水库功能调整影响下紫云湖防洪能力分析

◎刘玉凤 湖南省建筑科学研究院有限责任公司 赵佩臣 中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司 孙少华 中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司

1.紫云湖概述

紫云湖(蛟头陂水库) 位于肥西县上派镇境内，属于长江流域派河水系，现状是一座以防洪、灌溉为主，兼有乡镇供水等综合功能的小（一）型水库，汇水区域为山丘区，坝址以上集雨面积37.5km，干流长度11.5km，干流比降0.0044，水库于1957年11月开工兴建，1959年3月建成。设计标准为：50年一遇设计，500 年一遇校核，相应校核洪水位23.74m，设计洪水位22.74m，汛限水位20.74m，兴利水位21.24m，死水位18.24m(吴淞高程)。总库容340万m，调洪库容258万m，兴利库容80万m，死库容2万m。紫云湖主要建筑物有：大坝、正常溢洪道和放水涵等。

依据相关规划，紫云湖位于未来城市建成区，规划为城市建成区的湿地文化公园，拟将其功能调整为以防洪、景观为主，兼有灌溉、供水等，防洪标准调整为近期50年一遇设计，远期100年一遇设计，500年一遇校核。

基于紫云湖增加了景观功能，拟对其实施底泥清淤及岸线塑形。

2.措施简介

2.1 底泥清淤

根据紫云湖现状调查显示，紫云湖现状水质难以维持在地表Ⅳ类水质标准，随着五老堰河相关治理工程的推进，紫云湖外源污染逐渐得到控制。但水库底泥作为污染物的蓄积库，经长时间沉积数量越来越多，底泥污染物的不断释放已成为当前水库水体中重要的污染内源，目前紫云湖水质处于轻度至中度营养状态，水质问题日趋严重。另外，紫云湖底泥中沉积的有机物的长期存在，已成为紫云湖水源地的隐患。

经对紫云湖底泥调查显示，水库底泥淤积层按底泥性质可分为浮泥层、过渡层和原状土层，污染最严重的底泥主要集中在浮泥层和过渡层中。本次紫云湖底泥淤积量通过水下地形的测量，并结合底泥物探布孔确定浮泥层和过渡层的厚度进而确定底泥淤积量。

通过对紫云湖均匀布置的10处断面分析计算，本次紫云湖清淤面积约33.64 万m，清淤深度0.5m～1.0m，确定紫云湖污染底泥淤积量为23.70万m。

2.2 岸线塑形

紫云湖除坝址位置岸线已成形外，其他环库岸线均为天然岸线，杂乱无章，为配合紫云湖湿地文化公园建设，拟对库岸进行整体塑形。根据景观规划思路，为贴合紫云湖寓意及一池三山的景观理念，拟将紫云湖打造成为紫色祥云造型，并结合地形连通北面水系，形成紫云湖第三山。本次紫云湖塑形高程范围为19.00m～21.10m，岸坡主要采用自然式驳岸，岸顶高程21.10m，坡度不陡于1:3，坡面种植草皮，土石方量约4.4万m。

3.库容曲线复核

底泥清淤及岸线塑形将对水库库容产生影响。具体为:紫云湖底泥高程范围主要为13.00m～19.00m，清淤放量23.7 万m（水下方），清淤可增加库容约6.4万m；紫云湖岸线塑形影响高程范围主要为19.00m～21.10m，岸线塑形后库容增加约4.4万m。本次将增加的库容在相应高程范围内进行线型平均分配工程前后水位～库容关系见表1。

4.调洪计算

（1）库容曲线。详见表1。

表1 工程前后水位～库容关系表

（2）洪水过程曲线。详见表2。

表2 洪水过程线

（3）泄流曲线。紫云湖溢洪道总净宽为43.8m，设6孔，底高程为20.10m，为开敞式溢洪道。水位～泄流量关系曲线见表3。

表3 泄流量关系曲线

（4）调度运行方式。

1)汛期水库通过放水涵洞放水，将库水位降至汛限水位19.60m；

2)汛期当库水位超过汛限水位19.60m时，水库水位上涨至20.10m时正常溢洪道开始泄洪；即水库正常蓄水位20.10m。本次洪水标准按近期50年一遇设计，远期100年一遇设计，500年一遇校核。调洪原则为：

①当库水位低于正常蓄水位20.10m时，水库无泄量；

②当库水位高于正常蓄水位20.10m时，水库以溢洪道下泄形式泄洪。

（5）调洪演算

本次紫云湖调洪演算计算方法采用逐时段试算法，公式如下：

式中：Q、Q为1、2时段入库流量，q、q为1、2时段出库流量，V、V为1、2时段库容。各频率调洪演算成果见表4。

表4 调洪演算结果

5.坝顶高程复核

根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL 189-2013），坝顶超高按下式确定：

式中：Y为坝顶在静水位以上的超高，R为风浪沿着坝坡的最大爬高，A为安全加高。

（1）波高和波长计算。波浪的平均波高和平均波周期宜采用莆田试验站公式：

式中：h为平均波高，T为平均波周期，W为计算风速，D为风区长度，H为水域平均水深，g为重力加速度，L为平均波长，H为坝迎水面前水深。

（2）平均波浪爬高。紫云湖大坝波浪平均爬高可按下式计算：

式中：R为平均波浪爬高，K为斜坡的糙率渗透性系数，K为经验系数，m为坡度系数。

（3）设计爬高R值计算。设计爬高R值可由平均波高与坝迎水面前水深的比值按《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL 189-2013）中表A.1.7规定的系数计算求得。

（4）坝顶高程计算。坝顶高程按以下情况进行计算，取其大值：

①正常蓄水位或设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高；

②校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高；

③正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高，再加地震安全加高。

坝顶高程计算成果见表5。

表5 坝顶计算结果

计算结果表明，紫云湖要求坝顶高程23.98m，低于现状坝顶高程24.01m，大坝满足防洪安全要求。

6.防洪分析结论

进行水库功能调整后，紫云湖将成为一座以防洪、景观为主，兼有灌溉、供水等综合功能的小（一）型水库。最大库容370.97万m，近期设计洪水标准为50年一遇，远期设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为500年一遇。近期50年一遇设计洪峰流量289m/s，溢洪道设计洪水下泄流量200.7m/s，设计洪水位22.07m，相应库容259.70万m；远期100年一遇设计洪峰流量346m/s，溢洪道设计洪水下泄流量252.8m/s，设计洪水位22.39m，相应库容297.87万m；校核洪峰流量451.4m/s，溢洪道校核洪水下泄流量355.4m/s，校核洪水位22.98m，相应库容370.97 万m。坝顶高程应在23.98m以上，现状坝顶高程24.01m，满足防洪安全要求。