乐清市福溪水库防洪能力提升研究

董卫洪，李红仙，俞洪杰，黄 宏

(1.乐清市水利局，浙江 温州 325600；2.浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002)

乐清市地处我国东南沿海，属于亚热带季风气候，常年受到台风等自然灾害的威胁，洪涝灾害频发。同时，乐清市是中国市场经济发育最早、经济发展最具活力的地区之一，人口集中，经济发达。由于社会资源和财富逐渐集聚，乐清市因洪涝灾害造成的损失不断增加，应急管理难度逐步加大。水库作为调蓄河川径流最为有效的工程措施，在流域防洪减灾中具有不可替代的作用[1-3]。乐清市虽然已初步建成了流域防洪排涝工程体系，但仍不能满足经济社会高速发展的需求。随着水库建设高潮的结束，适宜的建库地形条件越来越少，新建水库不仅投资巨大，还面临众多社会环境因素制约，难度越来越大。与新建水库相比，进一步挖掘已建水库的防洪潜力，如增设泄洪设施、优化水库运行方式等，能够在减少投资的前提下有效提升水库防洪能力，对流域防洪具有重要意义。

鉴于此，本文以乐清市福溪水库为研究对象，在明确水库防洪能力短板的基础上，充分考虑库区、大坝自身及下游保护对象的防洪安全，从预泄预降、增设泄洪洞等角度深入挖掘水库防洪潜力，并提出建议措施，以期为水库防洪能力提升提供一定的技术支撑。

1 水库概况

福溪水库位于浙江省乐清市仙溪镇上游约5 km的大荆溪[4]支流福溪中游(见图1)，坝址集水面积39.17 km2，总库容2.27×107m3，是大荆溪流域重要的防洪骨干工程，保护着下游大荆镇和仙溪镇两个镇13万人口、1 000 hm2农田以及104国道、同三高速公路、甬台温铁路等基础设施。福溪水库始建于1959年，2008—2012年进行了除险加固，除险加固后工程总体规模不变(见表1)。

大荆溪流域大洪水基本为台风暴雨所致，洪峰流量大，破坏性强。但目前福溪水库受泄洪设施限制，防洪库容小，防洪能力十分有限，防洪能力亟需提升。

2 现状防洪能力分析

2.1 设计洪水

福溪水库设计洪水由暴雨资料推求[5]，上一阶段(除险加固工程初步设计阶段，简称加固初设阶段)设计洪水推求采用1961—2006年资料系列，本文将资料系列延长至2019年。根据最新资料系列，设计洪水计算成果见表2。

表2 福溪水库设计洪水成果表

与加固初设阶段成果相比，本文的设计洪水存在一定的增幅，这是补充考虑了2019年“利奇马”台风暴雨等大暴雨所引起的。通过资料系列延长，本文所得的设计洪水成果更贴近实际，也更为合理。

2.2 现状防洪条件

2.2.1 水位库容曲线

福溪水库位于北雁荡山景区，库区内植被较好，水库淤积程度较小，故采用原设计水位库容曲线(见图2)。

2.2.2 泄洪设施及泄流能力

福溪水库的泄洪设施主要包括溢洪道与一孔泄洪放空洞，调洪过程中不考虑发电机组下泄。溢洪道堰顶高程为228.31 m，净宽为38 m，无闸门控制，属于开敞式溢洪；泄洪放空洞孔口尺寸1.5 m×2.0 m(宽×高)，底槛高程为191.944 m，出口设一扇工作闸门，主要用于放空水库与预泄洪水。由于泄洪放空洞泄流能力较弱(正常蓄水位工况下泄流能力仅为40.40 m3/s)，故不参与水库调洪。在不考虑泄洪放空洞的情况下，福溪水库的泄流能力曲线见图3。

图3 福溪水库泄流能力曲线

2.2.3 调洪原则

根据《浙江省乐清市福溪水库除险加固工程初步设计报告》，确定福溪水库调洪原则为溢洪道不设闸门控制，水库起调水位228.31 m，水库水位超过正常蓄水位228.31 m时，溢洪道开始泄洪。

2.3 调洪演算原理

水库调洪演算采用静库容法[6,7]，假定库容与坝前水位成单值函数关系，忽略动力方程对调洪的影响，将圣维南偏微分方程组中的连续方程写成有限差形式的水量平衡方程式(1)，并建立水库下泄流量与水库蓄水量之间的关系，即蓄泄方程式(2)。采用试算法迭代求解以上方程，即可得到各时段末的坝前水位、蓄水量及下泄流量。根据上述原理，逐时段连续计算，即可完成整个洪水过程的调洪演算。

(1)

qt=f(Vt)

(2)

式中：Qt—时段初的入库流量，m3/s;

Qt+1—时段末的入库流量，m3/s；

qt—时段初的下泄流量，m3/s;

qt+1—时段末的下泄流量，m3/s；

Vt—时段初的水库蓄水量，m3;

Vt+1—时段末的水库蓄水量，m3；

ΔT—时段长度，s；

f(Vt)—水库下泄流量与水库蓄水量之间的关系函数。

2.4 现状防洪能力分析结果

在现状防洪条件下，对福溪水库进行设计洪水调洪演算，并将计算结果与加固初设阶段成果进行对比(见表3)。

表3 调洪演算成果表

由表3可得，由于设计洪水计算成果的变化，本文调洪所得的校核洪水位(P=0.05%)为234.91 m，较加固初设阶段增加了0.55 m；设计洪水位(P=1%)为233.32 m，较加固初设阶段增加了0.21 m。另外，防洪高水位(P=5%)为232.45 m，略高于移民水位232.30 m，存在增加淹没的风险。综上，受现状防洪条件限制以及变化气候影响，福溪水库已无法满足日益增长的防洪需求，防洪能力有待进一步提升。

