浅议桃源水电站坝址河段洪水位波动现象

刘 波，田国民，奉伟清

(中国水电顾问集团桃源水电厂，湖南 常德 415700)

0 引 言

桃源水电站位于湖南省常德市桃源县城附近的沅水干流上，是沅水干流最末一个新增水电开发梯级电站。桃源水电站上游距凌津滩水电站38.2 km，下游距桃源县延溪河口约1.6 km，坝址紧临桃源县城，左、右岸分别为桃源县漳江垸和浔阳垸。工程以发电为主，兼顾航运、旅游等综合利用[1]。

坝址以上流域面积为8.67万km2，多年平均年径流量为650亿m3，多年平均流量2 060 m3/s。水库校核洪水位48.98 m，总库容6.468亿m3，设计洪水位45.18 m，正常蓄水位39.50 m，相应库容1.28亿m3，死水位39.30m，水库无调节性能。电站总装机容量180 WM，保证出力48 MW，设计多年平均发电量7.93亿kW·h，年利用时间4 404 h[2]。

凌津滩至桃源河段的补充规划是2009年4月经湖南省批准同意，2010年8月经湖南省能源局核准正式开工建设，2013年10月底首台机组发电，2014年10月上旬9台机组全部投产发电。

1 坝址河段洪水位波动现象

该电站自投产运行以来，期间经历了2场较大洪水的实际运行考验：

(1)第1场是“2014- 07-17”洪水。桃源水文站实测最大洪峰流量28 600 m3/s，泄洪闸上、下游实测最高水位分别为45.74、45.62 m(桃源水文站实测站点河段洪水位为45.395 m)，流量及水位均超过重现期50年一遇设计洪水(洪峰流量28 100 m3/s，泄洪闸上、下游水位计算值分别为45.18、44.97 m)。从实测流量看，“2014- 07-17”洪水是一场超50年一遇的洪水。

(2)第2场是“2017- 07- 02”洪水。桃源水文站实测最大洪峰流量22 544 m3/s，泄洪闸上、下游实测最高水位分别为43.81、43.57 m(桃源水文站实测站点河段洪水位为43.445 m)，流量及水位均超过重现期20年一遇设计洪水(洪峰流量22 300 m3/s，泄洪闸上、下游水位计算值分别为43.23、43.09 m)。从实测流量看，“2017- 07- 02”洪水是一场超20年一遇的洪水。

现将两场洪水实测值及根据其已知流量插值计算上、下游水位，以及最接近的特征频率设计洪水计算结果对比分析于表1。

表1 2场洪水实测值及计算值与相近特征频率设计洪水计算结果对比分析

两场洪水经对比分析后发现的主要问题：

(1)实测泄洪闸上游库水位高于对应流量水位计算值，同时高于相近特征频率设计洪水计算值；“2014- 07-17”洪水高出“50年一遇设计”洪水0.564 m，“2017- 07- 02”洪水高出“20年一遇设计”洪水0.583 m。

(2)实测泄洪闸下游河水位高于对应流量水位计算值，同时高于相近特征频率设计洪水计算值；“2014- 07-17”洪水高出“50年一遇设计”洪水0.653 m，“2017- 07- 02”洪水高出“20年一遇设计”洪水0.484 m。

(3)实测上、下游水位壅高值均在设计许可范围内。

(4)“2014- 07-17”洪水同期桃源水文站水位为45.395 m，为建站以来实测水位最高值，坝址下游水位与桃源水文站之间水位差为0.225 m。“2017- 07- 02”洪水同期桃源水文站水位为43.445 m，坝址下游水位与桃源水文站之间水位差为0.125 m。

2 认识桃源水电站坝址洪水

2.1 流域概况

沅水流域四周高山环绕，东以雪峰山与资水分界，西接梵净山与乌江为邻，南隔苗岭与柳江分流，北至武陵山与澧水相隔。沅水是洞庭湖水系四水之一，发源于贵州省东南部，源头称清水江，过托口后称沅水，经常德德山流入洞庭湖。沅水自源头至德山，干流全长1 028 km，总落差1 033 m，河道主流流向大体由西南向东北，德山以上流域面积90 000 km2。

