红城县橡胶坝调度方案浅析

2022-04-18林一

海河水利 2022年2期

林一

（唐山市行政审批局，河北唐山 063000）

汤河是白河的一级支流，在红城县城附近汇入白河，属于潮白河水系白河流域。汤河自西由东、白河自北向南分别纵贯县城，是营造城区水生态环境的主动脉，也是红城县城区主要的洪水威胁。红城县汤河和白河共建有9 座橡胶坝，为充分利用雨洪资源，在不影响河道行洪的情况下，通过研究橡胶坝的合理调度方案，协调防洪与蓄水矛盾，降低蓄水带来的防洪风险。

1 设计洪水

设计洪水计算采用推理公式法和经验公式法，根据支流汇入情况分3段，即汤河设计洪水、汤河汇合以上白河设计洪水和汤河汇合以下白河设计洪水。

1.1 汤河设计洪水

汤河是白河的一级支流，在红城县城附近汇入白河，全长38.3 km，流域面积360 km2，平均比降11.43‰，上游建有小（1）型水库——汤泉水库，水库控制流域面积348 km2。

1.1.1 汤泉水库及洪水调度

汤泉水库位于红城县西北部4.5 km，系潮白河水系白河支流汤河上的一座以防洪、灌溉为主的小（1）型蓄水工程，总控制流域面积348 km2，总库容561.2 万m3，工程设计洪水标准为50 a 一遇、校核洪水标准为500 a 一遇。50 a 一遇的设计洪水位为123.9 m，最大泄量为 548 m3/s；500 a 一遇的校核洪水位为128.0 m，最大泄量为1 320 m3/s［1］。

汤泉水库起调水位为118.5 m，兴利水位为123 m，汛限水位为118.5 m。水库为年调节水库，当遇到较大洪水时可通过闸门控泄不大于326 m3/s的流量。

1.1.2 汤河设计洪水成果

汤河设计洪水按汤泉水库与区间同频率相加计算，考虑水库调蓄后的下泄过程与区间过程错时叠加，汤河洪峰流量为554 m3/s，其成果与流域规划相差不大，推荐采用流域规划成果，即治理河段20 a一遇洪峰流量为560 m3/s。

1.2 汤河汇合以上白河设计洪水

1.2.1 云州水库及洪水调度

云州水库位于红城县县城北部20 km 的云州镇白河上游，是一座以防洪、灌溉为主的大（2）型水库，建于1958 年，控制流域面积1 170 km2，总库容1.026 5 亿 m3，防洪库容 0.594 2 亿 m3。

云州水库汛限水位为1 029.7 m，洪水调度方案为：遇小于20 a一遇洪水与下游错峰前不泄，控制水位在1 029.7～1 032.7 m；错峰后控泄100 m3/s，水位控制在1 032.7～1 033.4 m。为保证红城县城的防洪安全，遇 20～100 a 一遇洪水，水库控泄300 m3/s，控制水位在1 033.4～1 035.5 m［2］。

1.2.2 汤河汇合以上白河设计洪水成果

云州水库至汤河汇合口以上区间流域面积357.8 km2，主河道长度46.2 km，河道纵坡10.69‰。水库与区间洪水错峰前不泄洪，该段只需计算云州水库至汤河汇合以上的区间洪水，与区间洪水错峰后控泄100 m3/s。汤河汇合口以上白河20 a 一遇洪峰流量为480 m3/s。

1.3 汤河汇合以下白河设计洪水

汤河汇合以下白河设计洪水根据汤河设计洪水和汤河汇合以上白河设计洪水同频率错时相加计算。其设计洪峰流量由白河汤河汇入前的洪水过程与汤河考虑水库调蓄后的洪水过程叠加得到，经计算其20 a一遇洪峰流量为840 m3/s。

2 橡胶坝调度方案分析

橡胶坝的调度运用对河道及两岸设施的防洪影响表现在2个方面：①腾空库容形成的人造洪峰，可能对县城及工程下游农田及其他设施产生影响。②洪水到来之前，未能及时塌坝县城将承担的风险。塌坝越快，对空库迎洪越有利，但对下游河道两岸农田和设施可能产生影响；塌坝越慢，宣泄橡胶坝蓄水产生的洪峰对下游影响越小，但会对县城防洪构成威胁。

