昆明城市防洪聯合調度研究

張玉蓉，張天力,2，金 棟，陳 剛,3，顧世祥，李科國

(1.云南省水利水電勘測設計研究院，昆明 650021；2.武漢大學水利水電學院，武漢 430072；3.河海大學水文水資源學院，南京 210098)

1 概 述

隨著我國城市化戰略的逐步實施，我國的城鎮化水平越來越高，城市在社會經濟發展過程中的地位和作用也日益提高。然而城市化過程中增加了人類與環境之間的相互作用，改變了城市水循環過程，導致徑流系數和徑流量增加、極端降雨事件增多、城市暴雨洪澇風險增大[1,2]。這使得城市防洪減災建設的任務顯得越來越重要，保障城市防洪安全的要求也越來越高。

在諸多的防洪設施中，水庫的削峰調洪起著十分重要的作用。20世紀60年代以來，我國開展了對單一水庫的優化調度研究[3,4]。隨著我國水利建設和投入的增加，由水庫群、蓄滯洪區、湖泊以及各種防洪工程措施組成的復雜防洪體系聯合防洪優化調度已成為我國各大流域防洪研究的重點并進行了大量深入的研究。賈本有[5]建立了復雜防洪系統多目標梯階優化調度模型，并在淮河中游進行了應用。結果表明，模型有利于降低水庫安全度指標，削減洪峰流量，減少洪災損失。李瑋[6]根據自身提出的SADCM模型在清江梯級水庫的應用表明，在不降低原有的防洪標準的前提下，不同年的綜合效益和洪水資源利用率都有一定的提高。謝柳青[7]以澧水流域防洪系統聯合調度為背景，建立了基于河道洪水演進方程與多目標離散微分動態規劃的水庫群防洪系統多目標優化調度模型，經計算分析，結果滿意。通過區域聯合調度對提高流域防洪能力及綜合效益有著顯著作用。

昆明是云南省政治、經濟、文化中心和交通樞紐，現有城市人口316萬人，地區生產總值達到1 682億元。主要泄洪通道為盤龍江，隨著主城區的擴張，壓縮了河道行洪空間，原規劃的北部油管橋-霖雨橋之間盤龍江兩岸的蓄滯洪區已被城市建設所占用，城區不透水面積增大導致區域調蓄雨洪的能力大幅度降低。牛欄江-滇池補水工程建成后，盤龍江在承泄本區洪水的同時，又作為入湖通道輸送外流域調來的湖泊生態補水量。加之近年來滇池提高汛限水位運行后，對河道的頂托也影響了盤龍江等入湖河流的行洪能力，這些都加劇了昆明城市防洪風險。面對目前昆明市極為嚴峻的防洪形勢，通過進一步大規模加高堤防或擴寬主要泄洪通道盤龍江河道，以提高昆明主城區防洪能力已不現實。因此，本文旨在現有防洪工程基礎上，采用水力學模型，通過防洪聯合調度分析，制定有效的防洪調度運行原則和實時調度方案，減緩城市防洪壓力。也可為其他類似城市的防洪減災工作提供一定的參考和借鑒作用。

2 研究區域概況

盤龍江上游建有松華壩大型水庫，具有較高的洪水調節能力。距松華壩下游2.2 km處有牛欄江-滇池補水工程出口瀑布，借盤龍江河道輸水到滇池。松華壩水庫以下至滇池的盤龍江干流長26.5 km，比降為0.099%。滇池被隔堤分為內外相連的草海和外海，有海口河和西園隧洞兩個出口，分別經海口河、沙河于安寧城區的螳螂川匯合。區域河湖及工程關系如圖1所示。其中，松華壩水庫防洪限制水位1 964.5 m，防洪高水位1 971.3 m，調洪庫容1.31億m3；牛欄江-滇池補水工程的設計引水流量23 m3/s，多年平均向滇池補水5.72 m3；滇池汛限水位1 887.2 m，正常高水位1 887.5 m(與20年一遇洪水位齊平)，調節湖容積5.7億m3；海口河整治后設計安全過流量為140 m3/s，西園隧洞最大泄流量40 m3/s。