沅水河流特征以洪江、凌津滩为界，将干流分为上、中、下游三段，源头—洪江上游段大部份为高山峡谷，源头段系高原区；洪江—凌津滩中游段为峡谷和丘陵地区，耕地较多(水田)，山上多灌木、乔木林，植被较好；凌津滩—德山下游段为低矮丘岭，桃源以下为冲积平原。

沅水干流分13个梯级开发，三板溪为沅水干流的“龙头”水库，具有多年调节性能，五强溪为沅水中下游的控制性骨干工程，为季调节水库。2009年4月，湖南省政府批复同意沅水凌津滩—桃源河段增加一级水电开发梯级，即桃源水电站。桃源水电站坝址以上集水面积86 700 km2，占沅水流域面积的96.2%。

沅水干流梯级开发示意见图1。

图1 沅水干流梯级开发示意

2.2 洪水特性

沅水流域内的洪水由降水形成，大洪水次数多，洪峰流量大，大洪水连续频繁发生，与其他流域洪水遭遇、易造成洞庭湖及四水尾闾地区灾害性洪水等特点。一般每年3月下旬到4月初，沅水流域各地陆续进入雨季，先后发生暴雨，6月～7月份，由于高空低槽、低涡、切变线等西风带系统和地面冷锋或静止锋的作用，常发生大面积、长历时、强度大的暴雨，形成本流域大洪水，如1969年、1970年、1995年、1996年、1998年、1999年大洪水等。1766年、1911年等历史大洪水大部分也发生在6月或7月。

2.3 坝址设计洪水

桃源坝址与桃源水文站距离仅1.6 km，流域面积相差较小，仅有0.58%，因此坝址设计洪水直接采用桃源水文站设计洪水。

桃源坝址年最大洪水系列，选用桃源站1953年～2003年洪水资料，部分年份考虑梯级水库调蓄影响进行了还原计算。采用独立取样的方法，统计得出坝址51年实测洪水系列。其中1953年～1973年采用桃源水文站实测洪水资料；1974年～1993年洪水资料由于受凤滩水库调节的影响，进行了还原，还原计算的具体方法是由凤滩水库的水位和库容曲线求出凤滩水库调蓄过程，将凤滩水库调蓄过程考虑传播时间平移到王家河后，用王家河至桃源的洪水演算公式演算至桃源，然后与桃源的实测洪水过程相加，即得桃源的天然洪水过程。

1994年～2003年因受凤滩水库和五强溪大坝蓄水滞洪双重影响，首先应用五强溪单一梯级入库洪水～坝址洪水相关关系插补，得出五强溪坝址1994年～2003年坝址洪水洪峰系列，然后采用王家河(五强溪)与桃源站洪峰流量相关关系，用王家河(五强溪)资料插补出桃源站1994年～2003年洪峰流量。

由此形成桃源站1953年～2003年共51 a天然洪水系列，满足规范要求。桃源水电站坝址特征频率设计洪水成果见表2。

表2 坝址各频率年洪峰流量成果

3 桃源水电站的防洪设计

3.1 防洪标准

桃源水电站水库总库容6.86亿m3，电站总装机容量180 MW。根据DL 5180—2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》，本工程为二等大(2)型工程。主要建筑物(如泄洪闸、土石副坝、河床式电站厂房及通航建筑物挡水部分[3]等)按3级建筑物设计；次要建筑物(如导墙、挡土墙、厂房及通航建筑物非挡水[4]部分)按4级建筑物设计。主要建筑物按重现期50年洪水设计，500年洪水校核；土石副坝按重现期50年洪水设计，1 000年洪水校核；下游消能防冲建筑物按重现期30年洪水设计。

