紅城縣橡膠壩調度方案淺析

林 一

（唐山市行政審批局，河北 唐山 063000）

湯河是白河的一級支流，在紅城縣城附近匯入白河，屬于潮白河水系白河流域。湯河自西由東、白河自北向南分別縱貫縣城，是營造城區水生態環境的主動脈，也是紅城縣城區主要的洪水威脅。紅城縣湯河和白河共建有9 座橡膠壩，為充分利用雨洪資源，在不影響河道行洪的情況下，通過研究橡膠壩的合理調度方案，協調防洪與蓄水矛盾，降低蓄水帶來的防洪風險。

1 設計洪水

設計洪水計算采用推理公式法和經驗公式法，根據支流匯入情況分3段，即湯河設計洪水、湯河匯合以上白河設計洪水和湯河匯合以下白河設計洪水。

1.1 湯河設計洪水

湯河是白河的一級支流，在紅城縣城附近匯入白河，全長38.3 km，流域面積360 km2，平均比降11.43‰，上游建有小（1）型水庫——湯泉水庫，水庫控制流域面積348 km2。

1.1.1 湯泉水庫及洪水調度

湯泉水庫位于紅城縣西北部4.5 km，系潮白河水系白河支流湯河上的一座以防洪、灌溉為主的小（1）型蓄水工程，總控制流域面積348 km2，總庫容561.2 萬m3，工程設計洪水標準為50 a 一遇、校核洪水標準為500 a 一遇。50 a 一遇的設計洪水位為123.9 m，最大泄量為 548 m3/s；500 a 一遇的校核洪水位為128.0 m，最大泄量為1 320 m3/s［1］。

湯泉水庫起調水位為118.5 m，興利水位為123 m，汛限水位為118.5 m。水庫為年調節水庫，當遇到較大洪水時可通過閘門控泄不大于326 m3/s的流量。

1.1.2 湯河設計洪水成果

湯河設計洪水按湯泉水庫與區間同頻率相加計算，考慮水庫調蓄后的下泄過程與區間過程錯時疊加，湯河洪峰流量為554 m3/s，其成果與流域規劃相差不大，推薦采用流域規劃成果，即治理河段20 a一遇洪峰流量為560 m3/s。

1.2 湯河匯合以上白河設計洪水

1.2.1 云州水庫及洪水調度

云州水庫位于紅城縣縣城北部20 km 的云州鎮白河上游，是一座以防洪、灌溉為主的大（2）型水庫，建于1958 年，控制流域面積1 170 km2，總庫容1.026 5 億 m3，防洪庫容 0.594 2 億 m3。

云州水庫汛限水位為1 029.7 m，洪水調度方案為：遇小于20 a一遇洪水與下游錯峰前不泄，控制水位在1 029.7～1 032.7 m；錯峰后控泄100 m3/s，水位控制在1 032.7～1 033.4 m。為保證紅城縣城的防洪安全，遇 20～100 a 一遇洪水，水庫控泄300 m3/s，控制水位在1 033.4～1 035.5 m［2］。

1.2.2 湯河匯合以上白河設計洪水成果

云州水庫至湯河匯合口以上區間流域面積357.8 km2，主河道長度46.2 km，河道縱坡10.69‰。水庫與區間洪水錯峰前不泄洪，該段只需計算云州水庫至湯河匯合以上的區間洪水，與區間洪水錯峰后控泄100 m3/s。湯河匯合口以上白河20 a 一遇洪峰流量為480 m3/s。

1.3 湯河匯合以下白河設計洪水

湯河匯合以下白河設計洪水根據湯河設計洪水和湯河匯合以上白河設計洪水同頻率錯時相加計算。其設計洪峰流量由白河湯河匯入前的洪水過程與湯河考慮水庫調蓄后的洪水過程疊加得到，經計算其20 a一遇洪峰流量為840 m3/s。

2 橡膠壩調度方案分析

橡膠壩的調度運用對河道及兩岸設施的防洪影響表現在2個方面：①騰空庫容形成的人造洪峰，可能對縣城及工程下游農田及其他設施產生影響。②洪水到來之前，未能及時塌壩縣城將承擔的風險。塌壩越快，對空庫迎洪越有利，但對下游河道兩岸農田和設施可能產生影響；塌壩越慢，宣泄橡膠壩蓄水產生的洪峰對下游影響越小，但會對縣城防洪構成威脅。

