昆明城市防洪联合调度研究

张玉蓉，张天力,2，金 栋，陈 刚,3，顾世祥，李科国

(1.云南省水利水电勘测设计研究院，昆明 650021；2.武汉大学水利水电学院，武汉 430072；3.河海大学水文水资源学院，南京 210098)

1 概 述

随着我国城市化战略的逐步实施，我国的城镇化水平越来越高，城市在社会经济发展过程中的地位和作用也日益提高。然而城市化过程中增加了人类与环境之间的相互作用，改变了城市水循环过程，导致径流系数和径流量增加、极端降雨事件增多、城市暴雨洪涝风险增大[1,2]。这使得城市防洪减灾建设的任务显得越来越重要，保障城市防洪安全的要求也越来越高。

在诸多的防洪设施中，水库的削峰调洪起着十分重要的作用。20世纪60年代以来，我国开展了对单一水库的优化调度研究[3,4]。随着我国水利建设和投入的增加，由水库群、蓄滞洪区、湖泊以及各种防洪工程措施组成的复杂防洪体系联合防洪优化调度已成为我国各大流域防洪研究的重点并进行了大量深入的研究。贾本有[5]建立了复杂防洪系统多目标梯阶优化调度模型，并在淮河中游进行了应用。结果表明，模型有利于降低水库安全度指标，削减洪峰流量，减少洪灾损失。李玮[6]根据自身提出的SADCM模型在清江梯级水库的应用表明，在不降低原有的防洪标准的前提下，不同年的综合效益和洪水资源利用率都有一定的提高。谢柳青[7]以澧水流域防洪系统联合调度为背景，建立了基于河道洪水演进方程与多目标离散微分动态规划的水库群防洪系统多目标优化调度模型，经计算分析，结果满意。通过区域联合调度对提高流域防洪能力及综合效益有着显著作用。

昆明是云南省政治、经济、文化中心和交通枢纽，现有城市人口316万人，地区生产总值达到1 682亿元。主要泄洪通道为盘龙江，随着主城区的扩张，压缩了河道行洪空间，原规划的北部油管桥-霖雨桥之间盘龙江两岸的蓄滞洪区已被城市建设所占用，城区不透水面积增大导致区域调蓄雨洪的能力大幅度降低。牛栏江-滇池补水工程建成后，盘龙江在承泄本区洪水的同时，又作为入湖通道输送外流域调来的湖泊生态补水量。加之近年来滇池提高汛限水位运行后，对河道的顶托也影响了盘龙江等入湖河流的行洪能力，这些都加剧了昆明城市防洪风险。面对目前昆明市极为严峻的防洪形势，通过进一步大规模加高堤防或扩宽主要泄洪通道盘龙江河道，以提高昆明主城区防洪能力已不现实。因此，本文旨在现有防洪工程基础上，采用水力学模型，通过防洪联合调度分析，制定有效的防洪调度运行原则和实时调度方案，减缓城市防洪压力。也可为其他类似城市的防洪减灾工作提供一定的参考和借鉴作用。

2 研究区域概况

盘龙江上游建有松华坝大型水库，具有较高的洪水调节能力。距松华坝下游2.2 km处有牛栏江-滇池补水工程出口瀑布，借盘龙江河道输水到滇池。松华坝水库以下至滇池的盘龙江干流长26.5 km，比降为0.099%。滇池被隔堤分为内外相连的草海和外海，有海口河和西园隧洞两个出口，分别经海口河、沙河于安宁城区的螳螂川汇合。区域河湖及工程关系如图1所示。其中，松华坝水库防洪限制水位1 964.5 m，防洪高水位1 971.3 m，调洪库容1.31亿m3；牛栏江-滇池补水工程的设计引水流量23 m3/s，多年平均向滇池补水5.72 m3；滇池汛限水位1 887.2 m，正常高水位1 887.5 m(与20年一遇洪水位齐平)，调节湖容积5.7亿m3；海口河整治后设计安全过流量为140 m3/s，西园隧洞最大泄流量40 m3/s。

图1 区域河湖及工程关系图

3 防洪联合调度

3.1 联合调度的基本准则

盘龙江除了承泄本流域的来水，还是牛栏江-滇池补水工程的入湖通道。松华坝水库调洪及牛栏江-滇池补水工程引水都要以盘龙江过流能力和警戒水位为基础，在满足自身安全前提下控制下泄及补水流量。滇池的洪水调节，应减轻上游盘龙江和昆明主城区的防洪压力，兼顾对下游的防洪安全。因此，根据流域内工程现状及防洪问题，以河道现状过流能力为基础，把盘龙江的警戒水位、松华坝水库水位及滇池水位作为主要的控制性指标，在确保昆明主城区的防洪安全前提下，以调度为手段，充分发挥各工程的联合效益，以此确定联合调度技术路线如图2。

