烏巢河水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水及防洪影響分析研究

盧留虎

(湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

1 項(xiàng)目背景

鳳凰縣地處湘、黔、渝三省市邊緣地區(qū)，多年平均降水量少于全州均值，由于降雨季節(jié)不能和作物耕種季節(jié)完全相適應(yīng)，加上地形復(fù)雜，山高坡陡，土層脊薄，陰河眾多，旱災(zāi)發(fā)生頻繁，曾有“十年九旱”之說(shuō)，特別是秋旱或夏秋連旱極為頻繁，是鳳凰縣的最大自然災(zāi)害?？h境內(nèi)蓄水工程少，沒(méi)有健全的灌溉系統(tǒng)，現(xiàn)狀主要灌溉水源工程龍?zhí)梁铀畮?kù)建于1974年，灌溉渠道滲漏嚴(yán)重。興建烏巢河水庫(kù)建成后，與現(xiàn)有龍?zhí)梁庸鄥^(qū)組合成烏龍灌區(qū)，對(duì)提高灌區(qū)灌溉保證率，保證糧食安全意義重大。

鳳凰縣城作為國(guó)家級(jí)歷史文化名城，古城墻、沿河商鋪、吊腳樓依老城區(qū)的沱江河兩岸修建。由于老城區(qū)沿河無(wú)法修建防洪堤(沿河為旅游景區(qū))及新城區(qū)防洪堤尚未全部建成，因此，鳳凰縣城洪災(zāi)較為頻發(fā)。鳳凰縣洪水一般發(fā)生在每年的5—8月，期間峰量大、來(lái)勢(shì)猛，嚴(yán)重危害人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

烏巢河水庫(kù)位于武水一級(jí)支流沱江上游，是一座以灌溉、防洪為主，兼顧城鎮(zhèn)供水、灌區(qū)農(nóng)村人畜用水及生態(tài)用水要求的綜合利用水利工程。水庫(kù)下游距離鳳凰縣城36 km，水庫(kù)興建后，預(yù)留防洪庫(kù)容，聯(lián)合長(zhǎng)潭崗水庫(kù)合理調(diào)度，完善了城市防洪體系建設(shè)，可提高鳳凰縣城的防洪標(biāo)準(zhǔn)，保護(hù)歷史文化名城，減少洪災(zāi)對(duì)鳳凰縣城的襲擊，更好保護(hù)旅游區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)安全，維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定，促進(jìn)鳳凰旅游事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

2 設(shè)計(jì)洪水

2.1 流域概況

沱江為武水一級(jí)支流、沅江二級(jí)支流，流域總面積為981 km2，河流長(zhǎng)度為131 km，河流坡降為2.78‰。沱江發(fā)源于鳳凰縣中部，流經(jīng)臘爾山、鳳凰城、解放巖，于吉首市河溪鎮(zhèn)小河壩匯入武水。流域形狀上游寬、下游窄，地勢(shì)西北高、東南低，上游分水嶺高程約為990 m，中下游約為400～600 m。沱江在鳳凰縣城上游約為27 km處分為烏巢河(左支)、龍?zhí)梁?右支)兩大支流。

烏巢河水庫(kù)位于沱江左支，流域內(nèi)峰巒疊嶂谷深河險(xiǎn)，植被良好，高程在800～1 057 m之間，壩址以上流域面積為85.3 km2。龍?zhí)梁铀畮?kù)位于沱江右支，鳳凰縣城西北約39 km處，該水庫(kù)建于1974年，以灌溉為主。烏巢河水庫(kù)建成后，與現(xiàn)有龍?zhí)梁庸鄥^(qū)合并成烏龍灌區(qū)。

烏巢河水庫(kù)下游，鳳凰縣城上游約11 km的沱江干流建有長(zhǎng)潭崗水庫(kù)。該水庫(kù)于1994年底蓄水發(fā)電，為中型水庫(kù)，控制集雨面積為460 km2，是沱江流域的龍頭水庫(kù)，以防洪為主，兼有灌溉、發(fā)電、供水、旅游等綜合效益。水利工程位置及水系情況見(jiàn)圖1。

