梯级水库对下游城市防洪的影响分析

陈好山，聂池祥，王 毅

（湖北省恩施州水文水资源勘测局，湖北 恩施 445000）

0 引言

忠建河为清江中游右岸的最大支流，发源于咸丰县柿子坪，自西南向东北在龙坪村入宣恩县境内，流经宣恩县晓关乡桐子营村、珠山镇、万寨乡等地，于龟山河上游的石心河注入清江，干流全长120 km，流域面积1656 km2，总落差424 m。

忠建河属典型山区性河流，其上游山高坡陡，汇流快，沿途有多条河流汇入，稍遇大暴雨，忠建河及支流河水就会猛涨,洪水峰高量大。由于宣恩县城珠山镇上游干流先后兴建了桐子营、龙洞水库电站，该梯级水利枢纽工程的建设改变了自然状况和下垫面水力条件，加之下游宣恩县城区自身防洪能力不足，一旦水库调度失败将对下游宣恩县城市防洪带来灾难性后果。

1 概况

桐子营水库电站位于宣恩县晓关乡桐子营村，距宣恩县城20km，流域面积503km2，正常蓄水位618.00m，总库容7730万m3，兴利库容5446万m3。龙洞水库电站位于宣恩县城上游（距宣恩水文站1.5km）桐子营水库电站下游，流域面积735km2，正常蓄水位550.00m，总库容6823万m3，防洪库容1658万m3。忠建河流域水系见图1，桐子营、龙洞水利枢纽工程特征值见表1。

图1 忠建河流域水系及水利工程示意图

表1 桐子营、龙洞水利枢纽工程特征值表

2 防洪能力分析

2.1 设计洪水

2.1.1 由流量资料推求

龙洞水库坝址位于宣恩水文站上游约1.5 km处，流域面积相差0.7%，且之间无支流汇入，因此龙洞水库坝址设计洪水成果可直接移用宣恩水文站实测流量资料推求。

宣恩水文站建于1958年5月，位于宣恩县城珠山镇上湖塘，控制流域面积740 km2。城区河段自1994年开始疏浚治理，行洪断面及过洪能力均发生了较大变化。为保证水文资料的一致性，采用1959年～1992年龙洞水库建库前（1993年5月下闸蓄水）宣恩水文站33年实测流量资料系列进行设计洪水计算。经查阅《中华人民共和国水文年鉴》，1983年为实测第1位洪水，加入历史调查洪水后其经验频率采用P-Ⅲ型适线，计算成果见表2。

2.1.2 由暴雨资料推求

选用流域内咸丰、龙坪、桐子营、晓关、宣恩等5站的短历时（包括1 h、6 h、24 h）降水量资料，采用中值法计算设计暴雨。产流过程通过扣损法求得，净雨过程由设计面雨量扣去初损和稳损求得。忠建河流域属湖北省第十水文分区，按第十水文分区综合汇流参数计算水库设计洪水（不考虑天坑影响）。第十水文分区汇流参数m1和n值公式m1=0.8F0.3L0.1J-0.06、n=0.69F0.224J0.092计算。该流域内有一定的溶岩，根据湖北省暴雨径流查算图表说明，不对汇流参数m1作非线性改正。地面径流由所求汇流参数n、k，按瞬时单位线法计算无因次单位线并转换为时段单位线配以相应的设计净雨过程，推求地面径流过程。地下径流由下列经验公式计算：t≤T 时：Qt＝Q0＋（Qg－Q0）t/T；t＞T时：Qt＝Qg·e－β（t－T），将地面径流过程与地下径流过程叠加即可得出设计洪水过程，由瞬时单位线法计算的设计频率洪峰流量成果见表2。

表2 龙洞水库坝址设计洪水成果表

2.1.3 设计洪水过程线

本次龙洞水库坝址设计洪水复核方法中，流量资料途径主要是延长系列和对实测系列的特大值处理作了修正，暴雨资料途径主要是采用实测短历时降水量资料和湖北省暴雨径流查算图表推荐的瞬时单位线法计算。从上表可知，本次复核成果均小于原初设成果，但均与原初设成果很接近，从偏安全考虑，本次设计频率洪峰流量值仍采用原初设成果。

通过对宣恩站历年实测最大洪水过程的统计分析（以单峰型为主），选取接近设计频率、峰高量大，对防洪不利的1983年洪水为典型，按峰量同频率缩放推算出龙洞水库设计洪水过程线，结果见图2。