2.1 紅城縣橡膠壩概況

紅城縣湯河有5 座橡膠壩，自下而上分別為湯1#、湯 2#、湯 3#、湯 4#、湯 5#橡膠壩，5 座橡膠壩總蓄水容積為18.07萬m3。紅城縣白河有4座橡膠壩，自下而上分別為已建的白 1#、白 2#、白 3#、白 4#橡膠壩，4座橡膠壩總蓄水容積為59.74 萬m3。9 座橡膠壩關系，如圖1所示。

圖1 紅城縣橡膠壩關系

2.2 橡膠壩安全條件

根據橡膠壩廠商提供的技術指標，在長期過流情況下，橡膠壩壩上安全溢流水深一般為0.2 m。短時間洪水不會造成橡膠壩袋發生振動，但長期溢流會造成磨損破裂，降低壩袋運行壽命，影響橡膠壩安全。因此，橡膠壩壩頂不宜長時間過流，但允許短時間洪水過流。

2.3 橡膠壩泄量能力和蓄水庫容計算方法及條件

橡膠壩泄洪能力按堰頂出流考慮，未考慮楔形庫容的影響，在非汛期泄流期間不考慮上游洪水匯入，在汛期按照設計洪水過程考慮上游洪水匯入。

根據《橡膠壩工程技術規范》（GB/T50979-2014），橡膠壩泄量能力可按堰流基本公式計算：

式中：Q為過壩流量（m3/s）；B為溢流斷面的平均寬度（m）；h0為計入行進流速水頭的堰頂水頭（m）；m為流量系數；σ為淹沒系數；ε為堰流側收縮系數。

采用逐時段演進法計算橡膠壩連續塌壩過程。先確定橡膠壩塌壩時間和計算時段長等基本參數，再從第一時段開始逐時段計算壩袋塌落后壩高、蓄水庫容、水深、堰上水頭、壩泄流量。對于梯級橡膠壩，當上級橡膠壩泄流時，對下級橡膠壩泄流產生影響，使下級橡膠壩泄流量加大。相鄰兩級橡膠壩泄流過程，采用水量平衡原理，可通過上級橡膠壩泄流后增加下級橡膠壩庫容的方法計算［3］。其計算公式如下：

式中：Vt為t時刻初橡膠壩蓄水庫容（m3）；Vt-1為t-1時刻初橡膠壩蓄水庫容（m3）；Qt為t時刻本級橡膠壩下泄流量（m3/s）為t-1 時刻上級橡膠壩下泄流量（m3/s）；Δt為時段長（s）。

2.4 橡膠壩塌壩形成的洪水過程及洪峰流量

塌壩分析將橡膠壩群看成串并聯水庫，進行聯合調洪計算，由于橡膠壩沿程河段較短，不考慮橡膠壩之間的洪水傳播時間。本次分析了同時塌壩、依次塌壩（逐個橡膠壩從下游至上游依次錯時塌壩）等多種方案。根據機電設備能力和盡量縮短塌壩時間的要求，各橡膠壩塌壩時間取60 min。

汛期時，為保證縣城防洪安全，擬定橡膠壩半庫運行；由于湯河貫穿紅城縣城主城區，對縣城防洪安全影響較大，所以分別對湯河、白河9座串并聯橡膠壩進行滿庫和半庫運行時泄量分析。為保證橡膠壩的安全和避免發生洪水漫溢，塌壩順序必須按自下而上進行操作，且上游壩塌壩時間不應早于下游壩［4］。

2.4.1 滿庫運行時橡膠壩塌壩分析

對湯河5 座橡膠壩同時塌壩、依次塌壩方案進行泄流分析，形成不同工況下匯入白河的洪水成果；對湯河匯入前的白河3 座橡膠壩（2#、3#、4#）同時塌壩、依次滯后塌壩方案進行泄流分析，形成不同工況下的洪水成果；對湯河、白河9座橡膠壩進行同時塌壩、依次滯后塌壩方案和白河1#壩先塌壩其余8 壩同時塌壩方案進行泄流分析，形成不同工況下的下游洪水成果，詳見表1。

通過表1 可以看出，同時塌壩情況產生的洪峰流量最大，隨著各壩塌壩滯時的增加，由塌壩所形成的最大洪峰流量逐漸減小，空庫歷時則逐漸加長［4］。

湯河5 座橡膠壩依次塌壩滯時5 min 以內時洪峰流量相差不大，塌壩滯時10 min 時洪峰流量明顯減小，下降比例接近30%；白河上游3 座橡膠壩依次塌壩滯時10 min 以內時洪峰流量相差不大，塌壩滯時20 min時洪峰流量略有減小，下降比例接近17%；9 座橡膠壩依次塌壩滯時10 min 時洪峰流量略有減小、下降比例接近17%，塌壩滯時20 min時洪峰流量減小較大、下降比例約43%。湯河5 座橡膠壩與白河4座橡膠壩對比，庫容相對較小，但是橡膠壩塌壩滯時對下泄洪峰影響相對較大。