圖1 工程位置及水系示意

2.2 洪水特性及成因

本流域洪水均由暴雨所形成，屬暴雨型洪水。流域內(nèi)降水集中，山地、丘陵面積廣、坡度較大，導(dǎo)致流域內(nèi)洪水具有洪水歷時(shí)短、峰型單瘦、陡漲陡落、年最大洪峰流量年際變化大等特性。長(zhǎng)潭崗水庫(kù)建成蓄水，影響了鳳凰(二)水文站洪水資料的一致性，但長(zhǎng)潭崗水庫(kù)無(wú)完整的觀(guān)測(cè)資料，無(wú)法對(duì)1994年以后的洪水資料進(jìn)行還原計(jì)算，洪水計(jì)算的實(shí)測(cè)系列取1959—1993年。

根據(jù)鳳凰(二)站1959—1993年實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)：實(shí)測(cè)年最大流量極大值為896 m3/s(1974年7月)，次大值為840 m3/s(1970年6月)，極小值為138 m3/s(1978年5月)，極值比為6.1。洪峰出現(xiàn)時(shí)間集中在5—7月，占78.5%，其中5月占25.5%(13次)，6月占37.3%(19次)，7月占15.7%(8次)；4月、8月、9月、10月甚至11月也偶有年最大洪水發(fā)生，分別出現(xiàn)過(guò)2次、3次、1次、1次、4次，該站年最大洪水分布如圖2所示。本流域?qū)偕絽^(qū)性小流域，洪水陡漲陡落，一般洪水歷時(shí)1 d，多為單峰。

圖2 鳳凰水文站年最大洪水分布示意

2.3 鳳凰設(shè)計(jì)洪水

表1 鳳凰(二)水文站設(shè)計(jì)洪水成果 m3/s

2.4 烏巢河設(shè)計(jì)洪水

烏巢河水庫(kù)壩址集雨面積為85.3 km2，距離下游鳳凰(二)水文站36 km。采用水文比擬法和推理公式法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水。由奪希雨量站1963—2016年長(zhǎng)系列實(shí)測(cè)最大24 h降雨資料，采用P—Ⅲ型曲線(xiàn)進(jìn)行頻率計(jì)算24 h設(shè)計(jì)暴雨。根據(jù)《湖南省暴雨洪水查算手冊(cè)》中推薦的推理公式法計(jì)算壩址設(shè)計(jì)洪水，公式如下：

(1)

τ=0.278/(m×J1/3×Qm1/4)

(2)

工程位于暴雨一致性分區(qū)4區(qū)，由各時(shí)段設(shè)計(jì)暴雨推求凈雨過(guò)程，其中初損取I0=25mm，R上/R總=0.64～0.76。自最大凈雨強(qiáng)度開(kāi)始向前后相鄰時(shí)段連續(xù)累加，并除以相應(yīng)的歷時(shí)，得出時(shí)段平均最大凈雨強(qiáng)度，點(diǎn)匯～τ相關(guān)線(xiàn)。地下徑流R下=R總-R上，以τ時(shí)刻為地下徑流峰值位置，按照等腰三角形關(guān)系,求地下徑流峰值及地下徑流過(guò)程。地面徑流過(guò)程與地下徑流過(guò)程疊加可得設(shè)計(jì)洪水過(guò)程，地面徑流峰值時(shí)刻對(duì)應(yīng)的流量為設(shè)計(jì)洪水洪峰流量。計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水成果見(jiàn)表2。

