周公宅水库上游梯级水库在防洪中的应用

杨益青，王 强

(宁波市水利水电规划设计研究院有限公司，浙江 宁波 315000)

宁波市东、南、北三面临海，西面靠山，山区面积占比50%以上，因地形地势及海陆分布影响，城市易受“洪、涝、潮”三重威胁，水库工程建设历来是宁波市提升流域防洪减灾能力的重要基础水利工程。

但一方面，已建大中型水库受制于水库供水功能、大坝型式等因素制约，通过加高扩容等方式提升水库防洪能力的难度较大，且随着规划水库工程逐步建设完成，可用于进一步新建综合性水库的坝址亦较少；另一方面，随着宁波市社会经济的发展，水库建设过程中，征地移民等政策处理费用占工程总投资的比例不断升高，已远超水库工程本身的建设投资，导致传统水库工程建设的性价比不断降低，建设难度不断加大。

为提升已建水库防洪能力，保障流域防洪安全，以周公宅水库为例，突破传统思路，在其上游寻找适宜坝址新建水库，形成梯级水库，新建水库采用平时蓄水、台汛期空库运行的方式，充分发挥梯级水库工程的空间分布优势，提升水库整体的防洪效益，切实保障下游人民群众的生命财产安全。

1 区域概况

周公宅水库位于宁波市章水镇大皎溪干流上，距宁波市区51km，是一座供水、防洪结合发电的综合利用大(2)型水利工程，为完全年调节水库，是下游宁波中心城区重要供水水源。水库坝址以上控制流域面积132km2，水库按500年一遇洪水设计，设计洪水位为237.70m，2000年一遇洪水校核，校核洪水位237.89m，总库容1.118亿m3[1]。水库泄水建筑物主要为溢洪道，堰顶高程224.13m，设3扇10m×13.5m弧形闸门控制。一方面，水库防洪库容2290万m3，自身防洪库容小[2]，仅占水库总库容的20.5%，且因水库上游集雨面积大，20年一遇洪水下仅能拦蓄上游来水量的40.8%，拦洪率不高；另一方面，水库20年一遇防洪高水位237.12m，与设计洪水位、校核洪水位仅差0.58m和0.77m，为保证水库自身防洪安全，水库库水位一旦超高20年一遇防洪高水位，下泄洪峰从控制不超过280m3/s陡增至控制不超过1300m3/s，直至敞泄，对下游防洪安全影响较大。而随着宁波市社会经济的快速发展，城市防洪保安要求不断提高，对上游周公宅水库防洪能力提升需求越发迫切。因此，本次打破常规，在周公宅水库上游寻找梯级水库坝址，采用台汛期空库运行、完全调蓄洪水的形式，加大周公宅水库的防洪能力，减少水库下泄洪峰、洪量。

2 梯级水库新建坝址选取

2.1 汇水片区划分

为便于周公宅水库上游梯级水库工程的选址分析，对周公宅水库坝址以上集雨范围划分汇水片区。本次依据流域地形地势、河流水系分布情况，将周公宅水库约132km2集雨范围划分为5个汇水片区，分别为周公宅水库库区、雅庄观下溪所在的西支流、俞白溪所在的西南支流、小麦坑所在的南支流、里湖溪所在的东支流。并分析遭遇20年一遇洪水下，各汇水片区的来水量，见表1。

表1 周公宅水库集雨范围内汇水片区划分

2.2 梯级水库新建坝址方案

梯级水库新建水库坝址选取应尽量位于各汇水片区下游，以便扩大集雨范围，增加洪水拦蓄量，提升梯级水库工程防洪效益。同时，新建水库需考虑两方面因素，一方面，因建设库容在台汛期基本用于防洪，故需考虑坝址上游来水量，避免大坝建设过高，水库库容过大，造成工程总投资浪费；另一方面，水库库区需避开居住人口较为密集的村庄，避免大量拆迁移民，以免造成工程政策处理难度加大，以及政策处理费用占工程总投资比重过大。

