淺蓄滯洪區內的電力工程建設

趙 威

（湖北省電力勘測設計院有限公司，湖北 武漢 430040）

1 概述

我國是暴雨洪水災害較多的國家，洪水災害是主要的自然災害之一，蓄滯洪區是江河防洪體系的重要組成部分，是減輕災害、保障防洪安全的有效措施。為了保證重點地區的防洪安全，將有條件地區開辟為蓄滯洪區，有計劃地蓄滯洪水，是兼顧區域防洪規劃實際與經濟可持續發展的需要，也是為保全大局，而不得不犧牲局部利益的全局性考量。

江河防洪調度的一般原則為：充分利用河道的泄洪能力，適時發揮干支流水庫的攔洪錯峰作用；當控制站水位接近分洪水位時，首先扒開洲灘民垸，擴大河道行洪能力；遇超過河道泄洪能力洪水時，應立即運用蓄滯洪區分蓄超額洪水，確保重點堤防、地區和城市的防洪安全。以湖北省武漢市為例，作為長江流域的重要城市，蓄滯洪區的建設對于保障地區防洪安全有著重要的意義。

2 分洪概率與洪水評價

2.1 分洪運用概率

在蓄滯洪區內開展電力工程建設需要明確該蓄滯洪區的分洪運用概率，并根據工程類別和相應防洪要求進行初步分析。圖1 為蓄洪區分洪。

圖1 蓄洪區分洪

一般蓄滯洪區的啟用概率低于100 年/次，例如白潭湖蓄滯洪區的啟用概率為20～30 年/次。根據《防洪標準》規定，大型火力發電設施的防洪標準為100 年一遇，由于電廠的重要程度不可忽視，一般在蓄滯洪區內是禁止進行大型火電工程建設的。35 kV以上變電站的防洪標準不低于50 年一遇，那么在白潭湖蓄滯洪區內建變電站必須考慮分洪的影響，一般采取墊高方式處理。220 kV 線路的防洪標準為10～20 年，那么220 kV 線路穿越白潭湖蓄滯洪區則不用額外墊高[1]。

2.2 洪水影響評價

由于分蓄洪區影響重大，其主管單位一般為省級水利行政主管部門，故蓄滯洪區內的工程建設需要進行洪水影響評價，待評審通過后才能申請施工許可，行政審批流程較長，因此在工程可研階段就要考慮到行政審批的問題。

另外，蓄滯洪區內架空線路需考慮凈空高的問題，架空線路在分蓄洪狀態下也不得影響抗洪救災安全。線路最低弧垂高度應在分蓄洪水位以上，且要預留搶險救災船舶凈空高度4.5 m（不含電力安全超高）。

2.3 數學模型建立

數學模型的構建主要是選取模型范圍和網格剖分，計算范圍應根據分蓄洪區工程建設所涉及區域確定，在規劃階段也要考慮主管單位所屬的行政區域，這里以白潭湖蓄滯洪區為例。將模型分為4 個獨立的區域，主要根據各區域的分洪口門銜接而定，也需考慮擬建工程的線路布置。模型的網絡劃分采用一維和二維銜接的河道網絡，外加二維地形網格，能夠直觀地看出主要河道的概化單元。蓄滯洪區內的地面單元應當以各洼淀分洪前獨立的調度方案作為銜接的控制邊界，同時考慮周邊堤防、水庫、公路等的不規則輪廓。將水庫、碼頭等小單元的網格高程及糙率進行修正，使計算區域所劃分的網格單元可以呈現出任意形狀，以便后續蓄滯洪區模擬計算更為簡單。另外，根據有關管理條例，在非防洪建設項目占用蓄滯洪容量，或是影響正常蓄滯洪功能時，應當采取補救措施。由于還未判定是否會影響正常蓄滯洪功能，此時應根據洪水影響評價報告在數學模型中調整擬建工程。

2.4 洪水模擬分析

一般來說在計算蓄滯洪區前需要提高洪區的計算精度，采用非網格結構對項目區域進行局部加密，分析白潭湖的邊界條件，從而實現洪水模擬，以此為分洪運用計算提供支撐。

根據白潭湖上游支流分布及匯流情況，可設置2個入流分區模型，而內部堤防將白潭湖分成多個區域，需要考慮過流寬頂堰流的過水流量，數據可以根據上下游水位計算結果確定。由于白潭湖內部具有多處陸域，還應當考慮地面阻水程度，分析地形條件及地表阻水特征，得出糙率。按照地形、地貌條件和地面特點，結合過往模擬經驗進行計算。一般來說，行洪道的綜合糙率為0.025~0.035；房屋建筑等阻水建筑物的糙率為0.08~0.10；葦田及其他水生植物的糙率取0.08~0.12；油田、水田、草地、菜地等區域糙率取0.035~0.040。概化處理主要分析地面流通道、不泄流邊界、內溢堤壩、自由出流邊界等數據，應當根據蓄滯洪區的特征進行模化、計算。