2.1 红城县橡胶坝概况

红城县汤河有5 座橡胶坝，自下而上分别为汤1#、汤 2#、汤 3#、汤 4#、汤 5#橡胶坝，5 座橡胶坝总蓄水容积为18.07万m3。红城县白河有4座橡胶坝，自下而上分别为已建的白 1#、白 2#、白 3#、白 4#橡胶坝，4座橡胶坝总蓄水容积为59.74 万m3。9 座橡胶坝关系，如图1所示。

图1 红城县橡胶坝关系

2.2 橡胶坝安全条件

根据橡胶坝厂商提供的技术指标，在长期过流情况下，橡胶坝坝上安全溢流水深一般为0.2 m。短时间洪水不会造成橡胶坝袋发生振动，但长期溢流会造成磨损破裂，降低坝袋运行寿命，影响橡胶坝安全。因此，橡胶坝坝顶不宜长时间过流，但允许短时间洪水过流。

2.3 橡胶坝泄量能力和蓄水库容计算方法及条件

橡胶坝泄洪能力按堰顶出流考虑，未考虑楔形库容的影响，在非汛期泄流期间不考虑上游洪水汇入，在汛期按照设计洪水过程考虑上游洪水汇入。

根据《橡胶坝工程技术规范》（GB/T50979-2014），橡胶坝泄量能力可按堰流基本公式计算：

式中：Q为过坝流量（m3/s）；B为溢流断面的平均宽度（m）；h0为计入行进流速水头的堰顶水头（m）；m为流量系数；σ为淹没系数；ε为堰流侧收缩系数。

采用逐时段演进法计算橡胶坝连续塌坝过程。先确定橡胶坝塌坝时间和计算时段长等基本参数，再从第一时段开始逐时段计算坝袋塌落后坝高、蓄水库容、水深、堰上水头、坝泄流量。对于梯级橡胶坝，当上级橡胶坝泄流时，对下级橡胶坝泄流产生影响，使下级橡胶坝泄流量加大。相邻两级橡胶坝泄流过程，采用水量平衡原理，可通过上级橡胶坝泄流后增加下级橡胶坝库容的方法计算［3］。其计算公式如下：

式中：Vt为t时刻初橡胶坝蓄水库容（m3）；Vt-1为t-1时刻初橡胶坝蓄水库容（m3）；Qt为t时刻本级橡胶坝下泄流量（m3/s）为t-1 时刻上级橡胶坝下泄流量（m3/s）；Δt为时段长（s）。

2.4 橡胶坝塌坝形成的洪水过程及洪峰流量

塌坝分析将橡胶坝群看成串并联水库，进行联合调洪计算，由于橡胶坝沿程河段较短，不考虑橡胶坝之间的洪水传播时间。本次分析了同时塌坝、依次塌坝（逐个橡胶坝从下游至上游依次错时塌坝）等多种方案。根据机电设备能力和尽量缩短塌坝时间的要求，各橡胶坝塌坝时间取60 min。

汛期时，为保证县城防洪安全，拟定橡胶坝半库运行；由于汤河贯穿红城县城主城区，对县城防洪安全影响较大，所以分别对汤河、白河9座串并联橡胶坝进行满库和半库运行时泄量分析。为保证橡胶坝的安全和避免发生洪水漫溢，塌坝顺序必须按自下而上进行操作，且上游坝塌坝时间不应早于下游坝［4］。

2.4.1 满库运行时橡胶坝塌坝分析

对汤河5 座橡胶坝同时塌坝、依次塌坝方案进行泄流分析，形成不同工况下汇入白河的洪水成果；对汤河汇入前的白河3 座橡胶坝（2#、3#、4#）同时塌坝、依次滞后塌坝方案进行泄流分析，形成不同工况下的洪水成果；对汤河、白河9座橡胶坝进行同时塌坝、依次滞后塌坝方案和白河1#坝先塌坝其余8 坝同时塌坝方案进行泄流分析，形成不同工况下的下游洪水成果，详见表1。

