是以整個流域防洪安全和生態環境友好為前提，在傳統水庫校核洪水位上方，進行廣域延伸和廣義拓展，構建存水單元及其體系，形成廣義、高端的“傳統水庫+”，從而擴大增加傳統水庫的防洪庫容和興利功能，提高流域防洪減災能力水平和雨洪資源利用水平。

“廣域滯洪庫容”在傳統水庫之上的流域范圍內新增3類存水單元：通過在水庫上游流域適宜的區域，采用工程手段新增帶閘低堰攔蓄，形成溝谷存水單元、低丘緩坡存水單元。

新增2類存水單元構建方法主要包含以下幾個特點：

① 利用溝谷和低丘緩坡地形和地層存水，因地而建，散布在傳統水庫上游丘陵區域；

② 壩高矮(通常不大于10 m)、庫容小(小山塘或小Ⅱ庫)，盡量減少工程造價，不需要移民征遷；

③ 下設可隨時啟閉的電控閘門，洪峰到達時關閉閘門，啟用滯洪庫容，達到精準攔削洪峰目的，洪水過后逐漸放空庫容補給下游水庫，進行水資源利用；

④ 蓄滿后可從壩頂溢洪匯入傳統水庫庫區，不產生安全影響。

新增的2類存水單元向地層及地下水滲入，形成新增地層存水單元。3類存水單元廣泛分布在流域集水區域內，形成多種層次互相影響，從而構成“廣域滯洪庫容”新增存水單元體系。

新增存水單元體系建造成本低，在暴雨期間，存水單元可以收集雨洪，若存水單元已被雨洪充滿，則溢流至低海拔處的存水單元或者最終匯聚至傳統水庫，不僅延緩雨洪到達傳統水庫的時間，而且減小了進入傳統水庫的雨洪量。從流域產匯流的時間和空間雙尺度，增大傳統水庫的防洪庫容量，減輕傳統水庫在暴雨期間的防洪壓力。存水單元所收集的雨水在暴雨之后可以逐漸流入山溝或滲入地表層中或就地供給植物的根系，也可以基流和地下水徑流的形式補給傳統水庫，提高傳統水庫的防洪庫容量和興利庫容量，從而提高水資源合理利用的程度和水平。“廣域滯洪庫容”理念將單純水庫大壩庫區的洪水治理，擴展到涉及整個上游流域空間的山水林草系統治理，因而增加了創新的思路和空間。新增存水單元的3種形式如圖1所示。

圖1 “廣域滯洪庫容”存水形式示意

1.2 “廣域滯洪庫容”的調度管理方法

從流域整體優化的角度出發，在保證下游防洪安全的基礎上，結合預報信息判定各水庫的蓄水時機及次序，以精準攔削洪峰和雨洪資源蓄滯效益最大為目標，提出一種“廣域滯洪庫容”與傳統水庫聯合蓄水策略。該策略充分利用“廣域滯洪庫容”作為補償庫容，達到“廣域滯洪庫容”與傳統水庫聯合對下游保護對象進行補償調度。

1) 汛限水位補償

傳統的汛限水位大多以年最大設計洪水為防洪調度依據，采用固定汛限水位，這種方法在過去雨水情預報體系不健全，預報手段不先進的條件下，是偏于安全的設計方式，但也因此使水庫處于超標準安全狀態，水資源得不到充分利用[6-7]。研究通過合理調度“廣域滯洪庫容”，以上游“廣域滯洪庫容”作為補償庫容，以洪水調控能力較大、距離防洪區較近的傳統水庫作為被補償水庫，將補償庫容換算為被補償水庫的可利用的防洪庫容，進而提高被補償庫的汛限水位控制值。

“廣域滯洪庫容”位于傳統水庫上游，與傳統水庫共同承擔一個防洪目標，“廣域滯洪庫容”蓄水時，將削減傳統水庫的入庫流量，若有效調度，可一定程度降低下游傳統水庫的入庫洪水標準，進而有條件提高傳統水庫的汛限水位，緩解防洪壓力的同時，最大程度利用洪水資源。

2) “廣域滯洪庫容”作為“可控動庫容”可以精準攔削洪峰

若降雨最大時刻為T1，入庫洪峰的到來時刻為T2(如圖2所示)，“廣域滯洪庫容”的開啟時間Tx在最大降雨發生之后洪峰到來之前，即Tx位于T1和T2之間。“廣域滯洪庫容”啟用后，可以攔蓄徑流削減洪峰，削減的洪量V等于“廣域滯洪庫容”的容量，相當于將“廣域滯洪庫容”作為下游傳統水庫可利用的防洪庫容。如此，傳統水庫有充足的條件和能力調蓄徑流，控制下游河道水位，保證下游保護區洪澇水量的順利排除。

