昆明城市補水對滇池下游城鎮防洪影響研究

崔松云，董盛明，肖 林，李顯鴻，王 軍

(1.云南省水文水資源局昆明分局，云南 昆明 650051；2.河海大學，江蘇 南京 210098)

水資源短缺已經成為制約我國社會經濟發展的重要因素，為了緩解水資源短缺、并改善水環境和水生態，我國修建了大量的調水和補水工程。這些工程在發揮水資源優化配置效益的同時，也產生了諸多附加效應，如水環境、水生態、泥沙通量、防洪安全等。圍繞調水或補水工程附加效應，國內學者開展了大量研究，如常玉苗[1]、景福林[2]研究了跨流域調水對生態環境影響綜合評價指標體系；何越人[3]、安國慶[4]、張磊[5]等研究了調引水工程對生態環境的影響；金勇[6]研究了南水北調西線工程對長江徑流的影響；錢凱霞[7]研究了南水北調西線工程對通天河調水對長江電力的影響，此外，國內多位學者[8- 12]圍繞調水工程對水生態、水系連通等方面的影響開展了針對性研究。

盡管國內學者對調水或補水工程影響研究較多，但主要集中在水環境、水生態、河流泥沙等方面，在防洪安全影響方面的研究相對較少。本文以昆明市滇池補水為例，研究滇池補水對其下游城市的防洪安全影響，定量分析外流域調水和本流域洪水遭遇后下游主控斷面設計洪水變化，并在此基礎上開展河道防洪能力評價，為下游城市防洪安全保障提供科技支撐。

1 理論方法

定量分析滇池補水對其下游城市防洪安全影響，涉及非一致性條件下的設計洪水計算及地區組成和河道水面線推求等。本次采用水量平衡法進行還原計算，使水文資料滿足隨機穩態假設條件，在此基礎上進行水文頻率分析計算并推求設計洪水；采用簡化能量方程推求水面線，基本原理如下。

1.1 水文頻率分析計算

在我國，水文要素分布函數一般采用P-Ⅲ型曲線，數學上稱為γ分布(三參數Gamma分布)，其概率密度函數為：

(1)

式中，a0，β，α—分別為分布的位置、尺度和形狀參數。

1.2 設計洪水地區組成

設計洪水地區組成方法很多，本文采用同頻率法，基本原則為上下同頻，區間相應；或上區同頻，下游相應。當下游斷面發生設計頻率p的洪量WCp時，上游斷面發生同頻率洪量WAp，而區間發生相應的洪量用公式(2)計算。

WB=WCp-WAp

(2)

1.3 水面線推求

水面線推求采用簡化能量方程。若計算河段比較順直均勻，兩斷面的面積變化不大，可略去兩斷面的流速水頭差和局部水頭損失，公式如下：

(3)

式中，Z1、Z2—上下斷面水位；Q—流量；K—流量模數；ΔS—兩個斷面的距離。

2 滇池補水后各控制斷面設計洪水推求

2.1 研究區域概況

2.1.1河流水系

本次研究范圍河段位于滇池下游螳螂川(普渡河中游河段)，行政區包括安寧市和富民縣。由于滇池水域分隔，海口以上習慣稱為滇池流域，海口閘以下至石龍壩電站段稱海口河，石龍壩電站以下至富民永定橋段稱為螳螂川，以下至金沙江交口段稱為普渡河。普渡河流向經富民、祿勸縣境，最終匯入金沙江。全流域面積為11751km2，河長364km，河道平均坡降4.5‰。普渡河流域水系、水文站點空間分布如圖1所示。

2.1.2補水工程

為解決水資源短缺問題，云南省相繼在滇池流域實施了掌鳩河引水濟昆、清水海引水和牛欄江—滇池補水三項外流域補水工程，現狀外流域補水流量達到31.1m3/s。

2.1.3補水后下游防洪形勢分析

在高強度人類活動和補水工程調水復合影響下，可能會出現外調水量與本流域洪水遭遇情況，進而嚴重威脅人民生命財產安全和制約經濟社會的可持續發展[4]。盡管昆明市已加大對城區淹水點、入滇池河道和滇池出口河道綜合整治，在一定程度上緩解滇池周邊和昆明城區防洪壓力；然而滇池下游的安寧市和富民縣中心城鎮位于螳螂川河畔，防洪斷面以上區間面積大、暴雨洪水地區組成復雜，同時，滇池下泄洪水易與區間洪水遭遇，從而給兩縣防洪安全帶來更加嚴峻的挑戰。因此，定量評估滇池補水對下游城市防洪安全的影響，并為下游防洪規劃提供科學支撐是亟待解決的問題。

