郎溪縣鐘橋水庫建設方案研究

2022-05-08 14:08:08李結華王麗君邢少佳

城市道橋與防洪 2022年3期

李結華，楊勇，王麗君，邢少佳

（1.南京市水利規劃設計院股份有限公司，江蘇南京210006；2.南京市水務局，江蘇南京210036）

0 引言

水庫是人們為了防洪除害、蓄水興利，建大壩將流水截留聚集形成的人工湖泊，上世紀50～70 年代是我國水庫興建的高潮，全國現有8 萬多座水庫絕大部分建于該時期[1]。當前，隨著經濟社會的快速發展，對防洪減災、供水保障、水環境保護的要求不斷提高，水庫建設是重要工程手段之一，受工程技術、用地、移民及投資等多因素影響，確定合理的水庫建設方案極為關鍵。本文以鐘橋水庫為例，綜合考慮多個因素，分析確定工程建設方案。

1 基本情況

郎溪縣隸屬于安徽省東南部宣城市，北與南京市高淳區、常州市溧陽市毗鄰，東、西、南與宣城市廣德縣、宣州區接壤，縣域總面積1 104.8 km2。郎溪縣屬長江流域水陽江、太湖兩大水系，縣城位于水陽江最大支流郎川河北岸第一聯合圩上半部。鐘橋河為郎川河支流，發源于郎溪東北部的伍牙山，流經凌笪鄉、建平鎮后在吼兒橋匯入郎川河，全長38.8 km，集水面積225 km2，集水區內共有14 座水庫，總庫容3 211.9 萬m3，興利庫容1 622.5 萬m3，其中，中型水庫1 座——龍須湖水庫，小型水庫13 座。鐘橋水庫壩址位于鐘橋河上游三寶殿～蔣家灣之間，距離縣城約7 km，壩址以上控制來水面積145.71 km2（其中，龍須湖匯水面積25 km2），見圖1。

圖1 鐘橋水庫位置圖

2 水庫建設必要性

2.1 防洪減災的需要

鐘橋河中游南岸為郎溪縣城，下游沿岸分布有第一、第二聯合圩及歌場圩，隨著縣城范圍不斷擴大，社會經濟快速發展，防洪保護對象的重要性日益提高，根據《郎溪縣縣城防洪規劃》[2]，縣城防洪標準50 a 一遇，農業圩區防洪標準20 a 一遇。經過多年水利工程建設，鐘橋河已初步形成堤防擋洪、水庫攔蓄相結合的防洪工程體系，但上游未按照規劃建設控制性工程，現狀流域防洪能力仍不足20 a 一遇，不能滿足區域經濟社會發展要求。因此，有必要根據相關規劃建設水庫攔蓄上游洪水，削減洪峰流量，確保下游河道防洪安全。

2.2 增加供水的需要

目前，郎溪縣城生活、生產水源全部依賴龍須湖水庫，該水庫來水面積相對較小，可供水量極為有限。隨著郎溪縣城的范圍不斷擴大，特別是鐘橋河北部經濟開發區建設進程的加快和一大批工業企業相繼落戶，水資源供需矛盾日益突出，縣城“沒水喝、沒水用”已成為限制區域經濟社會發展的瓶頸。

鐘橋河多年平均徑流量約9 800 萬m3，區域水資源較為豐富，約20%用于農業灌溉外，其余部分多以洪水形式下泄，間接導致雨洪資源的浪費。因此，在鐘橋河上新建水庫攔蓄來水，適度開發利用區域地表水資源，能夠減輕縣城供水壓力，支撐區域社會經濟發展。

2.3 改善水生態環境的需要

鐘橋河是郎溪縣城范圍內的重要生態廊道之一，流域以低山、丘陵為主，受季節性豐枯變化影響，中上游河道非汛期水量較少，難以維持正常水生態環境，同時，縣城內部水系缺少可靠水源，水環境容量較小，水動力條件差。為保證鐘橋河及縣城內部水系水量，通過新建鐘橋水庫適時向河道內補水，可改善區域水生態環境。