圖2 “廣域滯洪庫容”精準攔削入庫洪峰示意

“廣域滯洪庫容”的開啟時間是非常重要的參數，受來水情況、流域特征參數、“廣域滯洪庫容”布置情況因素影響。設x為廣域水庫開啟時間到洪峰到來時間的差值，影響x的因素包括流域形狀、地形坡度等影響產匯流時間的因素，還包括“廣域滯洪庫容”設置和容量，區間入流情況等。若流域平均匯流時間T1-T2越大，則x越大；可調節“廣域滯洪庫容”的位置越靠近傳統水庫，x越小；“廣域滯洪庫容”越大，x越大。為了充分發揮“廣域滯洪庫容”的精準攔削洪峰效益，需要充分考慮流域特點、“廣域滯洪庫容”布置情況以及來水特點制定調度方案。

預報條件下的“廣域滯洪庫容”精準攔削洪峰調度是一種充分利用洪水預報，達到水庫錯峰、提高水庫防洪庫容利用效率的防洪優化調度方式[8]。需要充分的降雨預報信息才能確定最優的“廣域滯洪庫容”的啟用時間，充分使用“廣域滯洪庫容”的補償調節作用，最大限度的錯峰和削峰，保障下游傳統水庫防洪安全，解決下游保護區的防洪排澇問題。

3) “廣域滯洪庫容”調度可增加雨洪資源蓄滯

在汛期洪水量不大，防洪安全影響可控的前提下，“廣域滯洪庫容”的另一個重要調度管理功能是增加雨洪資源蓄滯。即在汛期洪水量不大，防洪安全影響可控的前提下，“廣域滯洪庫容”啟用時間可以相應前移，確保傳統水庫和上游“廣域滯洪庫容”達到滿蓄，盡量實現增加雨洪資源蓄滯。

2 “廣域滯洪庫容”理論在溪源水庫的應用

2.1 溪源水庫防洪問題

溪源水庫位于閩江下游南港的一小支流上，壩址以上匯水面積為83.6 km2，河長為20 km，河道比降為30‰。水庫所在流域地處中亞熱帶季風氣候區，年平均降水量為1 394 mm，且年內分配不均，多集中于4—9月的梅雨和臺風雨季節。溪源水庫壩址以上流域洪水陡漲陡落，下游為福州大學城上街片，是保護大學城上街片的重要防洪工程。溪源水庫攔河壩為砌石拋物線雙曲拱壩，按100年一遇洪水設計，1 000年一遇洪水較核，設計洪水位為105.58 m，校核洪水位為107.44 m，總庫容為2 428萬m3。由于大學城上街片是福建省的暴雨中心區，且地勢平坦，高程較低，內有溪源溪由北向南貫穿全境，外有閩江頂托，澇水經常不能自排，需要由排澇站抽排才能解決，這給上游溪源水庫的泄洪提出很高的要求，在臺風暴雨季節存在極大的洪澇災害隱患。

2.2 溪源水庫上游適度“廣域滯洪庫容”構建

根據“廣域滯洪庫容”的設置理念，以“小、多”為布置原則，結合流域特點、溪源水庫防洪庫容、場次洪水流量等進行適度“廣域滯洪庫容”構建的分析和設定。

根據鲇魚臺風(10年一遇)下游防洪排澇需求，以消減洪峰2 h區間內50%～60%流量為目標，提出在流域上游增設20個、總庫容約330萬m3的“廣域滯洪庫容”，約占溪源水庫防洪庫容的20%～30%，“廣域滯洪庫容”壩高規模在10～15 m，庫容為10～30萬m3，根據1：1萬溪源水庫流域地形圖，通過GIS生成DEM高程數據，構建三維立體成像圖輔助分析選址。低壩設置電子自動控制閘門，可在洪峰到來時刻前自動開啟，洪峰過后則逐步開啟閘門放空“廣域滯洪庫容”，放空時間不大于12 h。圖3為溪源水庫上游“廣域滯洪庫容”構建方案示意。