3 防洪能力提升分析

3.1 预泄能力分析

福溪水库主要依靠泄洪放空洞进行洪水预泄，泄洪放空洞泄流能力按孔口泄流公式(3)计算。经过多年实测运行资料验证，该公式计算结果合理、可靠，可用于进一步分析。

(3)

式中：Qh—泄洪放空洞的泄洪流量，m3/s；

μ—孔口流量系数；

Ak—泄洪放空洞出口断面面积，m2；

HW—上游水面与泄洪放空洞出口底板顶的高程差，m；

hp—泄洪放空洞出口断面水流的平均单位势能，自由出流时为泄洪放空洞出口断面高度，淹没出流时为泄洪放空洞出口水深，m。

目前水库在汛期未发生洪水时控制水位低于汛限水位运行，根据水库现有泄洪设施及泄洪能力，推求了预降水位与预泄时间对应关系[8]。根据计算结果，水库自汛限水位为228.31 m预泄1 m、2 m、3 m时，分别需要6.5 h、12.7 h、19.0 h。而福溪水库暂无洪水预报，流域洪水汇流时间约为3 h，故实际预留给水库预泄的时间也只有3 h，其对应的预降水位仅0.46 m，预降幅度十分有限。

3.2 预降水位影响分析

为了研究预降水位对福溪水库防洪能力的提升效果，按照1 m为一档，计算起调水位在汛限水位基础上预降1～3 m时各频率洪水对应的水库最高调洪水位Zm及最大下泄流量Qm，计算结果见表4。

表4 预降水位调洪演算成果

福溪水库现状防洪库容412×104m3，水位预降1 m、2 m、3 m时，防洪库容分别增加94 万m3、185×104m3、276×104m3，增幅相当可观。然而，防洪库容的增加对防洪能力的提升效果并不明显。由表4可得，遭遇10年一遇及以上洪水时，预降1～3 m对于水库最高调洪水位以及最大下泄流量基本没有影响；遭遇5年一遇洪水时，水库最高调洪水位下降0.01～0.03 m，最大下泄流量减少1～6 m3/s。

究其原因可知，福溪水库缺乏下泄控制手段，且228.31 m以下没有泄洪能力，即使预降水位，前期起涨段洪水仍然会占用防洪库容，导致预留给洪水主峰的防洪库容不足，故预降水位对福溪水库的防洪能力提升基本没有作用。

3.3 增设泄洪洞影响分析

由上文分析可知，福溪水库防洪短板主要集中在泄洪设施上：(1)泄洪放空洞泄流能力弱，不能有效预降水位、腾出更多库容迎接洪水；(2)溢洪道堰顶高程为228.31 m，在该高程之下没有泄流能力，即使洪水来临前水库水位预降充分，前期起涨段洪水仍会占用防洪库容，导致水库有效防洪库容不足。在228.31 m以下增加泄流能力可有效弥补上述短板[9]。结合福溪水库实际情况，可将现有导流洞改造成泄洪洞，使其在225.31～228.31 m时能达到200 m3/s的泄流能力。

3.3.1 泄流能力提升分析

与3.1节类似，在增设泄洪洞(关闭现有泄洪放空洞)的条件下推求预降水位与预泄时间对应关系，计算结果(见图4)。增设泄洪洞后，水库水位从汛限水位预降1 m、2 m、3 m，用时仅需1.3 h、2.6 h、3.8 h，各用时约为原来的1/5。这有效提高了调度的灵活性，使得水库能够更好地应对突发暴雨等事件。

图4 预降水位与预泄时间关系图

3.3.2 防洪安全提升分析

以226.31 m作为起调水位，对增设泄洪洞前后各频率洪水对应的水库最高调洪水位及最大下泄流量进行计算，结果对比见表5。

表5 增设泄洪洞前后调洪成果对比

由表5可得，增设泄洪洞后，福溪水库遭遇各频率洪水，最高调洪水位下降0.83～1.88 m，对应的最大下泄流量减少20～103 m3/s，极大地降低了库区、下游保护对象的淹没风险以及大坝的防洪压力。另外，目前福溪水库下游河道防洪能力为10～20年一遇，局部不足10年一遇，增设泄洪洞增加了水库对洪水的削峰能力，提升了局部河道的防洪标准。

4 结 论

本文通过防洪需求和现状防洪能力分析，明确了福溪水库的防洪短板，并从预泄预降、增设泄洪洞等角度探寻防洪能力提升措施，得到以下结论：(1)由于经济社会发展及气候变化，福溪水库的现状防洪能力已无法满足需求，亟需进一步提升；(2)受现状泄洪能力限制，福溪水库预泄能力差，且预降水位对减轻防洪风险的效果并不明显，故不推荐预泄预降作为防洪能力提升的主要措施；(3)在汛限水位以下增设泄洪洞，增加水库的泄洪能力，能有效提高调度的灵活性，减轻库区、大坝自身以及下游保护对象的防洪风险，故建议其作为福溪水库防洪能力提升的主要措施。