通过表1 可以看出，同时塌坝情况产生的洪峰流量最大，随着各坝塌坝滞时的增加，由塌坝所形成的最大洪峰流量逐渐减小，空库历时则逐渐加长［4］。

汤河5 座橡胶坝依次塌坝滞时5 min 以内时洪峰流量相差不大，塌坝滞时10 min 时洪峰流量明显减小，下降比例接近30%；白河上游3 座橡胶坝依次塌坝滞时10 min 以内时洪峰流量相差不大，塌坝滞时20 min时洪峰流量略有减小，下降比例接近17%；9 座橡胶坝依次塌坝滞时10 min 时洪峰流量略有减小、下降比例接近17%，塌坝滞时20 min时洪峰流量减小较大、下降比例约43%。汤河5 座橡胶坝与白河4座橡胶坝对比，库容相对较小，但是橡胶坝塌坝滞时对下泄洪峰影响相对较大。

满坝情况下，同时塌坝形成洪峰流量最大，汤河入白河洪峰约为77.1 m3/s，白河汇入口以上所形成洪峰约102.0 m3/s，汇入口以下所形成洪峰约313.0 m3/s，均小于河道治理标准设计流量，因此不会对红城县城造成防洪威胁。白河汇入口以下5 a一遇、10 a一遇设计流量分别为317 、527 m3/s，因此橡胶坝塌坝形成的洪峰均小于白河下游村庄、农田标准设计流量。

根据满库运行时9 座橡胶坝同时塌坝和依次滞时5、10、20 min塌坝白河下游所形成的洪峰成果，绘制不同工况下橡胶坝塌坝所形成的洪峰过程线，如图2所示。

图2 不同工况下橡胶坝塌坝所形成的洪峰过程线

由图2 可以看出，橡胶坝同时塌坝和依次滞时5、10、20 min 所形成的最大洪峰分别出现在 0.67、0.84、0.99、0.93 h，最大流量分别为 313.0、296.7、260.4、177.5 m3/s。同时塌坝情况洪水过程历时最短约1.5 h，洪峰最大为313.0 m3/s；塌坝滞时越长，洪水过程历时越长，洪峰越小，同时塌坝与依次塌坝10 min以内，洪水过程历时与洪峰变化不显著；塌坝滞时20 min时，洪水过程历时与洪峰变化相对明显，塌坝洪水历时为2.5 h，洪峰减小较大，为177.5 m3/s。塌坝滞时长，洪水过程持续时间较长，洪水逐渐增大到峰值，过渡相对平稳。

2.4.2 半库运行时橡胶坝塌坝分析

分别对汤河5座橡胶坝、汤河汇入前的白河3座橡胶坝（2#、3#、4#）、汤河与白河9 座橡胶坝同时塌坝方案进行了泄流分析，结果详见表2。

表2 橡胶坝半库运行时同时塌坝调洪结果

通过表2 可以看出，橡胶坝半库运行时，同时塌坝所形成的最大洪峰流量汤河入白河为39.9 m3/s，汤河汇入前白河为47.6 m3/s，汤河汇入后白河橡胶坝下游为175.1 m3/s，不会对红城县城造成防洪威胁。

与满库运行时比较，塌坝历时缩短，形成洪峰流量减少较多，降低了蓄水带来的防洪风险，为汛期防洪安全提供了有力保障；并协调了防洪与水资源、景观的矛盾，基本维持了县城河道蓄水景观和生态环境。

2.5 暴雨洪水预警与塌坝洪水分析

2.5.1 半坝蓄水条件下的过流能力

汛期，当橡胶坝满蓄时，上游来水易发生溢岸。为保证城区防洪安全，并合理利用水资源，对汛期橡胶坝半库运行情况进行分析。

橡胶坝半库运行时，当洪水位达到设计洪水位时，汤河 5#、4#、3#、2#、1#橡胶坝过流能力分别为207.9、207.9、308.1 、290.5、207.9 m3/s，白河4#、3#、2#、1#橡胶坝过流能力分别为263、285、285、480 m3/s。

2.5.2 白河流域洪水预报

根据白河实际情况，云州水库20 a 一遇洪水不泄洪，白河洪水主要来自于水库以下区间。区间汇流面积小，暴雨产生的洪水到达橡胶坝时间短，无法实现实测暴雨预报，本次白河洪水预报采用气象暴雨预警方式。根据云州水库至橡胶坝区间降雨强度、降雨总量和持续时间，确定暴雨预警信号分为4级，分别以蓝色、黄色、橙色、红色表示。

当发布暴雨蓝色预警信号后，白河4 座橡胶坝塌坝至半坝；当发布暴雨黄色、橙色、红色预警信号后，白河4 座橡胶坝完全塌坝。由于没有确定的实测暴雨指标，为安全考虑，建议采取同时塌坝方式。