图2 龙洞水库设计洪水过程线图

2.2 设计洪水水面线

宣恩城区干流河段（龙洞电站坝下～三河沟汇河口）长约7 km，本文选取18个断面进行评价分析，按天然河道恒定非均匀流伯努利能量方程,采用迭代法由三河沟大桥上游19 m处为起算断面，计算出城区干流河段左岸各断面各种频率设计洪水水面线，见图3。

式中：ζ为局部损失系数；α为扩散系数(V上＞V下取0.5,V上＜V下取 0)；n为糙率系数；K 为输水系数；hf为摩阻损失，hf=（υ2上/2g-υ2下/2g）L/2；he为扩散损失，he=α（υ2上/2g-υ2下/2g）。

图3 宣恩城区忠建河干流河段典型断面各种频率洪水水面线图

根据《城市防洪工程设计规范》(CJ50-92)对城市等别、防洪标准、堤防工程级别及安全超高的规定，宣恩县城为四等城市，为保证宣恩县城区安全，堤防超高应为0.50 m，故宣恩县城区干流河段安全流量为1400 m3/s，相当于20年一遇洪水标准。

2.3 梯级水库调洪演算分析

2.3.1 水库调度原则

桐子营、龙洞水库为上下游串联式梯级水库，功能单一且调洪库容小，区间汇流时间短，水库错峰能力差。上游水库宜采取预报预泄结合安全流量固定泄洪方式进行调度，以消减最大入库洪峰流量作为防洪调度判别指标，利用水库调蓄作用尽可能使水库放水均匀，使下泄流量最小化（达到最优削峰效果），以提升下游城区防洪能力，水库拦蓄尾水回蓄到防洪限制水位，不影响发电效益为原则。

2.3.2 桐子营水库调洪演算分析

桐子营水库预泄起调水位按615.00 m计算，调洪期间防洪限制水位为618.00 m，调洪库容为977万m3,按此控制条件进行调洪分析。采用调洪及预泄库容调度分析计算出桐子营水库设计洪水及最大下泄流量（表3）及桐子营水库设计洪水及预泄过程线（图4）。

图4 桐子营水库设计洪水及预泄过程线图

2.3.3 龙洞水库调洪演算分析

据龙洞水库特性，水库消减洪峰流量和延长泄洪时间及溢洪道泄洪量受到溢洪道水头的限制，而溢洪道水头又受到水库蓄洪量控制，水库蓄洪量的大小取决于入库和出库流量之差，龙洞水库调洪计算采用水量平衡公式：

龙洞水库按100年一遇设计，设计洪水位554.92 m，500年一遇校核设计，校核洪水位556.83 m，正常蓄水位与防洪限制水位一致（均为550.00 m），调节库容2442万m3，调洪库容1658万m3，为不完全年调节水库。当起调水位为550.00 m时对应下泄能力为1630 m3/s；当入库流量小于1630 m3/s，通过闸门调节下泄量；当入库流量大于1630 m3/s时，水库按下泄能力下泄；当泄流状况进入自由泄流情况下，泄流量与水库借助辅助线 q-（v/Δt+q/2）调洪演算。

龙洞水库在不同特征水位下进行调洪演算，采取限制流量的调洪方式试算出调洪中不超过水库设计洪水位、校核洪水位时的最低限制流量，成果见表4。

表4 龙洞水库各特征水位调洪演算成果表

2.3.4 梯级水库联调对下游防洪影响分析

经分析，当宣恩城区上游发生100年一遇的洪水时龙洞水库按设计洪水位控制最大下泄流量为1750 m3/s；当宣恩城区上游发生50年一遇的洪水时，龙洞水库按设计洪水位控制最大下泄流量为1460 m3/s。宣恩城区河段通过整治后，现状河道安全流量为1400 m3/s,上游梯级水库通过联调后宣恩城区防洪能力从10年一遇提升至30年一遇及以上，分析成果见表5及表6。

表5 宣恩城区忠建河干流河段典型断面各种频率洪水水面成果表

表6 梯级水库联调后宣恩城区防洪能力成果表

3 结语

宣恩县城区整体现状防洪能力偏低，不足5年一遇防洪标准，远远达不到国家规定的四等城市20年一遇防洪标准要求，尤其是部分区域防洪形势特别严峻。由于城区河段来水主要受桐子营水库、龙洞水库调节控制，虽然上游两座水库防洪库容不大，但通过水库群联合调度可将城区防洪能力从10年一遇标准提高至50年一遇标准，可有效提高宣恩城区防洪能力。针对当前防洪现状，为提高城区防洪能力减轻洪涝灾害实现人水和谐，需要进一步加快推进河道防洪工程治理、加大防洪宣传力度提高全民防洪减灾意识、加强流域水雨情自动测报系统建设、完善水情预报预警系统建设。