表2 烏巢河壩址設(shè)計(jì)洪水成果

P=0.1%、0.2%時(shí)：推理公式計(jì)算成果比水文比擬法計(jì)算成果小4.0%；P=1%、4%、5%、50%時(shí)：推理公式計(jì)算成果比水文比擬法計(jì)算成果大1.0～22%；水庫(kù)設(shè)計(jì)頻率洪水(P=2%)，推理公式計(jì)算成果比水文比擬法計(jì)算成果大2.0%，推薦采用推理公式法計(jì)算成果。

3 防洪影響分析

3.1 防洪體系

鳳凰縣城市防洪規(guī)劃原則為：城市防洪規(guī)劃與城市建設(shè)和古城保護(hù)總體規(guī)劃相結(jié)合，近期(2010年)設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)20年一遇，遠(yuǎn)景50年一遇。老城區(qū)沿河是旅游景區(qū)，無(wú)法新修堤防，防洪主要依靠上游防洪水庫(kù)的削峰；新城區(qū)沿河可以修建堤防，其防洪體系為水庫(kù)+堤防的防洪方案。

1)城市堤防

鳳凰古城墻、沿河商鋪、吊腳樓依老城區(qū)的沱江河兩岸修建，老城區(qū)地面高程約為305.5 m，安全泄量約為670 m3/s；新城區(qū)完成了部分堤防建設(shè)，堤防的規(guī)劃安全泄量為1 180 m3/s。

2)長(zhǎng)潭崗水庫(kù)

長(zhǎng)潭崗水庫(kù)的防洪庫(kù)容為2 310萬(wàn)m3，長(zhǎng)潭崗水庫(kù)防洪調(diào)度方式：

① 水庫(kù)從防洪限制水位392.00 m起調(diào)，長(zhǎng)潭崗—鳳凰縣城區(qū)間流量小于100 m3/s時(shí)，當(dāng)來(lái)流小于570 m3/s時(shí)，水庫(kù)來(lái)多少泄多少(泄流能力小于來(lái)水時(shí)按泄流能力下泄)，當(dāng)來(lái)流大于570 m3/s時(shí)，水庫(kù)控制泄量570 m3/s；

② 長(zhǎng)潭崗—鳳凰縣城區(qū)間流量大于或等于100 m3/s時(shí)，當(dāng)來(lái)流小于360 m3/s時(shí)，水庫(kù)來(lái)多少泄多少(泄流能力小于來(lái)水時(shí)按泄流能力下泄)，當(dāng)來(lái)流大于360 m3/s時(shí)，水庫(kù)控制泄量為360 m3/s；

③ 庫(kù)水位大于防洪高水位為398.00 m時(shí)，水庫(kù)開(kāi)閘敞泄，轉(zhuǎn)入保壩的調(diào)度方式。

長(zhǎng)潭崗水庫(kù)防洪調(diào)度方式見(jiàn)表3。

表3 長(zhǎng)潭崗水庫(kù)防洪調(diào)度方式

3)烏巢河水庫(kù)

汛期4月1日至9月30日，應(yīng)預(yù)留防洪庫(kù)容為500萬(wàn)m3，相應(yīng)防洪限制水位為518.50 m，防洪高水位為525.10 m。洪水來(lái)臨時(shí)，利用防洪庫(kù)容錯(cuò)峰，按相應(yīng)控制泄量泄洪；洪水退水期將庫(kù)水位限制在防洪限制水位以迎接下一次洪峰；汛后10月1日允許蓄至正常蓄水位。防洪調(diào)度方式：當(dāng)水庫(kù)來(lái)水小于280 m3/s時(shí)，來(lái)多少泄多少；當(dāng)來(lái)流大于280 m3/s時(shí)，水庫(kù)控泄280 m3/s；庫(kù)水位至防洪高水位525.10 m后，轉(zhuǎn)入保壩安全防洪調(diào)度，開(kāi)啟閘門(mén)按泄流能力下泄。

3.2 洪水組合分析

烏巢河水庫(kù)具有防洪作用，其防洪保護(hù)對(duì)象為鳳凰縣城。根據(jù)鳳凰縣城城市防洪規(guī)劃，通過(guò)烏巢河水庫(kù)與長(zhǎng)潭崗水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度達(dá)到縣城的防洪目的。

