尼尔基水库嫩江干流洪水特征分析

2014-11-24滕凯

水科学与工程技术 2014年5期

滕凯

（齐齐哈尔市水务局，黑龙江齐齐哈尔161006）

1 基本情况

尼尔基水库位于嫩江上游与中游交界处的干流之上，距下游的齐齐哈尔市189km，于2006年完工并投入运行，坝址以上流域面积6.64万km2，占嫩江流域总面积的22.4%，多年平均径流量104.7亿m3，占嫩江流域的45.7%。水库正常蓄水位216.00m，设计洪水位218.15m，校核洪水位219.90m，汛限水位213.37m，总库容86.1亿m3。该工程以防洪、城镇供水为主。

2013年6月至8月嫩江流域连续出现强降雨天气，嫩江干流及其主要支流先后发生大洪水［1］。7月27日8时，尼尔基水库水位上涨至214.08m，超汛限水位0.71m，27日14时水库开始泄洪，出库流量1600m3/s，到8月12日14时，库水位已达到215.73m，最大入库流量达9440m3/s，超50年一遇洪水标准，出库流量增大到5500m3/s。与此同时，水库以下的诺敏河、阿伦河、讷谟尔河、乌裕尔河、雅鲁河及绰尔河等支流也相继在8月13日至15日发生15～30年一遇大洪水，经与水库下泄流量组合后，致使干流中下游江段全线发生20年一遇大洪水。

同盟水文站8月14日3时出现最高水文170.40m，洪峰流量8760m3/s；8月16日8时富拉尔基水文站出现最高水文145.79m，洪峰流量8450m3/s。

2 洪水特点

2.1 高水位持续时间长

当水库上游发生大洪水时，由于水库的调控作用，其入库洪水过程线与出库泄水过程线具有如下关系［2］：

式中 Q入、Q泄分别为入库及出库的最大洪峰流量（m3/s）；、分别为与入库及出库洪水平均流量相对应的时段长（h）。

由于水库下泄洪水过程的平缓及总历时的延长，因此当水库下游支流洪水与下泄流量过程组合后将使下游干流洪水的高水位持续时间增长，或出现高水位情况下的多峰现象。

Q～△T2013，1998，1988年洪水关系曲线，如图1。

图1 2013，1998，1988年洪水Q～△T关系曲线

图1为齐齐哈尔水位站1988［3］，1998［4］，2013年3次大洪水的实测洪水流量过程线。其中2013年洪水（相当于20年一遇）出现最高水位（148.65～148.68m）的时间为8月15日11时至17日5时，持续时间达42h，分别为本站1998年（大于100年一遇，高水位149.27～149.30m）和1988年（小于20年一遇，高水位148.45～148.48m）大洪水高水位持续时间的1.7和5.3倍。究其原因主要是尼尔基水库泄水自2013年8月12日10时至19日12时一直维持在5500m3/s左右，使水库下游干流河道保持了比较稳定的高水位过程，而在水库至齐齐哈尔水位站之间的诺敏河古城子水文站、讷谟尔河讷河水位站、阿伦河那吉水文站分别在8月13日13时、14日9时、13日2时出现洪峰流量，这些支流洪峰与干流洪水（水库泄水）构成了小错峰叠加组合，从而形成了齐齐哈尔水位站高水位持续时间长这一显著特点。同理可见，当上述各支流洪水洪峰出现的相隔时间较大时，下游齐齐哈尔水位站将发生高水位情况下的多峰洪水。

2.2 水位流量关系复杂

2.2.1 曲线类型变化突出

在河道洪水的涨落过程中，对于同一个过水断面，由于洪水涨落时的水面比降不同，即涨水时的水面比降i大于同水位稳定流情况下的水面比降i0，落水时的水面比降i′小于同水位稳定流情况下的水面比降i0，因此，当涨水与落水为同一个流量级时，对应于落水时的水位大于涨水时的水位，体现在水位流量关系的特征即为逆时针的绳套形曲线。