3 工程建設任務

鐘橋水庫是一座具有供水、防洪、灌溉及生態功能的綜合性利用工程。水庫攔蓄鐘橋河約65%集水面積來水，削峰控制下泄流量使郎溪縣縣城防洪標準達到50 a 一遇，其他圩區20 a 一遇。

水庫建成后，為郎溪縣城供水1 500 萬m3（供水保證率95%），新增及改善灌溉面積1.0 萬畝，供水量467 萬m3（供水保證率80%），緩解縣城水資源供需矛盾，優化全縣用水格局。

通過向水庫下游河道縣城內水系進行生態補水，補水量664 萬m3，改善周邊的生態環境及鐘橋河沿岸水環境。

4 庫區處理方案

鐘橋水庫庫區及周邊現狀地面高程11.0～17.0 m，直接建壩蓄水將淹沒大面積土地，為此，結合縣城路網規劃，采取“西側建壩、中部挖土、四周填高”的方式建設水庫，具體為：在規劃錦富東路、緯一路、經一路之間，沿現狀地面14.5 m 高程線，以1∶10.0 緩坡開挖至高程12.5 m，12.5～13.0 m 之間形成地形較緩的平臺，再從開挖后的12.5 m 高程線以1∶10.0 緩坡開挖至高程10.5 m，14.5 m 以上地面高程采用土方回填方式抬高至17.5 m，邊坡采用草皮防護。開挖土方除回填庫區外，多余部分可用于庫區以外低洼地區的地形填高（見圖2），庫容曲線見表1。

圖2 水庫平面及挖填斷面示意圖

表1 水庫水位～面積～庫容曲線

經計算，通過土方挖填比維持現狀地形建設水庫，在相同高程情況下，對應占地面積減少，而庫容增加，如高程15.5 m、17.0 m 時能夠分別減少占地42.97 hm2、90.21 hm2，相應庫容增加175.88 萬m3、80.73 萬m3。

5 水庫特征水位

5.1 死水位

鐘橋水庫死水位的選擇主要取決于各用水部門的用水要求、泥沙淤積以及工程布置方案等。

水庫壩址以上多年平均懸移質輸沙量2.03 萬t，多年平均推移質輸沙量0.2 萬t，年總輸沙量2.23 萬t，淤積物容重1.2 t/m3。水庫泥沙淤積大部分發生在汛期，汛期懸移質輸沙量占全年總輸沙量85%，水庫泄洪閘門底板高程10.5 m，除作為汛期泄洪通道外，還能夠將部分泥沙排至下游河道，排沙量約占汛期輸沙量60%左右。因此，水庫年泥沙淤積量V淤泥=2.03-2.03×85%×60%+0.2=1.19 萬t，按水庫正常使用50 a 后泥沙淤積總量為49.6 萬m3，查水庫水位～庫容曲線，對應水位為10.86 m。

鐘橋水庫兼顧防洪、灌溉、供水功能，在滿足防洪的前提下，應盡可能地充分利用該河段的水資源。綜合考慮水庫泥沙淤積、建筑物（泄洪閘、放水涵等）布置及興利庫容要求，擬定水庫的死水位為10.91 m，相應死庫容為52.83 萬m3。

5.2 汛限水位

汛限水位是水庫汛期允許蓄水的上限水位，其設置的目的是協調水庫運行管理中防洪與興利之間的矛盾。根據鐘橋水庫下游河道對防洪庫容需求，并考慮水庫承擔的興利供水任務，初擬汛限水位13.0 m、13.5 m、14.0 m、14.5 m 等4 個方案（見表2）。

表2 不同汛限水位方案計算成果表

由表2 中可以看出，在4 種方案下汛限水位每提高0.5 m，防洪庫容減小約60 萬m3，在相同下游安全控泄流量574 m3/s 時[2]，防洪高水位增加約0.05 m，庫區淹沒范圍增加0.33 hm2，水庫多年平均棄水量減少約80 萬m3，則汛限水位抬高對水庫防洪影響較小，但對汛期雨洪資源利用及汛后水庫蓄水影響相對較大。綜合考慮，水庫汛限水位取14.0 m。