圖3 溪源水庫上游“廣域滯洪庫容”構建方案示意

3 “廣域滯洪庫容”聯合溪源水庫調洪數值模擬

3.1 模擬方法

采用水文模型和水動力學模型相結合的方法驗證“廣域滯洪庫容”防洪和水資源利用方面的價值。

3.1.1水文模型NAM模型

利用NAM模型為各河段提供沿程的旁側入流，以滿足NAM模型與MIKE11水動力模型耦合計算的需要。

1) 為分析廣域滯洪庫容年際產、匯流調蓄及場次洪水調蓄的效果，便于后續工況流域內不同分布的情景設計，將溪源水庫流域劃分為10個面積大小相近、流域特征類似的小尺度匯水分區，作為廣域滯洪庫容后期工況設計的單元控制匯水范圍。具體劃分結果見圖4所示。

2) 降雨數據采用泰森多邊形分割后的9個雨量站(壩頭、白葉限、坑口、里洋、前山、青光坪、陶洋、溪南、溪源宮)2014—2018年降雨實測整編資料。

3) 蒸發采用中國氣象數據中心提供的《中國地面國際交換站氣候資料日值數據集(V3.0)》福州閩侯氣象站的蒸發數據。

取2014—2016年日降雨量、日均蒸發量、日均實測流量輸入模型，進行模型參數率定；取2017—2018年日降雨量、日均蒸發量、日均實測流量對率定的模型進行驗證。

3.1.2MIKE 11 HD模型構建

1) 按照廣域滯洪庫容計算精度劃分河網結構(見圖5所示)。

2) 模型邊界

上游開邊界：實測未降雨期入庫流量約為1 m3/s，假定子流域平均分配，均為0.1 m3/s。

區間入流邊界：取率定、驗證后的NAM降雨徑流模擬的設計降雨—徑流作為流量邊界(m3/s)。

下游開邊界：即水庫水位邊界，取實測水位值(m)。

3) 模型斷面：根據DEM數字高程提取河道橫斷面。

4) 模型河床糙率M：溪源水庫庫區屬于山區多礫石河道特征取M=35(M=1/m，m約為0.03)。

5) 模型水工建筑物：設計工況下的蓄水單元(蓄洪區、壩或堰等)。

圖5 水動力河網結構示意

3.1.3MIKE 21 HD模型構建

1) 地形數據

根據溪源水庫水下地形12.5 m×12.5 m DEM數據，建立MESH文件，網格劃分見圖6，網格數量為3 687，最小網格面積為20 m×20 m。

2) 邊界條件

開邊界條件即水域邊界條件。本研究開邊界即：入庫流量(入庫流量根據不同工況采用NAM模型及MIKE11HD計算得到的入庫流量過程)。

閉邊界條件即陸地邊界條件，取滑動陸地邊界即法向流速為0 m/s。

3) 庫底糙率M

溪源水庫庫區屬于山區多礫石河道特征，取M=35(M=1/m，m約為0.03)。

4) 初始條件

取水位為其實測水庫蓄水位(m)。

庫區庫面平展，非洪水及泄洪狀態下，流速較小，故取初始條件流速Ux、Uy取0 m/s。

3.2 “廣域滯洪庫容”精準攔削入庫洪峰分析

以2016年“鲇魚”臺風在福州市降雨過程為例，圖6是增設20個帶調節閘堰，形成“廣域滯洪庫容”調節后對洪峰的消減過程。

圖6 “廣域滯洪庫容”攔削“鲇魚”入庫洪峰過程示意

1) “鲇魚”調洪過程中，廣域滯洪庫容共攔蓄301.4萬m3，相對于鲇魚臺風總洪量為3 524.8萬m3，總洪量減小為3 223.4萬m3，攔蓄率約8.8%；相對于洪峰發生時刻前后2 h的區間總入庫流量為637萬m3，攔蓄率達到約47.6%。

2) 相對于鲇魚臺風入庫洪峰最大值834.84 m3/s，經廣域滯洪庫容攔蓄削峰后最大值為683.95 m3/s，最大洪峰值減小150.89 m3/s，峰值削減比例達到約18.06 %。

綜上所述，“廣域滯洪庫容”采用帶可控閘門的堰在洪峰時刻進行操作，可以集中削減進入水庫的山洪洪峰，對于水庫的防洪安全管理有較明顯的意義和效果。

3.3 “廣域滯洪庫容”與溪源水庫聯合調度防洪分析

1) 鲇魚臺風調洪過程中，溪源水庫在壩址原有下泄流量120 m3/s的泄洪洞全開的情況下。洪峰期產生最大下泄流量260 m3/s匯入下流大學城。而模擬設置廣域滯洪庫容330萬m3參與調峰調度時，產生遲滯洪水入庫時間為3 h，調蓄后下泄洪量可控制不大于120 m3/s，遠低于調度方案控制下泄流量260 m3/s的要求，下泄流量削減率為53.8%。鲇魚臺風調洪過程示意見圖7。