圖1 區域河湖及工程關系圖

3 防洪聯合調度

3.1 聯合調度的基本準則

盤龍江除了承泄本流域的來水，還是牛欄江-滇池補水工程的入湖通道。松華壩水庫調洪及牛欄江-滇池補水工程引水都要以盤龍江過流能力和警戒水位為基礎，在滿足自身安全前提下控制下泄及補水流量。滇池的洪水調節，應減輕上游盤龍江和昆明主城區的防洪壓力，兼顧對下游的防洪安全。因此，根據流域內工程現狀及防洪問題，以河道現狀過流能力為基礎，把盤龍江的警戒水位、松華壩水庫水位及滇池水位作為主要的控制性指標，在確保昆明主城區的防洪安全前提下，以調度為手段，充分發揮各工程的聯合效益，以此確定聯合調度技術路線如圖2。

由圖2可知，昆明主城的防洪調度規則可歸納為“攔-停-蓄-分”4個方面。當流域發生洪水時，根據洪水預報及盤龍江實測水位信息，來水量大于盤龍江實際過流能力時，松華壩盡量攔蓄水庫上游洪水，減輕城市防洪壓力；但庫水位超過防洪高水位后，為確保大壩安全，下泄流量不受限制，即“攔”。牛欄江應立即停止補水，即“停”。滇池匯集調蓄流域來水量，按海口河設計過流能力向下游泄洪，即“蓄”。當滇池水位超過汛限水位時，打開海埂閘，由西園隧洞分泄部分洪量，滇池水位超過防洪高水位時，加大海口河泄量，排入螳螂川，即“分”。多措并舉，盡量保證主城安全。

3.2 水力學模型的建立

水庫、湖泊的洪水調節可以采用如下的基本方程：

(1)

式中：It和It+1為t時段初、末入庫流量，m3/s；Vt為t時段初水庫的蓄水量，m3；Qt為t時段初水庫泄流量，m3/s；Vt+1為t時段末水庫的蓄水量，m3；Qt+1為t時段末水庫的泄流量，m3/s；Δt表示時段長。

該式以槽蓄方程代替水動力方程，能夠反應在洪水傳播過程中水庫及湖泊水位流量的變化過程。

河道中洪水演進采用一維圣維南方程：

連續性方程：

(2)

運動方程：

(3)

式中：x為流程，m；Q為流量，m3/s；Z為水位,m；g為重力加速度,m/s2；B為河寬,m；ql為側向單位長度注入流量,m3/s；A為過水斷面面積,m2；R為斷面水力半徑,m；β為動能修正系數；n為糙率系數。

圖2 昆明城市防洪聯合調度線路圖

3.3 洪水調度分析

3.3.1滇池

與外海相比，草海的洪水調蓄能力相對有限，本文在此主要分析外海的洪水調節過程。作為昆明主城主要的承泄區，滇池外海的排洪通道有兩個，即海口河和西園隧洞，草海運行水位均低于外海運行水位，外海發生洪水時可將水域分隔的節制閘打開，由西園隧洞分擔一部分泄洪流量。

鑒于滇池調蓄能力較強，重點分析發生20年一遇、50年一遇和100年一遇三種情形。采用水量平衡法對洪水進行還原，并根據典型年推求出的外海不同頻率下的入湖洪水如圖3所示。設計洪水過程為30個時段，時段長為1 d，包含了流域發生洪水的各種組合。隨著滇池水污染防治措施的推進，滇池已從過去的調蓄供水水源轉變成需進行生態修復補水的用水對象，其蓄泄過程應滿足恢復生態系統的水生植物多樣性的要求[9]。洪水調節中滇池的起調水位采取2013年新修訂《云南省滇池保護條例》規定的汛限水位1 887.2 m，洪水調節的水位、流量過程如圖3。當遭遇20年一遇洪水時，滇池外海最高洪水位為1 887.50 m，對應下泄流量171 m3/s，其中海口河下泄140 m3/s，西園隧洞下泄31 m3/s，滿足滇池相應的防洪標準。而當流域發生50年一遇及以上洪水時，最高洪水位超過正常高水位，海口河的下泄流量均大于其過流能力，對下游城市的防洪安全構成一定威脅。