由图2可知，昆明主城的防洪调度规则可归纳为“拦-停-蓄-分”4个方面。当流域发生洪水时，根据洪水预报及盘龙江实测水位信息，来水量大于盘龙江实际过流能力时，松华坝尽量拦蓄水库上游洪水，减轻城市防洪压力；但库水位超过防洪高水位后，为确保大坝安全，下泄流量不受限制，即“拦”。牛栏江应立即停止补水，即“停”。滇池汇集调蓄流域来水量，按海口河设计过流能力向下游泄洪，即“蓄”。当滇池水位超过汛限水位时，打开海埂闸，由西园隧洞分泄部分洪量，滇池水位超过防洪高水位时，加大海口河泄量，排入螳螂川，即“分”。多措并举，尽量保证主城安全。

3.2 水力学模型的建立

水库、湖泊的洪水调节可以采用如下的基本方程：

(1)

式中：It和It+1为t时段初、末入库流量，m3/s；Vt为t时段初水库的蓄水量，m3；Qt为t时段初水库泄流量，m3/s；Vt+1为t时段末水库的蓄水量，m3；Qt+1为t时段末水库的泄流量，m3/s；Δt表示时段长。

该式以槽蓄方程代替水动力方程，能够反应在洪水传播过程中水库及湖泊水位流量的变化过程。

河道中洪水演进采用一维圣维南方程：

连续性方程：

(2)

运动方程：

(3)

式中：x为流程，m；Q为流量，m3/s；Z为水位,m；g为重力加速度,m/s2；B为河宽,m；ql为侧向单位长度注入流量,m3/s；A为过水断面面积,m2；R为断面水力半径,m；β为动能修正系数；n为糙率系数。

图2 昆明城市防洪联合调度线路图

3.3 洪水调度分析

3.3.1滇池

与外海相比，草海的洪水调蓄能力相对有限，本文在此主要分析外海的洪水调节过程。作为昆明主城主要的承泄区，滇池外海的排洪通道有两个，即海口河和西园隧洞，草海运行水位均低于外海运行水位，外海发生洪水时可将水域分隔的节制闸打开，由西园隧洞分担一部分泄洪流量。

鉴于滇池调蓄能力较强，重点分析发生20年一遇、50年一遇和100年一遇三种情形。采用水量平衡法对洪水进行还原，并根据典型年推求出的外海不同频率下的入湖洪水如图3所示。设计洪水过程为30个时段，时段长为1 d，包含了流域发生洪水的各种组合。随着滇池水污染防治措施的推进，滇池已从过去的调蓄供水水源转变成需进行生态修复补水的用水对象，其蓄泄过程应满足恢复生态系统的水生植物多样性的要求[9]。洪水调节中滇池的起调水位采取2013年新修订《云南省滇池保护条例》规定的汛限水位1 887.2 m，洪水调节的水位、流量过程如图3。当遭遇20年一遇洪水时，滇池外海最高洪水位为1 887.50 m，对应下泄流量171 m3/s，其中海口河下泄140 m3/s，西园隧洞下泄31 m3/s，满足滇池相应的防洪标准。而当流域发生50年一遇及以上洪水时，最高洪水位超过正常高水位，海口河的下泄流量均大于其过流能力，对下游城市的防洪安全构成一定威胁。

值得注意的是，随着昆明污水处理厂尾水外排工程的建成，主城大部分污水处理厂的尾水借道西园隧洞直接排往下游。螳螂川安宁市区已有堤防是以滇池原最大下泄能力为130 m3/s设计(即海口河90 m3/s，西园隧洞40 m3/s)，伴随主要重化工业逐渐向安宁聚集、城市规模扩大及水文情势的变化，安宁市的防洪标准应提到50年一遇，但城区河堤远达不到设防标准。这种势必造成滇池洪水调度存在对昆明、安宁两座城市防洪安全的“泄”、“淹”矛盾。应采取必要的工程措施适当提高下游防洪标准，并做好防护措施，以减轻主城防洪风险，统筹协调好滇池上下游地区的行洪安全。

图3 不同洪水频率下滇池外海洪水调节的流量及洪水位过程线

3.3.2盘龙江

20世纪70年代，盘龙江上游段周边原有大片农田，在对松华坝水库扩建至现规模时论证认为，将其作为昆明主城防洪的蓄滞洪区，在盘龙江发生超标洪水时，起到蓄洪削峰的作用，加上松华坝水库拦蓄调节和盘龙江宣泄，使得昆明城区达到100年一遇的防洪标准。但随着昆明城区向北扩建，原有蓄滞洪区被征作城市建设用地，加之盘龙江现状堤防的过流能力受多年来市政道路、桥梁等跨河建筑物的建设，不断挤占河道的行洪空间，局部河道的泄流能力受桥墩阻水影响大幅度降低，已达不到原有的百年一遇设计标准。城区防洪主要依靠松华坝水库的调洪能力。据2013年“7·19”暴雨资料，期间松华坝水库未下泄流量，洪水主要来自区间径流。本节分析主要考虑区间径流量。

