基于橡膠壩群的聯(lián)合調(diào)度運行方式研究

高大鵬

(阜新市水利局，遼寧 阜新 123000)

橡膠壩具有規(guī)模宏大、造型優(yōu)美、投資節(jié)省、見效較快、生態(tài)環(huán)境效益顯著等諸多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于生態(tài)景觀治理、防潮工程、地下水回灌、水力發(fā)電、農(nóng)業(yè)灌溉等領(lǐng)域。近年來，在城市生態(tài)景觀建設(shè)中由多個梯級橡膠壩工程組合而成的橡膠壩群所發(fā)揮的重要作用日趨突出，橡膠壩群的建成明顯提高了城市品位，促進(jìn)了城市建設(shè)以及水生態(tài)景觀建設(shè)的發(fā)展[1]。

1 橡膠壩概況

為改善細(xì)河沿岸生態(tài)環(huán)境，合理利用流域洪水資源，在細(xì)河干流城區(qū)段阜新市相繼建成蓄水高度均為2.5m的16座橡膠壩，如表1及圖1阜新城市橡膠壩群位置圖。這些梯級橡膠壩形成的帶狀水面長20.13km，覆蓋水域范圍244萬m2，總蓄水量337萬m3，有利于最大程度地攔蓄過境水量、打造濱河景觀工程和補給城區(qū)地下水，明顯改善了流域的生態(tài)環(huán)境。

細(xì)河景區(qū)防汛管轄范圍為：細(xì)河上游與高林臺河匯水口至細(xì)河下游玻璃園區(qū)漫水橋，全線11.7km，包括九座橡膠壩及泵房。橡膠壩為注水式，電動操作(停電時手動操作)，若需塌壩，全部排空水量，電動強排需20min。日常管理若將橡膠壩降壩50cm，電動需要5min，手動需要30min。平均壩長160m、壩袋平均高1.8m，庫區(qū)總儲水量180萬m3，平均每個庫區(qū)20萬m3。入主汛期后，每個橡膠壩有兩名技術(shù)人員看守，對橡膠壩壩袋進(jìn)行監(jiān)控、水位調(diào)節(jié)水位，防止壩袋破裂，造成洪水倒流，遇洪水來臨超過警戒線時，確保橡膠壩能夠正常趴壩、落壩。

2 細(xì)河橡膠壩群管護(hù)現(xiàn)狀

2.1 主城區(qū)防洪與河道景觀蓄水的矛盾

細(xì)河低水頭水工建筑物——橡膠壩的壩高不超過5m，橡膠壩蓄水區(qū)域水深受壩袋高度和河道自然坡降的控制，大多處于1.5-2.5m范圍，夏季充足的陽光日照條件適合于微生物、藻類的生長。庫區(qū)水溫升高及長期的立壩蓄水運行加劇了水體富營養(yǎng)化，立壩時間越長水生雜草的繁殖速度就越快，所引起的水域和水體污染也越嚴(yán)重。另外，塌壩運行致使灘地裸露在外，長期以往將滋生許多雜草，雜亂無章與周邊景觀極不協(xié)調(diào)，難以充分發(fā)揮工程的景觀效益。

表1 細(xì)河城市段橡膠壩基本情況表

圖1 阜新市城市橡膠壩群位置圖

2.2 下游地區(qū)與主城區(qū)對塌壩時間要求的矛盾

細(xì)河干流16座橡膠壩壩袋材質(zhì)均為棉綸帆布和橡膠，全部為注水式。由于特殊的壩體結(jié)構(gòu)，汛期調(diào)度運行過程中橡膠壩仍存在許多問題，具體如下：

1)受限條件多，需專人管護(hù)。由于特殊的壩體結(jié)構(gòu)，泥沙、氣溫、水溫、內(nèi)外水壓力等因素均可對橡膠壩運行工況及其蓄水高度造成影響，實際運行過程中實現(xiàn)全部自動化管理難度較大。

2)安全泄量小，壩體溢流量有限。對于柔性結(jié)構(gòu)的橡膠壩，受水流脈動壓力影響壩頂過流時壩袋易產(chǎn)生振動。為解決壩體易產(chǎn)生“V”形流或出現(xiàn)共振的問題，在充壩運行情況下壩上溢流設(shè)計允許水頭為0.4-0.6m，以5a一遇洪水流量作為溢流控制流量。充壩運行過程中遇超過允許水頭時，塌壩運行使得橡膠壩泄量非常有限。

3)調(diào)度不便，預(yù)警時間短。采取向壩袋充、排水的方式實現(xiàn)橡膠壩的塌壩和充壩運行，一般控制塌壩和充壩時間為1-2h、2-3h。所以，必須預(yù)留足夠的預(yù)警時間確保調(diào)度目標(biāo)的實現(xiàn)，對于突發(fā)洪水等非常規(guī)調(diào)度其適用性較差。例如，2013年7月15日，阜新市出現(xiàn)局部大暴雨，全市大到暴雨，平均降水量105.1mm，全市降水量156.0mm，最大降水量215.8mm。由于3號、4號、5號、6號壩出現(xiàn)塌壩運行，使得細(xì)河干流8號壩和2號壩達(dá)到10年一遇、20年一遇洪峰流量，實際過壩流量達(dá)到346m3/s和617m3/s，細(xì)河防洪壓力明顯增加。

3 細(xì)河橡膠壩群聯(lián)合調(diào)度運行方式

為了有效緩解城市防洪安全與橡膠壩群運行之間的矛盾，必須以聯(lián)合調(diào)度為基本原則，通過科學(xué)研究與分析體積橡膠壩群聯(lián)合調(diào)度，制定科學(xué)合理的汛期運行方案[2-3]。