圖1 普渡河流域水系及水文站點分布

2.2 防洪控制斷面及防洪標準

根據河流水系及滇池下游城鎮位置分布情況，考慮相應城鎮開展防洪預警的時效性及可控性，確定滇池下游城鎮防洪控制斷面，安寧市防洪控制斷面為城區上游的小菜園及中游的溫青閘斷面，富民縣城防洪控制斷面為城區上游的永定橋及中游的麥竜閘斷面。

隨著現代新昆明發展戰略的推進，昆明市提出“一主四輔”的發展模式，并將安寧和富民縣城定位為一般城鎮，人口20萬以內。根據GB 50201—2014《防洪標準》的規定，一般城鎮等級為Ⅳ，防洪標準采用20年一遇。

2.3 洪水地區組成分析

根據河流水系空間拓撲關系可知，安寧市防洪控制斷面(小菜園、溫青閘)、富民縣城防洪控制斷面(永定橋、麥竜閘)洪水由滇池下泄與區間洪水組成。由于滇池下泄洪水受人為調控，可視為人工洪水，而區間洪為天然洪水，兩者洪水特征、量級等存在顯著差別，需分別研究。因此，洪水分析內容包括滇池入出湖洪水、滇池出口(包括西園隧洞)至防洪控制斷面區間洪水和洪水地區組成。

安寧市防洪控制斷面(小菜園、溫青閘)洪水依據螳螂川干流海口(包括西園隧洞)、小菜園和蔡家村水文站實測資料分析，富民縣城防洪控制斷面(永定橋、麥竜閘)洪水主要根據蔡家村、三岔河和三江口站實測資料分析(各站空間分布圖如圖1所示)。

2.3.1滇池入、出湖洪水

滇池入湖洪水分析方法：①根據水量平衡原理還原入湖洪水，同時考慮上游水庫群的攔蓄影響，推求現狀近似天然入湖洪水系列；②將天然入湖洪水系列作頻率計算，并在此基礎上考慮歷史洪水訂正統計參數(選擇盤龍江上游小河水文站類比分析)，據此計算滇池總入湖設計洪水；③分析上游大、中型8座水庫入庫設計洪水(采用水文比擬法)，并進行調節計算；④按水量平衡方程計算水庫群以下至滇池區間設計洪水，其中考慮因城區不透水面積擴大導致相同暴雨條件下的洪水增量以及外流域引水濟昆工程(包括云龍水庫、清水海、牛欄江)實施后的回歸水；⑤將上游水庫群經調節計算后的設計下泄量與區間設計洪水迭加后組成滇池入湖設計洪水。

關于出湖洪水，根據上述分析得到的入湖洪水過程，采用水量平衡原理結合滇池現狀調度模式、湖容曲線、下泄曲線進行調節計算得到下泄洪水過程。

2.3.2滇池出口至防洪控制斷面區間洪水

海口至安寧市防洪控制斷面(小菜園、溫青閘)區間洪水，根據海口、菜家村水文站實測洪水資料統計，海口站現狀最大出流量僅80m3/s(平均為20m3/s)，占蔡家村站實測年最大洪水的10%以內，主要洪水由區間產生，因此，區間洪水先分析菜家村站洪水，再采用水量平衡原理計算。

海口至富民縣城防洪控制斷面(永定橋、麥竜閘)區間洪水，根據實測水文資料分析可知，滇池下泄流量在蔡家村站實測年最大洪水中所占比重較小，蔡家村、三岔河、三江口站的洪水主要由區間產生，故依據各站實測和調查洪水資料直接估計區間洪水。

2.3.3洪水地區組成

對于安寧市防洪控制斷面(小菜園、溫青閘)而言，斷面處于海口站與蔡家村站區間(簡稱海蔡區間)，因滇池流域面積占蔡家村站控制面積的56.6%，海蔡區間占43.4%，屬山丘型的中等流域，地形、地貌變化大。從暴雨空間分布情況看，因流域水文條件十分復雜，暴雨空間分布不均勻的特點更顯著，整個流域發生同頻洪水幾率不大。因此，河道洪水采用洪水地區組成，根據流域地形、地貌以及水文條件、區間暴雨量等，考慮采用滇池與蔡家村站同頻、區間相應的組合方式計算控制斷面洪水。