根据松华坝出口-滇池入口区间的入汇口、阻水建筑及分水闸等控制断面，将大区间划分为8个小的区间，根据典型年对还原的洪水依次计算各区间不同频率设计流量过程。根据实测断面资料，计算分析各区间提防的安全泄流(水面距堤顶0.5 m时的过流量)，并与区间阻水桥梁的过流能力进行对比，进而得出各区间的最小过流控制断面及区间河段的安全泄流，复核分析计算成果见表1。

表1 盘龙江各河段安全泄量复核成果表

由表1可知，松华坝出口-滇池入口区间的最小过流断面为日新桥，只能宣泄95 m3/s的水量。通过将各区间安全泄流与区间各频率设计流量对比可知，小于P=3.33%设计洪峰流量的区间河段包括昆明水文站-双龙桥、双龙桥-日新桥、日新桥-广福路桥和广福路桥-盘龙江出口4个。双龙桥处建有分洪闸，设计分洪流量为15 m3/s。通过分洪作用，可使盘龙江松华坝出口-滇池入口区间30年一遇洪水安全下泄。但远达不到100年一遇的防洪标准。当松华坝出口-滇池入口区间遭遇超标洪水，即使松华坝不泄流，昆明主城也存在漫堤风险，应采取其他措施来减缓主城的防洪压力。后面将对其提供一些参考建议。

根据松华坝出口-滇池入口区间最小安全泄量和滇池水位可算出区间水面线，从而得到盘龙江的警戒水位。由于区间只有一个昆明水文站，因此以计算得到的昆明水文站水位作为警戒水位能满足警戒水位的观测和管理要求，并符合盘龙江的实际情况。其中，滇池水位是由盘龙江洪水与其他洪水决定的，本应考虑盘龙江设计、其他入湖河道相应和盘龙江相应、其他入湖河道设计两种情形。然而根据滇池的调洪计算成果，滇池流域发生20年一遇洪水时，滇池最高洪水位与滇池的正常蓄水位一致为1 887.50 m。加之盘龙江洪水对整个滇池水位影响较小，滇池的汛限水位与正常水位变化不大，昆明水文站距入湖口相对较远以致滇池水位变化影响不明显等因素，综合考虑选取1 887.50 m作为滇池起调水位。综上，确定出的盘龙江昆明站警戒水位为1 891.0 m。

3.3.3松华坝水库

松华坝水库的功能是以昆明市城市防洪、供水为主。为分析库水位对大坝安全及下游防洪安全的影响，拟定了两种洪水组合方案，即水库相应、盘龙江区间设计和水库设计、盘龙江区间相应。区间相应洪量为昆明站设计洪量减松华坝站设计洪量，松华坝相应洪量为昆明站设计洪量减区间设计洪量。水库采取控制下泄流量与下游区间洪水组合后不大于河道安全泄量的补偿凑泄方式。库水位超过防洪高水位后，为了大坝安全，水库下泄流量不受限制。采用设计的汛限水位1 964.5 m作为防洪起调水位，对不同频率洪水进行了分析计算，参见表2。

在P=3.33%及以下频率时，方案(一)下的区间洪峰要比方案(二)下同频率的区间洪峰大，在确保昆明站安全泄量的前提下，方案(一)的水库下泄流量要比方案(二)小，使得方案(一)下的库水位较方案(二)高。表明方案(一)下剩余的防洪库容比方案(二)小，对下游防洪更为不利，为调度优先考虑方案，这是由松华坝水库的调节能力及盘龙江区间的泄流能力所决定。在P=2%及以上时，以1 964.5 m起调，两方案的库水位均已超过防洪高水位1 971.3 m，区间洪水与水库下泄量之和高于昆明站安全泄量。为此，进一步比较不同的起调水位对方案(一)下的洪水位变化，以研究松华坝水库在不泄流的情况下最高水位值，见表3。

表2 松华坝水库洪水调节成果表

表3 松华坝水库不同起调水位的洪水调节成果表

从表3可出，在P=2%、P=1%时，松华坝不泄流的条件下，以防洪限制水位1 964.5 m进行起调，松华坝最高库水位超过防洪高水位1 971.3m，危及大坝安全；而以水位1 962.5和1 960.5 m起调，最高库水位低于防洪高水位。这种情况下，虽然区间洪峰已大于安全泄流，但通过降低库水位运行对减轻主城洪灾损失具有一定意义的。在P=3.33%时，松华坝不泄流的条件下，不论是以1 964.5或者1 962.5还是1 960.5 m起调，最高库水位都不超过防洪高水位，且区间洪水能有效下泄。

