长沙坝、葫芦口水库联合防洪调度与洪水利用探讨

代北川

(四川省长葫灌区管理局,四川 威远,642450)

1 威远河流域概况

威远河发源于四川省威远县境内的连界场清风寒,为长江三级支流。分水岭最高处海拔825m,流经兴隆场、长沙坝水库、葫芦口水库、威远县城,在自贡市与旭水河汇合后称釜溪河,在富顺县邓关汇入沱江。威远河在威远县城以上主河道长71km,流经山区、河流弯曲,河底坡降在4‰以上,河流下蚀切割较深,形成深沟峡谷地形。流域内植被较好。

本流域径流主要来源于降水,其次是地下水补给。河流的汛期为5月至9月,非汛期为10月至次年4月。兴隆(二)站(长沙坝入库站)多年平均流量1.40m3/s,多年平均径流深421.5mm,多年平均径流模数13.3L/s.km2。葫芦口水库断面多年平均径流量9199×104m3,多年平均径流深394.8mm,多年平均径流模数12.5L/s.km2。

本流域洪水完全由暴雨形成,洪水发生季节与暴雨一致。年最大流量一般发生在6～9月,主要集中在7、8两月。由于流域小,暴雨集中,土层较薄,流域及河流调蓄能力差,故洪水过程陡涨陡落,洪峰流量较大。从降雨至洪水起涨一般约3.5h,雨峰到洪峰仅约6h。单场暴雨形成约1～2d的单峰过程,洪峰持续时间一般仅半小时。两场连续暴雨形成约2～3d的双峰洪水过程。年最大流量年际变化较大,据兴隆站1968年、1970～1979年和兴隆(二)站1980～2001年资料统计,年最大洪峰模数的最大值为5.87m3/s.km2(1974年8月8日),最小值为0.16m3/s.km2(1993年8月10日),前者是后者的36.69倍。

2 长沙坝、葫芦口水库概况

长沙坝、葫芦口水库(以下简称长葫水库)是二十世纪70年代建成的两座中型水库,位于长江三级支流威远河中上游,两库为梯级开发、多年调节、联合调度运行。两库总库容1.21亿m3,正常蓄水位总库容9843万m3,死库容800万m3。

长沙坝水库于1971年10月建成,工程等级为三等三级,按50年一遇洪水设计,500年一遇洪水校核。坝址以上集雨面积145km2,主河道长40.5km。正常蓄水位484.15m,正常库容3623×104m3,死水位457.50m,死库容310×104m3,设计洪水位487.03m,相应库容4278.1×104m3,校核洪水位487.92m,相应库容4518.4×104m3。

葫芦口水库位于长沙坝水库下游15km,1979年底建成,工程等级为二等二级,按100年一遇洪水设计,1000年一遇洪水校核。坝址以上集雨面积(包括长沙坝水库)233km2。正常蓄水位406.00m,正常库容6220×104m3,死水位375.00m,死库容490×104m3;设计洪水位408.50m,相应库容6970×104m3;校核洪水位410.50m,相应库容7580×104m3。

长葫水库是自贡市、威远县的重要水源,承担着自贡市、威远县60余万人的生活用水和400余家工矿企业用水,灌溉农田2.16万hm2,并兼顾防洪、发电、航运、养殖等多种经济效益,自建成以来,为灌区工农业的发展和社会稳定作出了重要贡献。随着灌区经济的发展,城市规模的扩大,人口的增多及生活水平的提高,灌区对水的需求量越来越大,同时城市的防洪也越来越显得重要,长葫水库的兴利防洪矛盾日益突出。长葫水库原渡汛方案于1992年编制。1997年、2001年流域内发生过较大洪水,水文资源系列也增长,而且长葫水库防汛自动测报系统已建立,能随时提供可靠资料。为解决好长葫水库的兴利防洪矛盾,充分发挥长葫工程效益,进一步深入探讨长葫水库联合防洪调度和洪水利用问题是十分必要的。

3 长沙坝、葫芦口水库联合防洪调度优化研究

3.1 长沙坝、葫芦口水库防洪调度

3.1.1 调洪调度原则

根据长葫水库兴利、防洪和下游城市的防洪要求,长葫水库渡汛方案的原则为:(1)20年一遇及以下洪水,以威远县城防洪为主进行水库联合调度;(2)20年一遇以上洪水,以保证水库大坝安全为主进行水库调度,并为下游错峰;(3)为提高兴利作用,实行分期防洪限制水位。

长沙坝、葫芦口水库自建成投入运行,已分别运行了31年和23年,为灌区工农业的发展及威远县、自贡市的防洪错峰作出了重要贡献。长沙坝水库实测最大洪水发生在2001年8月19日,坝址洪峰流量580m3/s,达到20年一遇洪水标准,长沙坝溢洪道最大水深2.13m,最大下泄流量383m3/s,未超过设计洪水下泄流量615m3/s。葫芦口水库实测最大洪水发生在1988年9月1日,坝址洪峰流量845m3/s,达到葫库坝址30年一遇洪水标准。最高水位406.43m,最大泄洪流量533m3/s。长葫水库在发生的各次洪水中,通过合理的调度,均为下游错了峰,保证了水库大坝和下游的安全。