3.2 泄洪建筑物布置

泄水建筑物为主河槽泄洪闸，电站坝址河床由双洲岛分隔成左右槽，共布置25孔泄洪闸，其中左槽布置14孔，右槽布置11孔。闸孔由右至左依次编号为1号～25号闸孔，其中右槽11孔泄洪闸编号为13号～11号闸孔；左槽14孔泄洪闸编号为12号～25号闸孔。泄洪闸闸孔尺寸为20.0 m×13.5 m(宽×高)，溢流堰顶采用宽顶堰，堰顶高程26.00 m，弧形钢闸门挡水，液压启闭机启闭，上游采用浮式检修门挡水。

右槽4号～8号闸孔和左槽17号～21号闸孔下游接现浇钢筋混凝土消力池，消力池尺寸为29.0 m×112.8 m(长×宽)。

消能建筑物主要由消力池、护坦或海漫组成。泄洪闸或消力池下游流速较大的非消力池部位接35.5 m长河床护坦或海漫，右槽采用格宾石笼，左槽采用现浇混凝土和至少1.0 m厚大块石。

3.3 泄洪建筑物泄流能力要求

桃源水电站为平原丘陵地区典型的低水头、大流量开发梯级电站，水库无调节性能，必须确保电站建成后不影响河道行洪、无人为洪涝灾害，对泄洪建筑物泄流能力总体要求是坝址上、下游水位雍高值不能超过0.3 m。

根据SL 265—2001《水闸设计规范》“第5节水力设计”中第5.0.5条规定，水闸的过闸水位差应根据上游淹没影响、允许的过闸单宽流量和水闸工程造价等因素综合比较选定。一般情况下，平原区水闸的过闸水位差可采用0.1～0.3 m。据此，对水闸的泄流能力提出了过闸水位差要求，只要上、下游水位差(即上游雍高值)低于设计控制值0.3 m，泄洪闸的泄流能力即满足要求。

3.4 枢纽防洪制约因素

桃源水电站坝址左岸防洪堤顶高程约为47.00 m，右岸防洪堤堤顶高程约为46.00 m，坝址河道安全泄量为22 300 m3/s，防洪堤防洪标准约为20年一遇；随着城市经济的发展，坝址区防洪堤远景防洪标准按50年一遇考虑，对应50年一遇洪水的堤顶高程为47.40 m。当洪水位高于远景防洪堤顶高程时，洪水将漫堤。

3.5 水库调度

桃源水电站正常运行情况下电站运行过程中水库水位不消落，运行方式如下：

(1)当入库流量不大于电站满发流量3 735 m3/s时，库水位维持在正常蓄水位39.50 m，枢纽闸门关闭，出库流量全部通过水轮机下泄。

(2)当入库流量大于满发流量且电站净水头大于2 m时，水库仍维持在正常蓄水位39.50 m运行，大于水轮机引用流量部分的入库流量，通过闸门控制下泄。

(3)当入库流量大于8 800 m3/s时，电站机组停止发电，枢纽采用预报预泄的方式控制泄流，入库流量全部通过泄洪闸下泄，直至恢复天然河道，枢纽按天然来流量泄流。

(4)洪水退水过程中，当桃源坝址流量小于停机流量8 800 m3/s，且通过五强溪水库洪水预报，桃源10 h之内及后期的入库流量不会超过停机流量时，水库关闸蓄水。

4 洪水位波动原因分析

4.1 坝址河段历史大洪水调查

调查统计桃源水文站建站以来洪峰流量Q>22 300 m3/s(20年一遇)的13场大洪水参数，汇总于表3，其中“1996- 07-19”洪水洪峰流量最大(Q=29 100 m3/s)，下游水位排第2，“2014- 07-17”洪水洪峰流量排第3(Q=28 600 m3/s)，下游水位排第1。

表3 桃源水文站实测13场历史大洪水参数统计汇总

4.2 防洪堤垸建设过程与溃决情况

4.2.1 防洪堤垸建设过程

桃源水电站影响河段两岸阶地宽阔平坦，阶地宽度为河道宽度的数倍，土壤肥沃，非常适合居民生活，遍布居民城镇。为了满足城镇防洪需要，结合河道地形和居民分布特点，各地沿河兴建了数处防洪堤垸，堤垸建设与完善过程简况如下：