本次初步选取7处梯级水库新建坝址方案，见表2。其中，西支流、南支流、东支流各1处，新建坝址均位于出口，因片区集雨范围小，坝高按20年一遇洪水全拦拟定；西南支流因下游地势相对平坦开阔，且沿线分布有大俞、百步阶、李家坑等村庄，故新建坝址位于中上游，共计3处，分别为：①大横山电站下游坝址，且其受上游北溪村地坪高程约428m限制，坝高初拟约60m;②岩下山水库坝址，且受上游四明山镇地坪高程约578m限制，坝高初拟约80m;③北溪村上游坝址，且受上游茶培村地坪高程约481m限制，坝高初拟约50m；另外，周公宅水库库区新建坝址1处，位于西支库尾，汇水范围含西支流及西南支流，且受上游李家坑地坪高程约305m限制，坝高初拟约85m。如图1所示。

表2 梯级水库新建坝址方案

图1 梯级水库新建坝址方案示意图

2.3 梯级水库新建坝址比选

2.3.1坝址方案初步分析

从新建水库坝址上游集雨范围及建设库容分析可知，南支流、东支流、西支流出口，以及西南支流的岩下山水库四处坝址上游集雨面积相对较小，仅占周公宅水库集雨面积的3.8%～12.8%，20年一遇下坝址上游来水量有限，新建梯级水库提升的防洪效益有限。同时，西支流出口坝址及岩下山水库坝址新建坝高均达到80m左右，相对较高。而北溪村上游坝址、大横山电站下游坝址及库区西支库尾坝址上游集雨范围较大，20年一遇下坝址上游来水量均超过1000万m3，可新建一座中型水库，对流域防洪能力提升较为明显。因此，本次梯级水库新建坝址方案，重点对北溪村上游坝址、大横山电站下游坝址、库区西支库尾坝址进行比选分析。

2.3.2坝址方案重点比选

本次从水库防洪效益、工程建设影响、工程总投资等[3- 5]，对3处新建水库坝址方案进行重点比选分析。

水库防洪效益方面，20年一遇可拦蓄水量均超过1000万m3，对周公宅水库上游产生一定防洪效益。其中，北溪村上游坝址新建水库库容约1435万m3，可基本实现片区来水全部拦蓄；大横山电站下游坝址上游集雨面积虽大，但受库尾村庄高程限制，可新建库容仅1159万m3，三处坝址中为最小；库区西支库尾坝址，可新建库容达到2426万m3，较北溪村上游坝址增加约71%。因此，库区西支库尾坝址防洪效益最为显著，其次为北溪村上游坝址，大横山电站下游坝址防洪效益最小。

工程建设影响方面，本次主要从新建水库工程建设的施工交通条件，以及建设期、运行期间对库区及上下游一定范围内，现状已建及规划新建的水利、交通等工程设施的影响角度进行分析。其中，北溪村上游坝址以西为浒溪线，施工便利，但坝址与浒溪线相交，需考虑通行道路恢复，同时水库库区范围内现有茶培水库需进行报废处理；大横山电站下游坝址以东为细北线，施工便利，但坝址与细北线相交，需考虑通行道路恢复，同时需对现状大横山水库进行报废处理，大横山电站、岩下山电站需拆除重建；库区西支库尾坝址以南为细北线，施工便利，但坝址与细北线相交，需考虑通行道路恢复，同时库区西支库尾坝址以上集雨范围为周公宅水库主要来水区间，工程建设期内度汛、导流难度大，对下游周公宅水库防洪调度有较大影响，不利于下游地区的防洪安全。因此，北溪村上游坝址建设产生的工程建设影响略小于大横山电站下游坝址，大横山电站下游坝址小于库区西支库尾坝址。

工程总投资方面，本次主要从工程投资、征地移民费用、专项费用等方面进行对比分析。其中，工程投资部分与各坝址建坝的混凝土方量呈正相关关系，北溪村上游坝址大坝高度最低，投资最低，约6.6亿元，其次为大横山电站下游坝址，约8.8亿元，最高为库区西支库尾坝址，约11.8亿元。征地移民费用与各坝址征地及拆迁面积相关，且受征地范围内地类分布影响，大横山电站下游坝址费用最低，约4.9亿元，其次为北溪村上游坝址征地移民，为5.5亿元，最高为库区西支库尾坝址，为7.0亿元；专项费用，三处坝址差别不大，北溪村上游坝址及大横山电站下游为1.3亿元，库区西支库尾坝址为1.4亿元。因此，北溪村上游坝址工程总投资最低，为13.4亿元，其次为大横山电站下游坝址，为15亿元，库区西支库尾坝址最高，为20.2亿元。