洪水模擬分析應當根據上文《防洪標準》進行，大型火力發電的防洪標準為100 年一遇，且35 kV以上變電站的防洪標準不低于50 年一遇，選取50 年和100 年一遇兩種防御標準來確定輸電線路和輸電擬建工程的防洪標準，根據入流特點和邊界條件差異，選用二維水流數學模型，對工程建設前后應對50 年和100 年一遇兩種標準的實際應用情況進行模擬分析。得到工程前后最高洪水位與最大水深等值線數據，以及洪水流速矢量數據。從數據結果可知，當白潭湖發生50 年一遇洪水時，最高洪水位23.12 m，這時白潭湖周邊分洪區將全部啟用，口門位置流速加大，分洪洪水順地勢自由滿溢；當發生100 年一遇洪水時，白潭湖最高洪水位25.28 m（長江中游于1954 年8 月18日出現洪峰水位29.73 m），此時白潭湖周邊分洪區依然全部啟用，小關口門穩定流速。根據擬建工程在蓄滯洪區內壅水情況，50 年一遇標準的擬建工程總壅水高度為0.02 m；100 年一遇標準總壅水高度為0.14 m。可以得出擬建的輸電工程在工程建設模擬前后的壅水幅度較小，對白潭湖滯洪區的滯洪態勢與洪水流勢的影響程度很小[2]。

3 分洪運用計算

3.1 模型介紹

3.1.1 基本方程

蓄滯洪區的數值模擬和計算通常采用平面二維水流數學模型，基本方程如式（1）至式（3）所示。

式中：Z——水位，m；h——水深，m；u、v——垂線平均流速在x，y 方向的分量，m/s；M、N——單寬流量在x，y 方向的分量，m3/（s·m），M=hu，N=hv；n——曼寧糙率系數；g——重力加速度。

3.1.2 計算方法

模型通常采用的數值方法為有限體積法。在有限體積法計算中，將基本方程對每一控制體積分，得到一組以控制體特征量平均的物理量為未知數的代數方程組，同時沿坐標方向對方程組進行離散，形成的離散方程與有限差分法相似。由于采用了守恒型的微分方程并對每一計算單元進行質量和動量守恒形式的離散，使得微分方程包含的守恒性質在每一個控制容積上都得到滿足，并保持各單元界面兩側相鄰控制體的計算輸運通量相等，整個計算域上保持守恒性。基本方程離散后的形式如式（4）所示。

y 方向水流運動方程可用與式（4）相同的方法離散。為節省篇幅，不再列出其離散結果。如式（5）至式（7）所示。

計算所需的初始條件包括：蓄滯洪區地形、分洪區內的初始水深和流速；邊界條件包括：分洪口門處外江水位和流量。

3.2 沖刷計算

當分蓄洪民垸分洪運用后，洪水對建設項目將產生一定的影響，主要的影響為在分洪運用過程中對擬建工程基礎產生的沖刷。蓄滯洪區局部沖刷采用黏性土沖刷的計算公式。鐵道部黏土橋渡沖刷研究小組的《黏土橋渡沖刷天然資料分析報告》中，推薦以下兩個公式。

式中：hb——橋墩局部沖刷深度，m；B——橋墩計算寬度，m；Kξ——墩形系數；IL——沖刷坑范圍內黏性土液性指數，該式中IL的適用范圍為0.16~1.19；e——沖刷坑范圍內黏性土空隙比，式中e 范圍為0.6~1.5；V——橋墩前行進垂線平均流速，m/s。當V 小于土壤的不沖刷流速時，不會發生沖刷。

由公式可以看出，影響局部沖刷的主要因素有3 個：基礎結構（墩形系數 Kξ和基礎計算寬度 B）、基礎土質（液性指數IL和孔隙比e）和水流條件（流速V）。

3.3 擬建工程水流變化及影響分析

為研究擬建工程的建設對周邊區域的影響程度，確保局部計算更準確，需要計算水位壅高在50 年一遇和100 年一遇時的差距，并分析兩者的流速差值。雖然水位壅高顯示擬建工程對蓄滯洪區的影響較小，但可能會對洪水流速產生較大的影響。通過模擬整體計算得到局部沖刷影響數據，能夠反映擬建工程對整個蓄滯洪區的影響，但卻無法反映擬建工程的局部流場。因此，要針對擬建工程附近流場進行局部加密計算，范圍以30 m×30 m 的正方形為主，底高程設為平面，在模型中概化水深、流速情況以及擬建工程的形式。本文以平均水深和平均流速計算擬建工程流場的變化情況。

根據實驗結果可以得知，流場變化對附近洪水流場的影響較為明顯，水流條件與基礎土質的差異會對擬建工程周圍流場產生較大影響，最大流速差會產生在工程項目垂直于流速的方向上，也就是迎水面方向，最大可使流速減小56%。而且不同的基礎結構也會產生不同影響，如圓柱群對流速影響要小于方柱群。

4 結論與建議

（1）在蓄滯洪區內開展電力工程建設需要明確該蓄滯洪區的分洪運用概率，并為洪水影響評價報告的編制與行政審批預留時間。

（2）穿越蓄滯洪區的架空線路最低弧垂高度應在分蓄洪水位以上，且要預留搶險救災船舶凈空高度4.5 m（不含電力安全超高）。

（3）在分洪運用計算時，本文僅給出了一種常見的水流模型與沖刷計算方式，可以根據實際情況進行調整和優化。

（4）蓄滯洪區內建設電力工程還需要著重預留分洪口門位置，在分洪口門處的流速、沖刷影響較大。工程建設應盡量遠離分洪口門，根據以往工程經驗，距離保持在500 m 以上。電力工程前、后對滯洪區影響基本一致，擬建電力工程對蓄滯洪區的影響可忽略不計。

（5）電路工程處于滯洪區內，在汛期發生時應實時保持與水利部門聯系，做好應對洪水突發時的預案和對策，在發生水利事件時能夠迅速協商解決。