根據(jù)烏巢河水庫(kù)與長(zhǎng)潭崗水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度防護(hù)鳳凰縣城的規(guī)劃，對(duì)各區(qū)間洪水進(jìn)行組合分析，3種組合方案如下：① 烏巢河設(shè)計(jì)，烏～長(zhǎng)區(qū)間(區(qū)間1)、長(zhǎng)～鳳區(qū)間(區(qū)間2)相應(yīng)；② 烏巢河、長(zhǎng)～鳳區(qū)間(區(qū)間2)相應(yīng)，烏～長(zhǎng)(區(qū)間1)設(shè)計(jì)；③ 烏巢河、烏～長(zhǎng)(區(qū)間1)相應(yīng)，長(zhǎng)～鳳區(qū)間(區(qū)間2)設(shè)計(jì)。洪水組合情況見(jiàn)表4，“兩庫(kù)”防洪調(diào)度成果見(jiàn)表5。

表4 洪水組合

表5 “兩庫(kù)”(烏巢河、長(zhǎng)潭崗水庫(kù))聯(lián)合調(diào)度成果

根據(jù)烏巢河水庫(kù)壩址設(shè)計(jì)、相應(yīng)洪水流量及防洪調(diào)度方式，當(dāng)發(fā)生以烏巢河水庫(kù)上游為主的洪水時(shí)(組合1)，烏巢河水庫(kù)削減洪峰流量分別為192 m3/s(P=2%)、93 m3/s(P=5%);當(dāng)洪水以烏巢河水庫(kù)～鳳凰縣城為主時(shí)(組合2、3)，烏巢河水庫(kù)不控泄。

3.3 防洪效益分析

長(zhǎng)潭崗水庫(kù)壩址流域面積占鳳凰縣城流域面積的87.8%，預(yù)留防洪庫(kù)容為2 310萬(wàn)m3，對(duì)鳳凰縣城防洪作用較大，考慮長(zhǎng)潭崗水庫(kù)單庫(kù)防洪作用，可將老城區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)提高至約20年一遇。

本次設(shè)計(jì)上游烏巢河水庫(kù)預(yù)留防洪庫(kù)容為 500萬(wàn)m3，通過(guò)與長(zhǎng)潭崗水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度，當(dāng)洪水以烏巢河水庫(kù)上游為主時(shí)，可將老城區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到約25年一遇；當(dāng)洪水以烏巢河水庫(kù)—鳳凰縣城為主時(shí)，烏巢河水庫(kù)對(duì)下游防洪作用不明顯。

3.4 潰壩洪水分析

壩體為砼砌塊石拱壩，按大壩在校核洪水位下瞬間橫縱向潰壩2/3，估算壩址處潰壩最大流量及水庫(kù)放空時(shí)間。

最大流量計(jì)算公式：

(3)

式中QM為壩址處潰壩最大流量,m3/s；B為潰壩時(shí)水面寬,m；H0為潰壩時(shí)水庫(kù)水深,m；b為局部潰口處寬度,m。

水庫(kù)泄空時(shí)間：

(4)

式中t為水庫(kù)泄空時(shí)間,s；W為可泄總水量,m3；QM為潰壩最大流量,m3/s；K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，校核水位為525.10 m時(shí)，最大潰壩流量為45 086 m3/s，水庫(kù)放空時(shí)間為1 807 s，約30 min。

烏巢河水庫(kù)在校核洪水位垮壩時(shí)，洪水的沖力是很大的。計(jì)算潰壩時(shí)洪水到長(zhǎng)潭崗水庫(kù)尾水及其壩址的時(shí)間及最大流量時(shí)，按下述公式計(jì)算，所得結(jié)果為潰壩時(shí)各斷面增加的設(shè)計(jì)洪水流量。

(5)