值得注意的是，隨著昆明污水處理廠尾水外排工程的建成，主城大部分污水處理廠的尾水借道西園隧洞直接排往下游。螳螂川安寧市區已有堤防是以滇池原最大下泄能力為130 m3/s設計(即海口河90 m3/s，西園隧洞40 m3/s)，伴隨主要重化工業逐漸向安寧聚集、城市規模擴大及水文情勢的變化，安寧市的防洪標準應提到50年一遇，但城區河堤遠達不到設防標準。這種勢必造成滇池洪水調度存在對昆明、安寧兩座城市防洪安全的“泄”、“淹”矛盾。應采取必要的工程措施適當提高下游防洪標準，并做好防護措施，以減輕主城防洪風險，統籌協調好滇池上下游地區的行洪安全。

圖3 不同洪水頻率下滇池外海洪水調節的流量及洪水位過程線

3.3.2盤龍江

20世紀70年代，盤龍江上游段周邊原有大片農田，在對松華壩水庫擴建至現規模時論證認為，將其作為昆明主城防洪的蓄滯洪區，在盤龍江發生超標洪水時，起到蓄洪削峰的作用，加上松華壩水庫攔蓄調節和盤龍江宣泄，使得昆明城區達到100年一遇的防洪標準。但隨著昆明城區向北擴建，原有蓄滯洪區被征作城市建設用地，加之盤龍江現狀堤防的過流能力受多年來市政道路、橋梁等跨河建筑物的建設，不斷擠占河道的行洪空間，局部河道的泄流能力受橋墩阻水影響大幅度降低，已達不到原有的百年一遇設計標準。城區防洪主要依靠松華壩水庫的調洪能力。據2013年“7·19”暴雨資料，期間松華壩水庫未下泄流量，洪水主要來自區間徑流。本節分析主要考慮區間徑流量。

根據松華壩出口-滇池入口區間的入匯口、阻水建筑及分水閘等控制斷面，將大區間劃分為8個小的區間，根據典型年對還原的洪水依次計算各區間不同頻率設計流量過程。根據實測斷面資料，計算分析各區間提防的安全泄流(水面距堤頂0.5 m時的過流量)，并與區間阻水橋梁的過流能力進行對比，進而得出各區間的最小過流控制斷面及區間河段的安全泄流，復核分析計算成果見表1。

表1 盤龍江各河段安全泄量復核成果表

由表1可知，松華壩出口-滇池入口區間的最小過流斷面為日新橋，只能宣泄95 m3/s的水量。通過將各區間安全泄流與區間各頻率設計流量對比可知，小于P=3.33%設計洪峰流量的區間河段包括昆明水文站-雙龍橋、雙龍橋-日新橋、日新橋-廣福路橋和廣福路橋-盤龍江出口4個。雙龍橋處建有分洪閘，設計分洪流量為15 m3/s。通過分洪作用，可使盤龍江松華壩出口-滇池入口區間30年一遇洪水安全下泄。但遠達不到100年一遇的防洪標準。當松華壩出口-滇池入口區間遭遇超標洪水，即使松華壩不泄流，昆明主城也存在漫堤風險，應采取其他措施來減緩主城的防洪壓力。后面將對其提供一些參考建議。