(1)1973年开始，桃源县大兴水利工程建设，相继建成了护城、陬溪、车湖、木塘、浔阳、桃花源、团结等7个防洪堤垸，但防洪标准仅为5年一遇。

(2)1995年秋冬，桃源县再次大兴水利工程建设，拟提高上述7个防洪堤垸的防洪标准，漳江垸(原护城垸)为20年一遇，其余均为10年一遇，但由于资金不足，均未达到设防标准。

(3)受“’96”“’98”洪水溃垸影响，桃源县委、政府在1996年秋冬～1999年间连续几年大兴水利工程建设，以提高上述7个防洪堤垸的防洪标准，漳江垸为20年一遇，其余均为10年一遇。

目前，漳江垸在五强溪等水库的联合调度下，可达到30年一遇，其他防洪堤垸可达到15～20年一遇，在安全流量23 000 m3/s以下，沅水下游的防洪堤垸基本可以自保。沅水下游防洪堤垸分布见图2。

图2 沅水下游堤垸布置

4.2.2 防洪堤垸溃决情况

1996年7月16日～17日，沅水下游(即桃源水电站坝址下游)的木塘垸、车湖垸、浔阳垸、桃花垸、团结垸等5个防洪堤垸因堤顶高程不够，先后发生漫溃，1996年洪水漫溃情况见表4。由表4可知，木塘垸等5个防洪堤垸漫溃2～3 d后，沅水桃源水文站的洪峰水位才达到最高44.925 m，即“先溃垸后涨水”，说明所溃堤垸起到了分洪作用，有效降低了桃源水文站站址实测水位。

表4 桃源至常德河段防洪堤垸溃决情况

4.3 坝址河段洪水位波动的主要原因分析

桃源水电站坝址水位与桃源水文站站址水位同步超高，通过历史数据对比，分析了桃源水文站站址水位超高的原因，即桃源水电站坝址水位超高的原因，具体为:

(1)桃源河段两岸防洪堤垸建设渠化了行洪河道，改变了行洪断面，影响了主河道行洪能力。在“1969- 07-17”洪水发生时，坝址河段尚无防洪堤垸建设，河道行洪断面基本为天然原始断面。当洪峰流量超过主河道安全流量时，洪水向两岸漫流，行洪断面急剧增大，水位增长缓慢。当启动防洪堤垸建设后，人为地改变了河道行洪断面，行洪断面减小，当河道水位超过堤垸顶部时，洪水漫过堤顶进入两岸阶地，两岸阶地分洪，洪水位上涨缓慢。所以，桃源河段洪水位在防洪堤垸建设前后出现较大差异是正常的。

(2)桃源水电站建设前坝址河段两岸防洪堤垸的漫溃与河道洪水位变化关系密切。当发生超过主河道安全洪水时，洪水位没及防洪堤垸顶部而出现越堤漫流，当洪水继续上涨时，随着洪水漫流流量增大，防洪堤垸难免发生水毁、溃堤，这在防洪堤垸建设史上有见证和记录的，“1996- 07-19”洪水是历史记录最大洪水，当年防洪堤垸的建设已经较为完善，但还是发生了溃垸，只要有溃垸决口，河道洪水位就会骤降，所以，不难理解“2014- 07-17”洪水洪量小而水位最高的情况，因为“2014- 07-17”洪水发生时，当地政府采取一切措施严防死守防洪堤垸，最终确保无漫顶、无溃垸情况发生。因此，当“1996- 07-19”洪水发生时，如果没有发生溃堤，记录的洪水位应该是最高。