2) 2018年溪源水庫立項研究，在壩址原有120 m3/s的泄洪洞基礎上，庫內新增設一個設計流量為286 m3/s的泄洪洞。新泄洪洞直排閩江而不匯入大壩下游河道，可以緩解長期受困擾的下游大學城防洪排澇問題。但是，新增泄洪洞方案在遭遇特大洪水工況下，下游大學城防洪排澇仍有較大不利影響。而采用廣域滯洪庫容參與新增泄洪洞方案進行防洪調度管理，則可起到很好的調節效果。通過防洪調度管理數值模擬計算，可以得到如下結果。

百年一遇調洪過程中，在洪峰期產生溢洪道最大下泄流量260 m3/s+原泄洪洞120 m3/s，合計最大下泄流量380 m3/s匯入下流大學城。而廣域滯洪庫容設置的額外庫容約為330萬m3參與調度時，廣域滯洪庫容在洪峰時段啟用后，產生遲滯洪水入庫時間為1 h，可單純用新設泄洪洞直排閩江滿足調洪要求，不產生下泄至下游大學城的流量。對比大學新區設計澇水流量成果表，下泄流量的削減大致相當于下游洪峰流量重現期從50年一遇削減為10年一遇。

千年一遇調洪過程中，在洪峰期最大產生溢洪道1 919 m3/s+原泄洪洞120 m3/s，合計下泄流量2 039 m3/s 匯入下流大學城。而廣域滯洪庫容設置的額外庫容約為330萬m3參與調度時，廣域滯洪庫容在洪峰時段啟用后，產生遲滯洪水入庫時間為0.4 h，最大下泄流量1720 m3/s匯入下流大學城，洪峰削減量319 m3/s，削峰率為15.6%。

3.4 “廣域滯洪庫容”水資源效益分析

按擬定的20個調節堰與溪源水庫進行聯合調度，遇到單次強降雨結束，堰蓄滿后，開啟電動閘門，將調節堰的雨洪下泄到溪源水庫或供給其他水資源利用，可增加供水能力、下泄生態流量或發電收益。

將2014年降雨-徑流過程根據降雨大小、歷時及間隔時間(按相鄰降雨間隔時間至少12 h以上，保證下次降雨前“空庫”，否則假定為一場連續長系列降雨，保守的估計蓄水量)作為劃分依據，劃分為7次過程，降雨過程及劃分過程見圖8。

圖8 溪源水庫模擬計算流量示意

由計算結果可知，2014年蓄滿—空庫周期為7次，在溪源水庫或其他水資源利用方案合理調控下，可增加利用總蓄水量達到2 310萬m3，在增加發電、補充供水、增加生態下泄流量等方面具有顯著的水資源效益。

4 結論與展望

1) “廣域滯洪庫容”理論是實現流域綜合治水的技術理論。本文將“廣域滯洪庫容”理論和技術原理應用于福州溪源水庫，通過在流域上游模擬適度規模“廣域滯洪庫容”，結合溪源溪流域現狀和水庫下游防洪排澇安全實際問題，建立虛實結合的數學模型，分析其削減洪峰量值和遲滯洪水入庫時間對下游大學城防洪排澇安全的有利影響，以及典型年度增加的雨洪資源蓄用量，驗證了“廣域滯洪庫容”理論在洪水調度管理、水資源利用方面的可行性和優勢。

2) “廣域滯洪庫容” 理論作為流域綜合治水的技術理論，在降雨量大或小的南、北方區域均有應用效益和價值。在臺風暴雨頻發、降雨量大的南方地區，其應用效益主要體現為增強水庫下游防洪排澇安全的效益；在降雨量相對較小的北方地區，其應用效益主要體現為增加水資源利用效益，同時也能提高在偶發極端降雨條件下，水庫下游的防洪排澇安全保障。

3) “廣域滯洪庫容”理論將具有良好應用和推廣前景，可供大量的傳統水庫防洪調度管理借鑒和指導水庫防洪安全補短板項目規劃實施，也可應用于指導新建水庫在更廣闊的水庫上游流域，以適度成本構建“廣域滯洪庫容”這種“可控動庫容”，化解水庫庫區大量移民征地的難題。