3.1.2 调洪演算成果分析

长沙坝水库为开敞式溢洪道自由溢流,溢洪道堰顶以下的放水设施只有一根φ1.0m的发电管道,发电引水流量4.75m3/s,放水设施泄水能力有限。初汛期正值灌区大量用水季节,库水位较低,故可不考虑本期的限制水位,若库区突降暴雨,库水位上涨至主汛期限制水位以上时,则按主汛期调度方式调度。主汛期,如果将汛限水位定在溢流堰顶以下,在遇到两场相连的洪水时,无法保证第二场洪水来临前将库水位降到汛限水位,从而影响防洪安全,故原则上将汛期限制水位定为484.15m(溢流堰顶高程)。由于长葫水库是以灌溉、工业和生活用水为主的综合利用水库,设计时未考虑下游防洪。根据长沙坝、葫芦口水库联合调度成果和调度经验,拟定葫芦口水库的主汛期限制水位为:404.00m、404.50m、405.00m、405.50m、406.00m(正常蓄水位)、406.30m(闸门顶高程),经调洪演算后确定。

长沙坝水库为坝顶无闸控制开敞式溢洪道自由溢流,调洪从正常水位484.15m起调,洪水来时,自由泄洪。调洪演算成果见表1。

从表1可见:通过水库的调节作用,洪峰滞后,削峰比例为30%左右。基本上是洪水越大,洪峰滞时越小,削峰比例越大。500年一遇和50年一遇洪水水库最高水位和最大下泄流量均低于设计值,水库抗洪能力达到了设计的防洪要求。

表1 长沙坝水库调洪成果 单位:m,m3/s

葫芦口水库防洪调度方案为:从404.00m起调,电站发电,当库水位超过405.00m,入库量小于300m3/s,控泄100m3/s,入库量超过300m3/s,控泄300m3/s;当库水位到达406.30m后,按照来多少泄多少直致五孔闸全开自由泄洪;当水位回落到406.30m以下后,入库流量介于100m3/s～300m3/s,按300m3/s控泄,入库流量小于100m3/s时,按100m3/s控泄,直至库水位降到404.00m。调洪演算结果(见表2)表明,葫芦口水库以404.00m为汛限水位,当发生20年一遇以上洪水时,按此防洪调度方案,能够保证水库大坝泄洪安全。

表2 葫芦口水库调洪成果 单位:m,m3/s

3.2 长沙坝水库预泄部分水量到葫芦口水库的可能性分析

因长沙坝水库溢洪道以下泄水能力有限,无法在短时间内将水位下降到需要的位置,原则上将其汛限水位定为484.15m。但长沙坝水库集雨面积占长葫水库集雨面积的62%,长葫水库的主要来水在长沙坝水库。因此,可以在时间许可、保持两库总的防洪库容不变的情况下,在两场洪水间通过电站发电将长沙坝水库的部分水量预泄到葫芦口水库中,以减轻长沙坝水库的防洪压力,充分发挥长葫水库的综合效益,而又不影响葫芦口水库大坝和下游的安全。由于20年一遇以上洪水按最不利情况正常水位起调,两水库大坝是安全的,而此种预泄情况起调水位均低于正常水位,故不需再作计算分析。对于20年一遇及以下洪水,需考虑两库大坝和下游安全,特作如下联合防洪调度与洪水利用方案比较计算、分析。

3.2.1 长沙坝水库

对不同预泄水量方案,按以下水位起调,调洪演算成果见表3:①预泄100×104m3,起调水位483.70m;②预泄200×104m3,起调水位483.20m;③预泄300×104m3,起调水位482.80m;④预泄400×104m3,起调水位482.30m;⑤预泄500×104m3,起调水位481.80m;⑥预泄600×104m3,起调水位481.30m。

从表3可见,随着预泄水量的增加,起调水位的降低,水库的滞洪削峰作用越强,出库峰值越小,峰现时间越滞后,水库最高洪水水位越低,对长沙坝水库防洪有利。

表3 长沙坝水库不同方案各频率调洪成果单位:m、m3/s

3.2.2 葫芦口水库

按长库不同预泄水量组合成以下方案进行调洪演算,其成果见表4:①长沙坝水库预泄100×104m3到葫芦口水库,保持总的防洪库容不变。葫芦口水库从404.33m起调,调度方案同主汛期;②长沙坝水库预泄200×104m3到葫芦口水库,保持总的防洪库容不变。葫芦口水库从404.67m起调,调度方案同主汛期;③长沙坝水库预泄300×104m3到葫芦口水库,保持总的防洪库容不变。葫芦口水库从405.00m起调,调度方案同主汛期;④长沙坝水库预泄400×104m3到葫芦口水库,保持总的防洪库容不变。葫芦口水库从405.33m起调,调度方案同主汛期;⑤长沙坝水库预泄500×104m3到葫芦口水库,保持总的防洪库容不变。葫芦口水库从405.67m起调,调度方案同主汛期;⑥长沙坝水库预泄600×104m3到葫芦口水库,保持总的防洪库容不变。葫芦口水库从406.00m起调,调度方案同主汛期。