2.5.3 汤河流域洪水预报和分析

根据汤河流域降雨强度、降雨总量和持续时间，确定暴雨预警信号分为4 级，分别以蓝色、黄色、橙色、红色表示。当发布暴雨蓝色预警信号后，汤河5座橡胶坝塌坝高度1.7 m；当发布暴雨黄色、橙色、红色预警信号后，汤河5座橡胶坝完全塌坝。

为保证城区防洪安全，并合理利用水资源，对汛期橡胶坝半库运行、20 a 一遇设计洪水情况下的洪水预报与调度进行分析。

（1）汤河流域洪水预报。汤河流域橡胶坝上游建有水库，因此利用汤泉水库进行洪水预报。根据汤泉水库20 a 一遇调洪成果，可知最大泄量出现在6.77 h，相对于半库运行的橡胶坝塌坝历时0.5 h，是可提前预报的。结合橡胶坝半库运行时河道过流能力，确定当汤泉水库下泄流量达到100 m3/s 时发出预警，橡胶坝开始塌坝。当汤泉水库下泄流量达到100 m3/s时，此时水库水位为120.2 m。为方便管理，当汤泉水库水位达到120 m时，发出预警。

（2）汤河洪水与蓄水遭遇分析。分同时塌坝、依次塌坝2 种工况，分析汤河20 a 一遇设计洪水与橡胶坝蓄水遭遇情况。①同时塌坝工况：当汤泉水库水位达到120 m 时，发出预警，并实施汤河5 座橡胶坝同时塌坝，塌坝时间为0.5 h。汤泉水库距橡胶坝较近，不考虑洪水传播时间；汤泉水库下泄洪水与区间洪水叠加后汤河洪水流量达到159.9 m3/s，与橡胶坝下泄流量遭遇后，汤河1#橡胶坝处会发生2次洪峰：第一次出现在0.5 h，橡胶坝完全塌坝，河道总下泄流量为200 m3/s，由汤河洪水和橡胶坝下泄洪水组成；之后3.27 h出现设计洪峰，为汤河洪水，橡胶坝下泄洪水为0。②依次塌坝工况：当汤泉水库水位达到120 m时，发出预警，并实施汤河5座橡胶坝依次塌坝，塌坝滞时20 min，塌坝时间为1.83 h（110 min）。汤泉水库距橡胶坝较近，不考虑洪水传播时间；汤泉水库下泄洪水与区间洪水叠加后汤河洪水流量达到366.5 m3/s，与橡胶坝下泄流量遭遇后，汤河1#橡胶坝处会发生2 次洪峰：第一次出现在1.83 h，橡胶坝完全塌坝，河道总下泄流量为380 m3/s，由汤河洪水和橡胶坝下泄洪水组成；之后1.94 h出现设计洪峰，为汤河洪水，橡胶坝下泄洪水为0。经上述分析可知，同时塌坝与依次塌坝2种工况下汤河洪水与蓄水均没有遭遇，相比较同时塌坝工况下第一次洪峰出现时刻较早而且洪峰流量偏小，推荐同时塌坝方式。

（3）汤河、白河流域同频率设计洪水与塌坝洪水分析。为保证城区防洪安全，并合理利用水资源，分同时塌坝、依次塌坝2种工况，对汛期橡胶坝半库运行、白河与汤河洪水同频率发生、20 a一遇设计洪水的洪水预报与调度进行分析。①同时塌坝工况：当汤泉水库水位达到120 m时，发出预警，白河（汤河汇入口以上）3座橡胶坝同时塌坝，塌坝时间为0.5 h，此时白河上游河道总下泄流量为100 m3/s（白河区间52 m3/s）、汤河与白河洪水叠加洪峰流量达到211 m3/s、与橡胶坝下泄流量遭遇后白河1#橡胶坝处河道总下泄流量为300 m3/s；之后4.5 h出现设计洪峰，为白河洪水，橡胶坝下泄洪水为0。②依次塌坝工况：当汤泉水库水位达到120 m时，发出预警，白河5座橡胶坝依次塌坝，塌坝滞时20 min，塌坝时间1.83 h，此时白河上游3道坝与河道总下泄流量为130 m3/s（白河区间82.2 m3/s）、汤河与白河洪水叠加洪峰流量达到450 m3/s、与橡胶坝下泄流量遭遇后白河1#橡胶坝处河道总下泄流量为510 m3/s；之后3.17 h出现设计洪峰，为白河洪水，橡胶坝下泄洪水为0。经上述分析可知，同时塌坝与依次塌坝2种工况下，白河1#橡胶坝处上游洪水与蓄水均没有遭遇，相比较同时塌坝工况下第一次洪峰出现时刻较早而且洪峰流量偏小，推荐同时塌坝方式。