根據松華壩出口-滇池入口區間最小安全泄量和滇池水位可算出區間水面線，從而得到盤龍江的警戒水位。由于區間只有一個昆明水文站，因此以計算得到的昆明水文站水位作為警戒水位能滿足警戒水位的觀測和管理要求，并符合盤龍江的實際情況。其中，滇池水位是由盤龍江洪水與其他洪水決定的，本應考慮盤龍江設計、其他入湖河道相應和盤龍江相應、其他入湖河道設計兩種情形。然而根據滇池的調洪計算成果，滇池流域發生20年一遇洪水時，滇池最高洪水位與滇池的正常蓄水位一致為1 887.50 m。加之盤龍江洪水對整個滇池水位影響較小，滇池的汛限水位與正常水位變化不大，昆明水文站距入湖口相對較遠以致滇池水位變化影響不明顯等因素，綜合考慮選取1 887.50 m作為滇池起調水位。綜上，確定出的盤龍江昆明站警戒水位為1 891.0 m。

3.3.3松華壩水庫

松華壩水庫的功能是以昆明市城市防洪、供水為主。為分析庫水位對大壩安全及下游防洪安全的影響，擬定了兩種洪水組合方案，即水庫相應、盤龍江區間設計和水庫設計、盤龍江區間相應。區間相應洪量為昆明站設計洪量減松華壩站設計洪量，松華壩相應洪量為昆明站設計洪量減區間設計洪量。水庫采取控制下泄流量與下游區間洪水組合后不大于河道安全泄量的補償湊泄方式。庫水位超過防洪高水位后，為了大壩安全，水庫下泄流量不受限制。采用設計的汛限水位1 964.5 m作為防洪起調水位，對不同頻率洪水進行了分析計算，參見表2。

在P=3.33%及以下頻率時，方案(一)下的區間洪峰要比方案(二)下同頻率的區間洪峰大，在確保昆明站安全泄量的前提下，方案(一)的水庫下泄流量要比方案(二)小，使得方案(一)下的庫水位較方案(二)高。表明方案(一)下剩余的防洪庫容比方案(二)小，對下游防洪更為不利，為調度優先考慮方案，這是由松華壩水庫的調節能力及盤龍江區間的泄流能力所決定。在P=2%及以上時，以1 964.5 m起調，兩方案的庫水位均已超過防洪高水位1 971.3 m，區間洪水與水庫下泄量之和高于昆明站安全泄量。為此，進一步比較不同的起調水位對方案(一)下的洪水位變化，以研究松華壩水庫在不泄流的情況下最高水位值，見表3。

表2 松華壩水庫洪水調節成果表

表3 松華壩水庫不同起調水位的洪水調節成果表

從表3可出，在P=2%、P=1%時，松華壩不泄流的條件下，以防洪限制水位1 964.5 m進行起調，松華壩最高庫水位超過防洪高水位1 971.3m，危及大壩安全；而以水位1 962.5和1 960.5 m起調，最高庫水位低于防洪高水位。這種情況下，雖然區間洪峰已大于安全泄流，但通過降低庫水位運行對減輕主城洪災損失具有一定意義的。在P=3.33%時，松華壩不泄流的條件下，不論是以1 964.5或者1 962.5還是1 960.5 m起調，最高庫水位都不超過防洪高水位，且區間洪水能有效下泄。

3.3.4調度方案的確定及應對措施

通過上述洪水調節分析，結合昆明主城“攔-停-蓄-分”調度原則，可確定如下的調度方案。

(1)根據洪水預報成果，當滇池流域未發生洪水時，松華壩水庫、牛欄江-滇池補水工程、盤龍江、滇池按照正常興利調度方式運行。

(2)當流域發生洪水時，牛欄江-滇池補水工程停止補水；松華壩水庫攔蓄上游洪水，以盤龍江水位不超過警戒水位1 891.0 m控制水庫的下泄水量；滇池水位維持在1 887.2 m運行，當水位突破1 887.2 m，滇池轉為防洪調度，開啟節制閘、海口閘和西園隧洞，加大泄洪，維持滇池水位回落至1 887.2 m。