图2为富拉尔基站上游无水库调节情况下1988年大洪水的水位流量关系曲线，呈逆时针绳套形。

图2 1988年洪水Q～H关系曲线

当干流上游为水库泄洪时，由于较高的库水位使泄入下游的水体具有较大的势能，虽经消能工程可以消除大部分能量，但所剩余能仍将对下游河道水势产生较大影响。因此，在水库下游河道一定区段内，河道的水位流量关系将随之发生变化。

由于河道水流运动属三维非恒定流问题，为简化分析过程，假定在一定区段内，其水流过程符合恒定渐变流条件，采用能量法进行分析，其基本方程为［5］：

式中 H、h分别为水库大坝上、下游断面的水位（m）；α1、α2分别为水库大坝上、下游断面的动能修正系数；v1、v2分别为水库大坝上、下游断面的平均流速（m/s）；Ej、Ey分别为水库大坝上、下游断面之间的局部及沿程能量损失（m）。

在式（2）中，应v1一般较小，可近似取为≈0，经整理可得，库下游河道断面的总有效能量E为：

式（3）中的H一般与水库的汛期调度有关，通常情况下，在水库下泄流量Q泄增大期间，库水位H或缓慢上升或保持不变，而当下泄流量逐渐减小时，H或保持不变或小幅回落。

图3 尼尔基水库2013年Q～△TH～△T关系曲线

图3为尼尔基水库2013年大洪水期间的Q泄～△T及H～△T关系曲线（△T为泄水过程时段）。在Q泄～△T关系曲线上分别选取Q泄涨=Q泄落（Q泄涨，Q泄落分别为Q泄～△T曲线上加大和减小泄水时段内的流量，m3/s），并分别查得与Q泄涨及Q泄落相对应的库水位H1和H2，因H1h2（h1、h2分别为与Q泄涨及Q泄落相对应的下游河道断面过水水深，m），体现在水位流量关系曲线图形即为顺时针的绳套型曲线。

当水库的下泄流量较小时，尽管当Q泄涨=Q泄落时有可能存在H2>H1，但由于下泄流量占下游河道总流量的比例较小（支流汇入流量相对较大），下泄水体的有效剩余能量E较小，仅对水库下游有限范围内河道的水面比降产生影响，对距离水库较远的齐齐哈尔水文站的过水断面已无影响，其水位流量关系已基本恢复自然形态，即曲线图形由上部的顺时针逐步过渡到常态的逆时针绳套型曲线。

2.2.2 曲线整体上移明显

由式（2）～（3）可见，由于水库下泄水体经消能工消能后剩余能量的作用，在同一流量情况下，库下河段水流总水头将大于无水库泄流自然流态情况下的总水头。表1为嫩江干流中下游相关水文站在有尼尔基水库调控（2013年洪水）及无水库调控（1988、1998年洪水）情况下的同流量水位比较成果。

表1 1988，1998，2013年洪水同流量水位比较单位：m

由表1可见，在同流量级情况下，尼尔基水库调控的2013年嫩干中下游洪水水位较无水库调控的1998及1988年洪水水位分别高0.09～0.19m，并且其差值越向下游越小。

2.3 河道冲淤变化加剧

由于上游水库调控较大程度地改变了自然河道的行洪流态，下泄水体的残余能量及相对较小的含沙量，将使水库下游河道形成比较明显的冲刷及落淤段。冲刷段主要为靠近水库流速较大的局部河段，而落淤段主要位于冲刷段下游的较长河段。根据汛后对尼尔基水库下游局部河段的选点实测，在水库下游70km范围内具有明显的冲刷痕迹，其中河滩地的冲刷深度在0.05～0.1m之间，主槽的冲刷深度在0.1～0.4m之间。自水库下70km至江桥水文站长240km的河段内具有明显的落淤情况，其中河滩地的落淤厚度在0.01～0.03m之间，主槽除个别河段存在局部冲刷外，大部分河段滩地以落淤为主，落淤厚度在0.05～0.2m之间。

由冲刷河段冲起的泥沙主要通过推移质和悬移质随水体流向下游，推移质主要为粉细沙，多沉积在冲刷段下游河道滩地低流速区的坑塘内。而悬移质则按粒径的大小由上游至下游有规律地分布于落淤河段，其落淤的主要区域为河滩地的外侧。