滿壩情況下，同時塌壩形成洪峰流量最大，湯河入白河洪峰約為77.1 m3/s，白河匯入口以上所形成洪峰約102.0 m3/s，匯入口以下所形成洪峰約313.0 m3/s，均小于河道治理標準設計流量，因此不會對紅城縣城造成防洪威脅。白河匯入口以下5 a一遇、10 a一遇設計流量分別為317 、527 m3/s，因此橡膠壩塌壩形成的洪峰均小于白河下游村莊、農田標準設計流量。

根據滿庫運行時9 座橡膠壩同時塌壩和依次滯時5、10、20 min塌壩白河下游所形成的洪峰成果，繪制不同工況下橡膠壩塌壩所形成的洪峰過程線，如圖2所示。

圖2 不同工況下橡膠壩塌壩所形成的洪峰過程線

由圖2 可以看出，橡膠壩同時塌壩和依次滯時5、10、20 min 所形成的最大洪峰分別出現在 0.67、0.84、0.99、0.93 h，最大流量分別為 313.0、296.7、260.4、177.5 m3/s。同時塌壩情況洪水過程歷時最短約1.5 h，洪峰最大為313.0 m3/s；塌壩滯時越長，洪水過程歷時越長，洪峰越小，同時塌壩與依次塌壩10 min以內，洪水過程歷時與洪峰變化不顯著；塌壩滯時20 min時，洪水過程歷時與洪峰變化相對明顯，塌壩洪水歷時為2.5 h，洪峰減小較大，為177.5 m3/s。塌壩滯時長，洪水過程持續時間較長，洪水逐漸增大到峰值，過渡相對平穩。

2.4.2 半庫運行時橡膠壩塌壩分析

分別對湯河5座橡膠壩、湯河匯入前的白河3座橡膠壩（2#、3#、4#）、湯河與白河9 座橡膠壩同時塌壩方案進行了泄流分析，結果詳見表2。

表2 橡膠壩半庫運行時同時塌壩調洪結果

通過表2 可以看出，橡膠壩半庫運行時，同時塌壩所形成的最大洪峰流量湯河入白河為39.9 m3/s，湯河匯入前白河為47.6 m3/s，湯河匯入后白河橡膠壩下游為175.1 m3/s，不會對紅城縣城造成防洪威脅。

與滿庫運行時比較，塌壩歷時縮短，形成洪峰流量減少較多，降低了蓄水帶來的防洪風險，為汛期防洪安全提供了有力保障；并協調了防洪與水資源、景觀的矛盾，基本維持了縣城河道蓄水景觀和生態環境。

2.5 暴雨洪水預警與塌壩洪水分析

2.5.1 半壩蓄水條件下的過流能力

汛期，當橡膠壩滿蓄時，上游來水易發生溢岸。為保證城區防洪安全，并合理利用水資源，對汛期橡膠壩半庫運行情況進行分析。

橡膠壩半庫運行時，當洪水位達到設計洪水位時，湯河 5#、4#、3#、2#、1#橡膠壩過流能力分別為207.9、207.9、308.1 、290.5、207.9 m3/s，白河4#、3#、2#、1#橡膠壩過流能力分別為263、285、285、480 m3/s。

2.5.2 白河流域洪水預報

根據白河實際情況，云州水庫20 a 一遇洪水不泄洪，白河洪水主要來自于水庫以下區間。區間匯流面積小，暴雨產生的洪水到達橡膠壩時間短，無法實現實測暴雨預報，本次白河洪水預報采用氣象暴雨預警方式。根據云州水庫至橡膠壩區間降雨強度、降雨總量和持續時間，確定暴雨預警信號分為4級，分別以藍色、黃色、橙色、紅色表示。

當發布暴雨藍色預警信號后，白河4 座橡膠壩塌壩至半壩；當發布暴雨黃色、橙色、紅色預警信號后，白河4 座橡膠壩完全塌壩。由于沒有確定的實測暴雨指標，為安全考慮，建議采取同時塌壩方式。

2.5.3 湯河流域洪水預報和分析

根據湯河流域降雨強度、降雨總量和持續時間，確定暴雨預警信號分為4 級，分別以藍色、黃色、橙色、紅色表示。當發布暴雨藍色預警信號后，湯河5座橡膠壩塌壩高度1.7 m；當發布暴雨黃色、橙色、紅色預警信號后，湯河5座橡膠壩完全塌壩。