(3)當盤龍江水位超過警戒水位時，松華壩水庫不下泄水量，壅高庫區水位，盡力攔蓄上游水量，減輕主城的防洪壓力；并根據上游區間洪水預報，當發生30年一遇及以下洪水時，松華壩采用設計汛限水位1 964.5 m進行調節；當發生50年一遇或100年一遇洪水時，采用水位1 962.5 m進行調節，以減輕下游洪災損失；當昆明站水位回落至警戒水位以下時，松華壩水庫恢復下泄，在保證昆明水文站水位不超過警戒水位1 891.0 m前提下，下泄水量降低松華壩庫區水位。

(4)滇池水位將壅高至1 887.5 m以上，為保證主城區的防洪安全應盡力加大海口閘的泄流量，使滇池水位盡快下降至1 887.5 m以下；當水位下降至1887.5m以下時，調節海口閘的泄流量，使水位均勻回落至1 887.2 m，減輕安寧市的防洪壓力。

此調度方案是在綜合考慮各水源工程情況和明確的警戒指標下，基于洪水預報及昆明站實時水位，以盡可能減免洪災損失為目的而得出的，使得在現狀防洪能力范圍內，盡量保障昆明主城的防洪安全。

但同樣由洪水調節分析可知，盤龍江只能宣泄松華壩-昆明站的區間30年一遇洪水，遠達不到100年一遇標準。通過加高提防、拓寬河道或者恢復北區的蓄滯洪區已不可能。盤龍江作為入滇池的主要河道之一，其周邊有西白沙河、金汁江、東白沙河和寶象河等入滇河流，必須采用分洪工程將盤龍江水提向金汁江或其他河道，以減輕主城防洪壓力和提高防洪標準。鑒于草海自身調蓄能力、西園隧洞分流能力及尾水外排等因素，西白沙河不宜作為分洪對象。只能向東邊的金汁江分洪，但金汁河已作為昆明北部兩個污水處理廠尾水外排的通道，且還是昆明市東部世博園一帶坡面徑流(雨水)的截流溝，因此要結合金汁江現有過流能力、匯流面積及現有防洪保護對象，進一步研究是否需要繼續向東白沙河、寶象河分洪，以及具體的分洪工程位置、流量、規模、建筑物形式等。滇池只能滿足20年一遇防洪標準，對于超標洪水，只有提高下游安寧城區段河道防洪標準，增加滇池泄流能力，減輕長期高水位對盤龍江等入湖河道的頂托作用。

除了上述工程措施之外，應做好風險防范措施，排查阻水河段及險工河段，做好城市排水管網的疏通、養護工作。應加強水文氣象觀測和預報工作，建立預警預報決策系統。健全滇池流域洪澇災害的社會預警和應急制度，明確各類預案群眾響應機制，增強全社會應對洪澇災害和風險的能力。

4 結 語

受城市擴張及不透水地面增加、蓄滯洪區侵占、河道縮窄等因素影響，滇池及其上下游的昆明、安寧等城市防洪形勢極為嚴峻。依據水力學模型對流域不同量級區間洪水組合、洪水調節等分析認為：盤龍江昆明城區的現狀安全泄量為99 m3/s，松華壩以上區間發生100年一遇標準洪水時，水庫在不泄洪的情況下通過降低汛限水位2 m確保大壩安全。盤龍江只能宣泄松華壩-昆明站的區間30年一遇洪水，遠不能滿足城市防洪安全要求。滇池通過海口河泄流及向西園隧洞分洪，能滿足滇池20年一遇的防洪標準。在此基礎上制定的聯合調度方案，充分發揮各工程的綜合效益，減輕了昆明主城區的防洪壓力。建議盡快開展盤龍江向金汁河等昆明市區東部主要河流分洪、整治安寧城區螳螂川河道等專題研究及工程方案實施，使昆明、安寧兩座城市達到規定的安全設防標準。

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