(3)洪水类型、历时长短对堤垸防洪的影响，以及政府组织抗洪的措施等均可能对大洪水发生时的河段水位有一定影响。“2014- 07-17”洪水属洪峰“尖瘦”型洪水，洪峰流量大但历时短暂(高于44.93 m洪水位的时段历时仅13 h)，经湖南省防汛指挥部奋力抢险及五强溪水库的合理调度，保住了桃源县的7个防洪堤垸和武陵、鼎城的2个防洪堤垸，堤垸均未溃决，但所有防洪堤垸险象环生，岌岌可危，多个堤垸已出现溃垸型重大险情，导致与“1996- 07-19”洪水相比，流量稍小但水位却高了0.47 m。对于设计确定的典型洪水类型而言，在50年一遇洪水情况下，保住全部堤垸的安全将是极其困难的，因此，“2014- 07-17”洪水的水位可以看作桃源河段50年一遇洪水情况下一种较极端的河道高水位。

(4)“2014- 07-17”洪水实测洪峰流量多出50年一遇设计洪水500 m3/s，故洪水位相应高出50年一遇设计洪水计算值是可以理解的。

5 洪水位波动的危害性评价

5.1 危害性认识

众所周知，洪水参数的制约因素极其复杂，表征洪水的参数(洪峰流量、洪水位、洪水频率)是经过调查、统计加估计、模型概化等手段得出，是典型的概率学问题，所以出现洪水位波动现象属于正常现象。

当然，针对洪水位波动幅度过大的情况必须引起重视，首先得认清其可能危害性。根据桃源水电站所处位置的特殊性，洪水位波动过大的可能最大危害主要有2个方面，一是洪水位波动现象是否存在规律性，是否可以推测遭遇大坝设计洪水时，大坝坝顶高程不足会导致洪水漫坝事故，漫坝事故是大坝安全运行不允许发生的。二是必须查明洪水位波动的原因，泄洪建筑物泄流能力不足是否会导致库水位抬升而引发人为洪涝灾害，这是防洪地区最为敏感的考虑因素。

5.2 危害性评价

(1)漫坝忧虑。桃源水电站坝顶高程与防浪墙顶高程是依据规范计算确定，经过蓄水、竣工安全鉴定专家的多次鉴定，至今边界条件未曾改变。此外，电站坝顶高程为50.7 m，比两岸防洪堤最高堤顶高程47.0 m高出3.7 m，当洪水漫溃两岸防洪堤垸时，坝址两岸分洪明显，可以预见，当大坝遭遇设计洪水时，坝址河道周围均是一片汪洋，但桃源水电站坝顶仍屹立于汪洋之中，所以洪水漫坝的忧虑是多余的[5]。

(2)人为洪涝灾害担忧。桃源水电站的建设自始至终必须慎重考虑人为洪水问题，即严格控制闸前水位雍高值在0.3 m以下，超过该值即认为有人为洪水之嫌。模型试验与实测数据均说明了上游水位壅高值控制在设计要求内，所以人为洪涝灾害担忧也是多余的[6]。

总而言之，无论漫坝之忧还是人为洪涝之患，归根结底就是桃源水电站泄洪闸的泄洪能力与安全泄洪问题，事实证明，桃源水电站泄洪闸的泄流能力是不用怀疑的，将来运行过程中电站也将切实做好泄洪闸的运行管理，确保其安全泄洪。

6 结 语

桃源水电站自2013年首台机组投产发电以来，枢纽经历了2场大洪水的实际检验，尤其“2014- 07-17”洪水规模已超过50年一遇，通过对2场实测洪水参数的对比分析，发现洪水位出现了波动现象，均高于理论计算值，出于防洪度汛的高度敏感性，及时分析查明波动的原因是非常必要的。本文从认识流域洪水特性、调查历史洪水资料、回顾枢纽洪水设计、追踪河道行洪断面变化过程等方面对洪水位波动的原因进行了细致分析，认为洪水位波动现象是客观存在的，导致波动的根本原因是因河道两岸防洪堤垸的不断建设、完善改变了河道行洪断面，当该河道遭遇洪水不漫堤、河道两岸不分洪时，洪水位一般会高于理论设计值，只要两岸漫堤、分洪，坝址河道洪水位很难骤升，基本上不会发生漫坝、人为洪涝灾害，所以，桃源水电站坝址河道洪水位波动现象是正常的，电站运行过程中应确保泄洪闸安全泄洪。