對于富民縣城防洪控制斷面(永定橋、麥竜閘)來說，滇池洪水比重相對小，而區間洪水比重大，采用區間與滇池下泄洪水直接組合方式。

2.4 防洪控制斷面洪水分析成果

按照上述分析思路及方法，分塊分單元對各部分洪水分析后，經洪水地區組成得到各防洪控制斷面設計洪水。鑒于滇池出湖河道海口河于2014年7月完成了綜合整治，滇池下泄流量增大，為定量分析外流域調水及海口河整治后對滇池下游城鎮的防洪影響，按海口河整治前、后兩種工況進行洪水組合，具體成果見表1。

表1 不同工況條件下滇池下游城鎮防洪控制斷面設計洪水成果

將上述分析成果與前期已通過審查或實施的工程水文分析成果(如昆明市城市防洪總體規劃、麥竜閘整治初步設計報告等)相比，成果接近，表明本次計算成果合理，可用于分析滇池補水對下游防洪的影響。

3 滇池補水后對下游防洪影響分析

為定量分析評價河道過流能力，根據河道洪水具有連續的特點，采用水力學方法計算分析范圍河段的設計水面線，據此評價河段防洪能力。

3.1 邊界條件及參數

根據水力計算等相關規范確定的控制斷面選取原則，安寧市防洪河段選擇15個，富民縣城防洪斷面選擇20個控制斷面。

3.1.1上下邊界條件及初始條件設置

上邊界采用20年一遇設計洪水計算成果，下邊界采用水位條件。其中，安寧市防洪河段選擇溫青閘為控制，海口河治理前20年一遇起始水位為1823.48m，治理后水位為1823.77m，以小菜園站為校核；富民縣城防洪河段選擇麥竜閘為控制，海口河治理前20年一遇起始水位為1677.913m，治理后為1678.173m。

3.1.2河道綜合糙率及比降

根據實測斷面、流量資料結合相關規范分析確定綜合糙率取值，現狀岸邊有少許雜草的取0.035，砌石擋墻取0.025，生態斷面取0.030。根據實測資料，安寧小菜園至溫青閘段比降為1.05‰，富民縣城永定橋至麥竜閘段比降為4.87‰。

3.2 設計洪水位計算

根據邊界條件、初始條件及參數取值，采用明渠恒定非均勻漸變流公式分段求和法(簡化能量方程)自下而上試算安寧市防洪河段和富民縣城防洪河段沿程水位。

鑒于安寧市防洪河段主要以小菜園控制，富民縣城主要以永定橋控制的情況，在此僅列出起始和主要防洪控制斷面特征洪水位成果，20年一遇水面線計算成果見表2。

表2 現狀河道水面曲線成果表 單位：m

3.3 防洪影響分析

3.3.1安寧市

根據表2中設計水面線成果可知，在滇池出口河段海口河未整治前，安寧市防洪控制斷面(小菜園)可滿足20年一遇防洪標準；海口河治理后，下泄流量增加44m3/s，該斷面設計洪水位超過兩岸河堤高程(左岸超高0.48m，右岸超高0.43m)，不滿足20年一遇防洪標準。

3.3.2富民縣

對于富民縣城永定橋斷面而言，不論海口河治理與否，洪水位均高于兩岸河堤高程，不滿足20年一遇防洪標準，若以洪水位不超過現狀堤頂控制，最大過水流量僅270m3/s，相當于5年一遇。

綜上，不論是安寧市還是富民縣城防洪河段，河道過水能力十分有限。當滇池下泄20年一遇洪水時，與區間組合后的洪峰流量對其是存在一定影響的，特別是海口河治理后，20年一遇下泄洪峰流量增大至164m3/s，小菜園、永定橋防洪控制斷面洪水位都超過兩岸河堤高程，而不滿足行洪要求。

4 結語

防洪體系是保障人民群眾生命財產安全的系統工程。本文對昆明城市補水對滇池下游城鎮防洪安全進行了影響分析，結果表明，滇池流域實施多項外流域補水工程后，一方面確保了昆明城市供水安全，但同時也加劇了滇池下游安寧市、富民縣的防洪形勢。為確保滇池下游兩城鎮的防洪安全，需結合安寧市、富民縣防洪現狀，提出針對性對策措施，降低滇池補水對下游防洪安全的影響。