3.1 聯(lián)合調(diào)度原則

實際工程中必須遵循以下調(diào)度原則，確保汛期橡膠壩群運行和城市防洪安全，具體如下：①以及時、準(zhǔn)確的水文預(yù)報和水文情報為依據(jù)，通過對水情的跟蹤預(yù)報實現(xiàn)科學(xué)調(diào)度、蓄泄兼顧運行。②全面考慮阜蒙縣段、城市中心段、新邱段防洪要求，對橡膠壩實行統(tǒng)籌管理、統(tǒng)一調(diào)度。③設(shè)計多種預(yù)案，為了保障橡膠壩的安全運行制定適用于不同級別洪水的預(yù)案。④實施汛期限蓄，堅持防洪安全第一的原則，在確保安全度汛的情況下兼顧景觀蓄水的要求。

3.2 調(diào)度運行方式

1)防洪為先，限蓄調(diào)度。為了能夠安全度汛，各橡膠壩在6月1日-9月20日(汛期)貫徹執(zhí)行訊限水位，以低于正常蓄水位1m作為訊限水位，該條件下控制庫區(qū)蓄水量為正常運行時的36%。以7月中旬-8月中旬為主汛期，在獲取大雨預(yù)報后要提前24h塌壩運行，保證洪水宣泄及原河床斷面的及時恢復(fù)[4]。

2)多預(yù)案應(yīng)對，洪水分級。根據(jù)洪峰流量對洪水合理劃分等級，不同的控制運行方案適用于不同級別的洪水。結(jié)合工程實際和相關(guān)資料，可將洪水級別劃分為設(shè)計、一般、小型3個等級。設(shè)Q為上游流，A、B為設(shè)計允許水頭和半塌壩運行條件下最大允許水頭的溢流流量，并將其作為洪水分級的邊界值，引入量，科學(xué)設(shè)計多應(yīng)對預(yù)案：①設(shè)計洪水預(yù)案：設(shè)計洪水符合流量條件Q>B，該條件下必須全部塌壩泄洪，市防指經(jīng)過各成員單位專家會商結(jié)果，防辦調(diào)度組統(tǒng)一調(diào)度橡膠壩群運行管理單位，保證橡膠壩運行和河道防洪的安全。②一般洪水預(yù)案：一般洪水符合流量條件A

3)依據(jù)水情，積極調(diào)控。在汛期運行過程中橡膠壩群必須遵循調(diào)度得當(dāng)、蓄泄兼顧的原則，保證提供的水文預(yù)報、情報的及時準(zhǔn)確性。為了及時應(yīng)對隨機的上游來水，洪水預(yù)報必須貫穿聯(lián)合調(diào)度的始終，這也是實時動態(tài)預(yù)報的過程。同時，加快形成及時報告重要天氣制度，氣象部門對細(xì)河流域可能發(fā)生的較大降雨要提前1-3d通知橡膠壩管理單位和市防辦及給成員單位。發(fā)生降雨較大時，結(jié)合海州水文站、朱家洼子雨量站的實測數(shù)據(jù)，水文局負(fù)責(zé)水情上報人員要快速預(yù)報出細(xì)河干流上游來水洪水過程、洪峰流量，并在此基礎(chǔ)上科學(xué)決策橡膠壩調(diào)度方式。通過對降雨產(chǎn)流趨勢的合理分析，為梯級橡膠壩提供尾部洪水開始攔蓄的最佳時機，以防發(fā)生水小時無法完全利用、水大時不能利用的情況。

4)統(tǒng)籌調(diào)度，地域管理。結(jié)合細(xì)河橡膠壩群8號距9號壩5km、10號距11號壩3.1km的分布情況，洪水演進(jìn)時具有較充足的時間。對此，可以采取地域管理的模式，將12座橡膠壩劃分成新邱段、城市中心段、阜蒙縣段，并實行聯(lián)合調(diào)度、統(tǒng)一管理。收到洪水預(yù)報后，在預(yù)報發(fā)生設(shè)計洪水時按橡膠壩控制方案，按照城市中心段1、3、5、7號橡膠壩以及阜蒙縣段、新邱段的9號和11號橡膠壩的順序依次塌落，若洪水進(jìn)一步發(fā)展則全部塌落所有橡膠壩，合理控制相鄰橡膠壩的塌落時間間隔為10min。

在最大洪峰來臨之前必須保證橡膠壩塌壩操作的全部完成，為了防止出現(xiàn)自然來水洪峰流量人為加大的情況，應(yīng)將上游來水洪峰流量與塌壩引起的壩前蓄水出流過程錯開。同時，要最大程度的人為造峰促使洪水成為肥胖平緩型過程，而非尖廋的陡漲陡落型過程，即遵循量大峰小的原則保證橡膠壩群度汛安全。

4 結(jié) 論

如何科學(xué)合理的調(diào)度運行橡膠壩群，在很大程度上決定了城市生態(tài)河道建設(shè)及橡膠壩群工程效益的發(fā)揮。文章全面研究了細(xì)河干流主城區(qū)防洪與河道景觀蓄水、下游地區(qū)與主城區(qū)對塌壩時間要求間的矛盾，提出了實用性較強的橡膠壩群聯(lián)合調(diào)度運行方式，可為綜合調(diào)度運行各地橡膠壩提供一定指導(dǎo)依據(jù)。