式中QLM為當(dāng)潰壩最大流量演進(jìn)至距壩址為L(zhǎng)處時(shí)，在該處出現(xiàn)的最大流量,m3/s；W為水庫(kù)潰壩時(shí)的庫(kù)容,m3；QM為壩址處的潰壩最大流量,m3/s；L為距壩址的距離,m；v為下游L處河道洪水期斷面最大平均流速,m/s，一般山區(qū)河流可取3.0～5.0 m/s，半山區(qū)可取2.0～3.0 m/s，平原可采用1.0～2.0 m/s，本次取5.0；K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，山區(qū)取1.1～1.5，半山區(qū)取1.0，平原取0.8～0.9，本次取1.5。

經(jīng)計(jì)算，校核洪水位時(shí)發(fā)生潰壩洪水，潰壩洪水到長(zhǎng)潭崗水庫(kù)尾水處及壩址的最大流量分別為10 514 m3/s、4 846 m3/s。

潰壩洪水傳播的時(shí)間按下述公式計(jì)算：

(6)

式中t2為最大洪量到達(dá)時(shí)間,s；L為距壩址距離,m；H0為壩上游水深,m；hm為最大流量時(shí)平均水深,m；W為可泄總水量,m3；K2為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

當(dāng)校核洪水時(shí)潰壩，最大洪峰到達(dá)長(zhǎng)潭崗水庫(kù)尾水處及壩址的時(shí)間分別為20 min、60 min。

烏巢河水庫(kù)潰壩時(shí)蓄水量為1 800萬(wàn)m3，到達(dá)長(zhǎng)潭崗壩址處洪峰流量為4 846 m3/s，洪水過(guò)程概化為三角形。長(zhǎng)潭崗水庫(kù)防洪庫(kù)容為2 310萬(wàn)m3，以汛限水位作為起調(diào)水位，不考慮烏巢河～長(zhǎng)潭崗區(qū)間洪水時(shí)，考慮上游潰壩時(shí)刻開(kāi)始水庫(kù)預(yù)泄騰庫(kù)。經(jīng)調(diào)洪計(jì)算，庫(kù)水位控制在防洪高水位以下，大壩不漫頂(如圖3所示)。

圖3 長(zhǎng)潭崗水庫(kù)調(diào)洪結(jié)果示意

4 結(jié)語(yǔ)

1)烏巢河水庫(kù)是一座以灌溉、防洪為主，兼顧城鎮(zhèn)供水、灌區(qū)農(nóng)村人畜用水及生態(tài)用水要求的綜合利用水利工程。工程建成后，對(duì)健全區(qū)域灌溉系統(tǒng)，提高灌區(qū)灌溉保證率，增加糧食及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水意義重大。

2)烏巢河與長(zhǎng)潭崗水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度，當(dāng)洪水以烏巢河水庫(kù)上游為主時(shí)，可將老城區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)提高至25年一遇；當(dāng)洪水以烏巢河水庫(kù)～鳳凰縣城為主時(shí)，烏巢河水庫(kù)對(duì)下游防洪作用不明顯。

3)烏巢河水庫(kù)位于峽谷地區(qū)，最大壩高為 76.5 m，校核水位為525.10 m時(shí)，最大潰壩流量達(dá)45 086 m3/s。不考慮烏巢河～長(zhǎng)潭崗區(qū)間洪水時(shí)，潰壩洪水至長(zhǎng)潭河壩址洪峰流量為4 846 m3/s，長(zhǎng)潭河水庫(kù)庫(kù)水位可以控制在防洪高水位以下，大壩不漫頂。

4)烏巢河水庫(kù)地處峽谷地帶，下游有長(zhǎng)潭崗水庫(kù)及鳳凰縣城。工程建設(shè)及運(yùn)行期，須保證工程質(zhì)量及大壩安全檢測(cè)系統(tǒng)、水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)正常運(yùn)行，保證水庫(kù)科學(xué)調(diào)度、安全運(yùn)行。