為保證城區防洪安全，并合理利用水資源，對汛期橡膠壩半庫運行、20 a 一遇設計洪水情況下的洪水預報與調度進行分析。

（1）湯河流域洪水預報。湯河流域橡膠壩上游建有水庫，因此利用湯泉水庫進行洪水預報。根據湯泉水庫20 a 一遇調洪成果，可知最大泄量出現在6.77 h，相對于半庫運行的橡膠壩塌壩歷時0.5 h，是可提前預報的。結合橡膠壩半庫運行時河道過流能力，確定當湯泉水庫下泄流量達到100 m3/s 時發出預警，橡膠壩開始塌壩。當湯泉水庫下泄流量達到100 m3/s時，此時水庫水位為120.2 m。為方便管理，當湯泉水庫水位達到120 m時，發出預警。

（2）湯河洪水與蓄水遭遇分析。分同時塌壩、依次塌壩2 種工況，分析湯河20 a 一遇設計洪水與橡膠壩蓄水遭遇情況。①同時塌壩工況：當湯泉水庫水位達到120 m 時，發出預警，并實施湯河5 座橡膠壩同時塌壩，塌壩時間為0.5 h。湯泉水庫距橡膠壩較近，不考慮洪水傳播時間；湯泉水庫下泄洪水與區間洪水疊加后湯河洪水流量達到159.9 m3/s，與橡膠壩下泄流量遭遇后，湯河1#橡膠壩處會發生2次洪峰：第一次出現在0.5 h，橡膠壩完全塌壩，河道總下泄流量為200 m3/s，由湯河洪水和橡膠壩下泄洪水組成；之后3.27 h出現設計洪峰，為湯河洪水，橡膠壩下泄洪水為0。②依次塌壩工況：當湯泉水庫水位達到120 m時，發出預警，并實施湯河5座橡膠壩依次塌壩，塌壩滯時20 min，塌壩時間為1.83 h（110 min）。湯泉水庫距橡膠壩較近，不考慮洪水傳播時間；湯泉水庫下泄洪水與區間洪水疊加后湯河洪水流量達到366.5 m3/s，與橡膠壩下泄流量遭遇后，湯河1#橡膠壩處會發生2 次洪峰：第一次出現在1.83 h，橡膠壩完全塌壩，河道總下泄流量為380 m3/s，由湯河洪水和橡膠壩下泄洪水組成；之后1.94 h出現設計洪峰，為湯河洪水，橡膠壩下泄洪水為0。經上述分析可知，同時塌壩與依次塌壩2種工況下湯河洪水與蓄水均沒有遭遇，相比較同時塌壩工況下第一次洪峰出現時刻較早而且洪峰流量偏小，推薦同時塌壩方式。

（3）湯河、白河流域同頻率設計洪水與塌壩洪水分析。為保證城區防洪安全，并合理利用水資源，分同時塌壩、依次塌壩2種工況，對汛期橡膠壩半庫運行、白河與湯河洪水同頻率發生、20 a一遇設計洪水的洪水預報與調度進行分析。①同時塌壩工況：當湯泉水庫水位達到120 m時，發出預警，白河（湯河匯入口以上）3座橡膠壩同時塌壩，塌壩時間為0.5 h，此時白河上游河道總下泄流量為100 m3/s（白河區間52 m3/s）、湯河與白河洪水疊加洪峰流量達到211 m3/s、與橡膠壩下泄流量遭遇后白河1#橡膠壩處河道總下泄流量為300 m3/s；之后4.5 h出現設計洪峰，為白河洪水，橡膠壩下泄洪水為0。②依次塌壩工況：當湯泉水庫水位達到120 m時，發出預警，白河5座橡膠壩依次塌壩，塌壩滯時20 min，塌壩時間1.83 h，此時白河上游3道壩與河道總下泄流量為130 m3/s（白河區間82.2 m3/s）、湯河與白河洪水疊加洪峰流量達到450 m3/s、與橡膠壩下泄流量遭遇后白河1#橡膠壩處河道總下泄流量為510 m3/s；之后3.17 h出現設計洪峰，為白河洪水，橡膠壩下泄洪水為0。經上述分析可知，同時塌壩與依次塌壩2種工況下，白河1#橡膠壩處上游洪水與蓄水均沒有遭遇，相比較同時塌壩工況下第一次洪峰出現時刻較早而且洪峰流量偏小，推薦同時塌壩方式。