综上，于北溪村上游坝址处新建梯级水库，基本可实现上游集雨范围内20年一遇洪水全部拦蓄，防洪效益适中，工程建设影响及工程投资最小，可初步作为周公宅水库上游梯级水库新建坝址方案。

3 梯级水库防洪效益分析

3.1 梯级水库总体调度原则

北溪村上游坝址水库工程建设后，与已建周公宅水库形成梯级水库，旨在提升周公宅水库上游整体的防洪能力，本次为充分发挥梯级水库工程的防洪效益，并兼顾水资源、水生态环境等，提出梯级水库的总体调度原则[6- 7]如下：

(1)北溪村上游坝址水库：台汛期，新建水库保持空库运行；非汛期，新建水库蓄水运行；梅汛期，新建水库适当降低水库水位，限制运行、拦蓄洪水。

(2)周公宅水库：现有总体调度原则基本不变，对泄洪闸控制下泄流量进行调整，以确保水库防洪库容得以充分利用，水库20年一遇防洪高水位、50年一遇洪水位保持不变。

3.2 水库调洪演算计算方法

本次水库调洪演算主要采用联解水库水量平衡方程和相应水库蓄泄方程实现[8- 10]。对调洪过程中任一Δt(Δt=t2-t1)时段，计算式可表示如下：

(1)

q=f(V)

(2)

式中，Q1、q1—时段初入库、出库流量，m3/s；Q2、q2—时段末入库、出库流量，m3/s；V1、V2—时段初、末水库蓄水量，m3。

q=f(V)表示水库下泄流量是水库蓄水量的函数。

求解时联解上述两式，通过试算法编程求解。对任意的Δt时段，其Q1、Q2、q1、V1已知，欲求q2、V2。、其求解步骤是：假定V2(或q2)后，代入式(2)可求得q2(或V2)，再以此q2(或V2)代入式(3-1)算得V2(或q2)后，若计算的与假定的一致，则试算完成，否则重新假定V2(或q2)，直到满足为止。q=f(V)表示水库下泄流量是水库蓄水量的函数，根据水库调度原则确定。

3.3 梯级水库防洪效益分析

本次梯级水库防洪效益分析，主要从水库削峰、拦洪效果进行分析[11]。遭遇台汛期20年一遇洪水下，削峰率由建库前82.7%提升到92.9%，拦洪率由建库前40.8%提升至65.9%，提升约61.1%；遭遇台汛期50年一遇洪水下，下泄洪峰削减至小于建库前20年一遇下泄洪峰，削峰率由建库前41.5%提升到88.2%，提升约79.8%，水库洪水拦洪率由建库前33.1%提升至53.1%，水库防洪能力提升效益显著，具体见表3。建库前后，水库调洪过程如图2—3所示。

表3 梯级水库建设前后，洪水削峰、拦蓄对比表

图2 遭遇台汛期20年一遇洪水下，梯级水库调洪过程

图3 遭遇台汛期50年一遇洪水下，梯级水库调洪过程

4 结语

周公宅水库作为已建大型水库，集雨范围大，但自身防洪库容较小、防洪压力较大，通过于其上游寻找实现程度较高的水库坝址新建水库，形成梯级水库，且新建水库采用台汛期空库运行的防洪方式，实现周公宅水库防洪能力提升。为保障下游城市防洪安全提供了新的思路，可广泛应用于上游有条件新建水库的类同水库，具有较大的推广应用价值和借鉴意义。但文章对新建梯级水库仅提出平时蓄水、台汛期放干的总体调度原则，后续在对水库工程相关参数予以明确后，需对梯级水库在防洪中的调度方案作进一步分析。