3.3.4调度方案的确定及应对措施

通过上述洪水调节分析，结合昆明主城“拦-停-蓄-分”调度原则，可确定如下的调度方案。

(1)根据洪水预报成果，当滇池流域未发生洪水时，松华坝水库、牛栏江-滇池补水工程、盘龙江、滇池按照正常兴利调度方式运行。

(2)当流域发生洪水时，牛栏江-滇池补水工程停止补水；松华坝水库拦蓄上游洪水，以盘龙江水位不超过警戒水位1 891.0 m控制水库的下泄水量；滇池水位维持在1 887.2 m运行，当水位突破1 887.2 m，滇池转为防洪调度，开启节制闸、海口闸和西园隧洞，加大泄洪，维持滇池水位回落至1 887.2 m。

(3)当盘龙江水位超过警戒水位时，松华坝水库不下泄水量，壅高库区水位，尽力拦蓄上游水量，减轻主城的防洪压力；并根据上游区间洪水预报，当发生30年一遇及以下洪水时，松华坝采用设计汛限水位1 964.5 m进行调节；当发生50年一遇或100年一遇洪水时，采用水位1 962.5 m进行调节，以减轻下游洪灾损失；当昆明站水位回落至警戒水位以下时，松华坝水库恢复下泄，在保证昆明水文站水位不超过警戒水位1 891.0 m前提下，下泄水量降低松华坝库区水位。

(4)滇池水位将壅高至1 887.5 m以上，为保证主城区的防洪安全应尽力加大海口闸的泄流量，使滇池水位尽快下降至1 887.5 m以下；当水位下降至1887.5m以下时，调节海口闸的泄流量，使水位均匀回落至1 887.2 m，减轻安宁市的防洪压力。

此调度方案是在综合考虑各水源工程情况和明确的警戒指标下，基于洪水预报及昆明站实时水位，以尽可能减免洪灾损失为目的而得出的，使得在现状防洪能力范围内，尽量保障昆明主城的防洪安全。

但同样由洪水调节分析可知，盘龙江只能宣泄松华坝-昆明站的区间30年一遇洪水，远达不到100年一遇标准。通过加高提防、拓宽河道或者恢复北区的蓄滞洪区已不可能。盘龙江作为入滇池的主要河道之一，其周边有西白沙河、金汁江、东白沙河和宝象河等入滇河流，必须采用分洪工程将盘龙江水提向金汁江或其他河道，以减轻主城防洪压力和提高防洪标准。鉴于草海自身调蓄能力、西园隧洞分流能力及尾水外排等因素，西白沙河不宜作为分洪对象。只能向东边的金汁江分洪，但金汁河已作为昆明北部两个污水处理厂尾水外排的通道，且还是昆明市东部世博园一带坡面径流(雨水)的截流沟，因此要结合金汁江现有过流能力、汇流面积及现有防洪保护对象，进一步研究是否需要继续向东白沙河、宝象河分洪，以及具体的分洪工程位置、流量、规模、建筑物形式等。滇池只能满足20年一遇防洪标准，对于超标洪水，只有提高下游安宁城区段河道防洪标准，增加滇池泄流能力，减轻长期高水位对盘龙江等入湖河道的顶托作用。

除了上述工程措施之外，应做好风险防范措施，排查阻水河段及险工河段，做好城市排水管网的疏通、养护工作。应加强水文气象观测和预报工作，建立预警预报决策系统。健全滇池流域洪涝灾害的社会预警和应急制度，明确各类预案群众响应机制，增强全社会应对洪涝灾害和风险的能力。

4 结 语

受城市扩张及不透水地面增加、蓄滞洪区侵占、河道缩窄等因素影响，滇池及其上下游的昆明、安宁等城市防洪形势极为严峻。依据水力学模型对流域不同量级区间洪水组合、洪水调节等分析认为：盘龙江昆明城区的现状安全泄量为99 m3/s，松华坝以上区间发生100年一遇标准洪水时，水库在不泄洪的情况下通过降低汛限水位2 m确保大坝安全。盘龙江只能宣泄松华坝-昆明站的区间30年一遇洪水，远不能满足城市防洪安全要求。滇池通过海口河泄流及向西园隧洞分洪，能满足滇池20年一遇的防洪标准。在此基础上制定的联合调度方案，充分发挥各工程的综合效益，减轻了昆明主城区的防洪压力。建议尽快开展盘龙江向金汁河等昆明市区东部主要河流分洪、整治安宁城区螳螂川河道等专题研究及工程方案实施，使昆明、安宁两座城市达到规定的安全设防标准。

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