2.6 橡膠壩調度影響分析

2.6.1 非汛期

在滿壩情況下，在橡膠壩同時塌壩、依次塌壩不同工況下，同時塌壩形成的泄流洪水最大，湯河入白河泄流洪水流量最大為77.1 m3/s，白河橡膠壩下游形成的泄流洪水流量最大為313.0 m3/s，泄流洪水小于河道行洪能力，不會對縣城造成威脅。為使下泄洪水對下游造成的影響最小且沒有時間限制，推薦白河1#橡膠壩先塌壩、其余8 壩依次塌壩方式，時間間隔越長所形成的下泄洪水越小。

2.6.2 汛期

（1）白河流域。白河流域根據發布的暴雨預警信號進行橡膠壩調度。當發布暴雨藍色預警信號時，白河4座橡膠壩同時塌壩至半壩；當發布暴雨黃色、橙色、紅色預警信號時，白河4 座橡膠壩同時塌壩直至完全塌壩。

（2）湯河流域。湯河流域根據發布的暴雨預警信號進行橡膠壩調度。當發布暴雨藍色預警信號時，湯河5 座橡膠壩同時塌壩1.7 m；當發布暴雨黃色、橙色、紅色預警信號時，湯河5 座橡膠壩同時塌壩直至完全塌壩。當發生20 a 一遇洪水時，在半庫運行情況下，當湯泉水庫水位達到120 m時發出預報，湯河5 座橡膠壩塌壩。湯河最下游1#橡膠壩完全塌壩時出現第一次洪峰為200 m3/s，由湯河洪水和橡膠壩下泄洪水組成；之后3.27 h出現第二次洪峰，為湯河設計洪水，橡膠壩下泄洪水為0。因此，在此種調度情況下，洪水主峰仍是湯河設計洪峰，湯河行洪能力滿足要求，不會對紅城縣城防洪造成威脅。

（3）白河、湯河流域同頻率。當發生20 a一遇洪水時，在半庫運行情況下，當湯泉水庫水位達到120 m時發出預報，9 座橡膠壩塌壩。同時塌壩白河最下游1#橡膠壩位置出現2 次洪峰，第一次洪峰時白河1#橡膠壩處洪峰為300 m3/s，第二次洪峰時為河道設計洪峰，此時橡膠壩無泄流。因此，在此種調度情況下，洪水主峰仍是湯河、白河洪水洪峰，湯河、白河行洪能力滿足要求，不會對紅城縣城防洪造成威脅。

2.7 橡膠壩調度運用原則

橡膠壩的控制運用應由縣水利局統一調度，并服從市防汛抗旱指揮部統一指揮，其控制運用原則如下。

（1）汛期應與上游水利等管理部門聯系，根據氣象和水文預報掌握水情，提前采取安全保護措施。

（2）橡膠壩塌壩應按照自下而上順序塌壩。為確保紅城縣城、上下游河道和橡膠壩安全，分析確定橡膠壩非汛期、汛期調度運用原則。①非汛期調度運用：滿庫運行時，橡膠壩自下而上同時塌壩或依次塌壩工況形成的下泄洪水，均不會對紅城縣城區造成威脅。②汛期調度運用：汛期應高度關注上游流域雨情、水情和湯泉水庫泄流情況，科學預測和調度運用。當氣象部門發布暴雨預警信號后，橡膠壩開始同時塌壩至少至半壩，并根據實際來水進行調度；當暴雨預警信號解除后，橡膠壩可以及時立壩。當湯泉水庫水位達到120 m 且仍在上漲時，發出預報，湯河5 座橡膠壩和白河1#橡膠壩同時塌壩，確保河道行洪安全；湯泉水庫水位達到120 m 后不再增加，并且根據上游流域氣象預報中長期無降水時，橡膠壩可以及時立壩，攔蓄剩余洪水，合理利用水資源。

（3）橡膠壩蓄水期間，當出現危及橡膠壩安全的其他緊急情況時，橡膠壩應及時塌壩。

3 結論與建議

（1）橡膠壩工程能否發揮已有的效益，運行管理是關鍵。建議橡膠壩管理單位必須嚴格執行批準的運行方案和操作規程，以保證橡膠壩工程安全運行。

（2）橡膠壩管理單位應進行科學管理，并應服從防汛調度和運行控制要求，對工程進行經常性檢查、觀測、養護、維修和控制運行。各項記錄應及時歸檔，建立完整的技術檔案［5］。

（3）在橡膠壩工程管理范圍內不得進行爆破、采砂、游泳、捕魚、排污等不利于橡膠壩安全的活動［5］。

（4）橡膠壩塌壩前應事先通知下游村莊、企業等有關單位和部門做好準備，并應以各種有效信號對危險區域發出警告。