5.3 興利水位

擬定14.0 m、14.5 m、15.0 m、15.5 m、16.0 m 等5 個興利水位方案，從工程技術、水庫淹沒影響、工程投資及效益差別等方面進行綜合比較，確定水庫興利水位。

（1）工程技術

在不同方案下，鐘橋水庫壩址及庫區地質條件均可以滿足的要求，大壩樞紐的工程規模、工程量基本相同。隨著興利水位的抬高，水庫回水長度、上游河道兩岸高程及跨河建筑物規模均增加。在興利水位15.0、15.5 m 時土方基本達到平衡，興利水位14.0 m、14.5 m 時會產生大量棄土，興利水位16.0 m時需要外購土方。不同正常蓄水位方案工程技術比較見表3。

表3 不同正常蓄水位方案工程技術比較

（2）水庫淹沒

在興利水位14 m、14.5 m 時，水庫淹沒對象為耕地、園地、林地和草地，不含農村居民點；在興利水位15 m、15.5 m 和16 m 時，若不做任何防護措施，淹沒對象含農村居民點，為減少移民，需在水庫上游河道兩岸采取防護措施（地面墊高、修建撇洪溝等）以保護村莊。

隨著興利水位的提高，水庫永久、臨時征地面積也增加，每增加0.5 m，永久征地面積約增加11.5 畝，臨時征地面積更為明顯。興利水位每增加0.5m，投資增加約60～70 萬元。鐘橋水庫正常蓄水位方案淹沒指標見表4。

表4 鐘橋水庫正常蓄水位方案淹沒指標表

（3）工程投資及效益

當水庫興利水位在14.0～15.5 m 時，多年平均供水量隨興利水位的提高逐漸增加，而工程投資增加幅度較小，當超過15.5 m 時，多年平均供水量增加有限，工程投資增加幅度較大，在14.5 m 時單位興利庫容增加量投資最低，15.5 m 次之，16.0 m 最高。當興利水位為14.0 m 時，農業灌溉、城區補水保證率分別為75.0%、61.5%，當興利水位為14.5 m 時，農業灌溉、城區補水保證率分別為80.0%、71.1%，供水保證率均達不到設計要求。鐘橋水庫興利水位經濟比較見表5。

表5 鐘橋水庫興利水位經濟比較表

綜合（1）～（3）分析結果，采用15.5 m 作為水庫興利水位。

5.4 設計水位和校核水位

鐘橋水庫泄洪建筑物包括泄洪閘、溢流壩，溢洪閘閘底板高程10.5 m，閘門總凈寬33 m，溢流壩頂高程14.0 m，堰頂寬30 m，堰上設1.5 m 高閘門，汛期放倒泄洪。在50 a 一遇標準洪水下，水庫控制安全泄量為574 m3/s。

洪水調度方式：（1）當水庫水位達到14.0 m、低于14.3 m 時，泄洪閘不開啟，溢流壩自由下泄；（2）當水位等于或大于14.3 m，低于14.5 m 時，溢流壩自由下泄，泄洪閘開啟并控制閘門最大下泄流量不超過150 m3/s；（3）當水位等于或大于14.5 m，低于15.0 m 時，溢流壩自由下泄，泄洪閘控制最大下泄流量不超過300 m3/s；（4）當水位等于或大于15.0 m，若低于16.17 m（防洪高水位），溢流壩自由下泄，泄洪閘控制最大下泄流量不超過489 m3/s（閘壩總下泄流量不超過574 m3/s），若高于16.17 m，水庫閘門全開敞泄，直到水位降落至汛限水位14.0 m。

通過調洪演算，鐘橋水庫50 a 一遇設計水位為16.17 m，300 a 一遇校核水位17.13 m，見圖3。