2.6 橡胶坝调度影响分析

2.6.1 非汛期

在满坝情况下，在橡胶坝同时塌坝、依次塌坝不同工况下，同时塌坝形成的泄流洪水最大，汤河入白河泄流洪水流量最大为77.1 m3/s，白河橡胶坝下游形成的泄流洪水流量最大为313.0 m3/s，泄流洪水小于河道行洪能力，不会对县城造成威胁。为使下泄洪水对下游造成的影响最小且没有时间限制，推荐白河1#橡胶坝先塌坝、其余8 坝依次塌坝方式，时间间隔越长所形成的下泄洪水越小。

2.6.2 汛期

（1）白河流域。白河流域根据发布的暴雨预警信号进行橡胶坝调度。当发布暴雨蓝色预警信号时，白河4座橡胶坝同时塌坝至半坝；当发布暴雨黄色、橙色、红色预警信号时，白河4 座橡胶坝同时塌坝直至完全塌坝。

（2）汤河流域。汤河流域根据发布的暴雨预警信号进行橡胶坝调度。当发布暴雨蓝色预警信号时，汤河5 座橡胶坝同时塌坝1.7 m；当发布暴雨黄色、橙色、红色预警信号时，汤河5 座橡胶坝同时塌坝直至完全塌坝。当发生20 a 一遇洪水时，在半库运行情况下，当汤泉水库水位达到120 m时发出预报，汤河5 座橡胶坝塌坝。汤河最下游1#橡胶坝完全塌坝时出现第一次洪峰为200 m3/s，由汤河洪水和橡胶坝下泄洪水组成；之后3.27 h出现第二次洪峰，为汤河设计洪水，橡胶坝下泄洪水为0。因此，在此种调度情况下，洪水主峰仍是汤河设计洪峰，汤河行洪能力满足要求，不会对红城县城防洪造成威胁。

（3）白河、汤河流域同频率。当发生20 a一遇洪水时，在半库运行情况下，当汤泉水库水位达到120 m时发出预报，9 座橡胶坝塌坝。同时塌坝白河最下游1#橡胶坝位置出现2 次洪峰，第一次洪峰时白河1#橡胶坝处洪峰为300 m3/s，第二次洪峰时为河道设计洪峰，此时橡胶坝无泄流。因此，在此种调度情况下，洪水主峰仍是汤河、白河洪水洪峰，汤河、白河行洪能力满足要求，不会对红城县城防洪造成威胁。

2.7 橡胶坝调度运用原则

橡胶坝的控制运用应由县水利局统一调度，并服从市防汛抗旱指挥部统一指挥，其控制运用原则如下。

（1）汛期应与上游水利等管理部门联系，根据气象和水文预报掌握水情，提前采取安全保护措施。

（2）橡胶坝塌坝应按照自下而上顺序塌坝。为确保红城县城、上下游河道和橡胶坝安全，分析确定橡胶坝非汛期、汛期调度运用原则。①非汛期调度运用：满库运行时，橡胶坝自下而上同时塌坝或依次塌坝工况形成的下泄洪水，均不会对红城县城区造成威胁。②汛期调度运用：汛期应高度关注上游流域雨情、水情和汤泉水库泄流情况，科学预测和调度运用。当气象部门发布暴雨预警信号后，橡胶坝开始同时塌坝至少至半坝，并根据实际来水进行调度；当暴雨预警信号解除后，橡胶坝可以及时立坝。当汤泉水库水位达到120 m 且仍在上涨时，发出预报，汤河5 座橡胶坝和白河1#橡胶坝同时塌坝，确保河道行洪安全；汤泉水库水位达到120 m 后不再增加，并且根据上游流域气象预报中长期无降水时，橡胶坝可以及时立坝，拦蓄剩余洪水，合理利用水资源。

（3）橡胶坝蓄水期间，当出现危及橡胶坝安全的其他紧急情况时，橡胶坝应及时塌坝。