从表4、表5可见,发生20年一遇及以下的洪水,葫芦口水库采用①、②、③、④、⑤、⑥方案调度,均能保证20年一遇洪水下桥水位不超过保证水位线,5年一遇洪水下桥水位不超过警戒水位线,也能保证两库大坝安全。因此,主汛期长沙坝水库以484.15m、葫芦口水库以404.00m为汛限水位,在保持两库总的防洪库容不变的情况下,可将长沙坝水库的水通过电站发电预泄600×104m3以内到葫芦口水库。但考虑到面均雨量50mm长沙坝水库来水量约300×104m3,为使普通洪水或长葫区间洪水不致过大而增加葫芦口水库的防洪压力,实际调度以预泄300×104m3以内为宜。

综上所述,在主汛期,长沙坝水库汛限水位为484.15m,葫芦口水库汛限水位为404.00m。在汛末期,长沙坝水库汛限水位为484.15m,葫芦口水库汛限水位为405.50m。主汛期在保持两库总的防洪库容不变的前提下(保持两库实际总蓄水量在9243×104m3以下),长沙坝水库可通过电站预泄300×104m3以内到葫芦口水库,即长沙坝水库主汛期汛限水位为482.80m～484.15m,葫芦口水库主汛期汛限水位相应为405.00m～404.00mm。

表4 长沙坝水库预泄情况葫芦口水库调洪成果水位单位:m流量单位:m3/s

表5 长沙坝水库预泄情况葫芦口水库调洪成果水位单位:m流量单位:m3/s

4 梯级水库联合防洪调度与洪水利用问题探讨

如上所述,在主汛期保持两库防洪库容不变的前提下,长沙坝水库可通过电站发电预泄300×104m3以内到葫芦口水库,在洪水来到后,又重新蓄满。这样,既有蓄洪滞洪作用,同时在不影响两库联合防洪调度的情况下,又可增加下游葫芦口水库的发电量:

式中,η为效率系数,H为发电水头(m),Q为预泄增加的发电流量(m3/s),t为预泄时间(s),W=Qt则为上游水库预泄水量(m3)。

以长沙坝、葫芦口水库为例,若取η=0.8,长沙坝一次预泄水量约300×104m3水量,葫芦口水库可利用洪水多发电:

以此累推,流域若有多级水库(N级),其中上游的1、2、3……M级分别预泄W1、W2、W3……WM,下游的M+1级……N级电站的发电水头分别为:HM+1……HN,则下游各梯级电站利用洪水多发电:

当然,流域梯级水库联合调度和洪水利用是一项复杂的系统问题,这里仅是一种简化的概念性计算方法,但反映了流域梯级水库联合调度和洪水利用的本质。

综上所述,在不影响梯级水库联合防洪调度的情况下,通过流域梯级水库联合防洪优化调度,采用上游水库预泄的方式,既满足了梯级水库联合防洪的作用,又能充分利用洪水资源增加发电效益。

5 结论

5.1 在主汛期保持两库防洪库容不变的前提下,长沙坝水库可通过电站发电预泄300×104m3以内到葫芦口水库,洪水时重新蓄满;这样,既有蓄洪作用,同时在不影响两库联合防洪调度的情况下,又可增加下游葫芦口水库的发电效益。

5.2 在满足流域防洪调度要求的前提下,通过流域梯级联合防洪调度,采用上游梯级水库预泄的方式,可达到有效利用洪水资源增加工程效益。

5.3 梯级水库联合防洪调度对江河防洪具有突出的作用,是减少江河洪水灾害损失的有效措施之一;而科学利用洪水资源增加工程效益是流域管理面临的一项新的重要内容,值得进一步深入研究。

〔1〕胡 明.考虑预报情况下古田溪梯级水库防洪调度方法研究.水电能源科学,2000,(4).

〔2〕肖 燕.梯级水库防洪调度功能需求分析.水电自动化与大坝监测,2009,(4).

〔3〕马军建.王春霞,董增川.复杂防洪体系联合优化调度理论与方法研究进展.水力发电,2005,(3).

〔4〕胡四一.宋德敦,吴永祥,崔信民,邹 鹰,沈福新,王银堂,戴 星.长江防洪决策支持系统总体设计.水科学进展,1996,(4).

〔5〕程春田.欧春平,王本德.水库洪水调度系统的集成管理,水利学报,2001,(3).

〔6〕刘卓也,芦晓峰,魏玉成.水库防洪调度研究,安徽农业科学,2007,(3).

〔7〕郭 方.海河流域洪水资源化利用初析.海河水利,2007.

〔8〕许继军,吴道喜,霍军军,长江流域洪水资源利用途径与措施初步探讨.人民长江,2008,(15). ■