安砂水库运行方式对下游防洪方案确定的研究

占润进

(福建水利水电勘测设计研究院,福建 福州 350001)

1 问题的提出

由于受自然地理及气候条件等因素影响,导致福建沙溪流域的洪水峰高、量大、频繁发生,洪灾损失日益增大,下游防洪问题极为突出。为了适应流域经济加快发展的要求,确保防洪安全,在加快堤防工程建设的同时应及时调整上游安砂水库的功能,确保三明、永安、沙县等地的防洪安全。本文从沙溪流域的洪水特性入手,深入探讨和研究安砂水库的不同防洪方案。

2 沙溪洪水特性

沙溪为雨洪河流,根据沙县水文站 1950～2002年共 53年的实测系列统计(见表1、2),年最大流量主要出现在 4～6月的梅雨季,占全年的 87%,其中4月占 15.1%,5月占 24.5%,6月占 47.2%;年最大流量大于 4000m3/s的洪水共有 21场,其中 17场发生在5～6月;实测最大洪水为 7650m3/s(1994年 5月),其次为 7230m3/s(1964年 6月)。 7～9月份由台风和其他天气成因的洪水比重很小。据此洪水特性,防洪期重点在 4～6月。从实测资料成果分析,安砂至永安兴平 (约 40km)、三明梅列(91km)、沙县沙县站(114km)的洪峰传播时间分别约为 3.5～4、5.5～8、7～11h。

表1 沙县站历年(1950～2002年)年最大流量出现时期

表2 沙县站实测(1950～2002年)年最大流量大于 4000m 3/s的洪水出现时期

3 沙溪下游防洪标准的提高

安砂水库下游沿沙溪分布有永安、三明、沙县等城市,受条件所限,永安、三明两市目前已通过兴建堤防等措施达到 30年一遇设计防洪标准,沙县城关达到 20年一遇标准。但若遇超标洪水,因堤线长,汛期防守困难,险段多,防汛抢险、维修费也较多,且随着城市经济的不断发展,超标洪水带来的经济损失也在加大,故迫切希望提高防洪标准。三明市区可通过已建堤防和上游安砂水库设置防洪库容进行调洪削峰将防洪标准从 30年一遇提高到 50年一遇,同时可提高永安、沙县市县防洪标准。

4 安砂水库现有防洪能力分析

4.1 安砂水库现有防洪调度概况

根据闽防(1997)21号文和闽经贸电力(2004)271号文规定,安砂水库目前洪水调度方案为:

(1)4月 1日～6月 10日,水库汛期控制水位为263.5m。

(2)在发生小于或等于 50年一遇洪水时,按水库水位控制在263.5～265m的条件下开闸控制泄流。

(3)当入库洪水大于 50年一遇洪水时,泄流初时仍用闸门控制,使泄流量等于或小于入库流量,维持水库水位在 265m附近;当入库洪水仍继续增大水库水位超过 265m时,全开三孔闸门和底孔泄流,以保大坝安全。

(4)6月 11日起,水库水位可蓄到 265m。

4.2 安砂水库目前的防洪作用

根据现有调洪原则,当库水位开始超过 263.5m而未达到正常蓄水位 265m时,使泄流量等于或小于入库流量,因此三明市区防洪标准在现有防洪堤过洪能力 30年一遇的基础上略有提高,但末达到50年一遇防洪标准。成果复核见表3。

表3 安砂水库现状洪水调节复核成果

复核计算表明,安砂水库从现有起调水位263.5m调洪,在不超过防洪高水位 265m的情况下,三明市区要达到 50年的防洪标准经洪水的两种组合分别控制泄流,对于三明 50年一遇洪水的两种组合对应的两种频率,仅安砂相应洪水 P=6.5%时满足三明市区 50年一遇的防洪要求,需两种组合都满足时,才可称安砂调洪满足三明市区 50年的防洪要求。因此,安砂水库以现有汛限水位 263.5m、防洪高水位265m设置的防洪库容0.4843亿m3不能满足三明市区 50年的防洪要求。

5 安砂水库现状防洪库容设于正常蓄水位以下分析

为研究安砂水库对下游城市的防洪作用,以三明市区上游端的台江坝址(F=9300km2)作为控制代表断面分析安砂水库对三明市区及永安、沙县等城市的防洪作用。按两种情况进行洪水地区组成分析,即方案(一)安砂与三明城区同频率、区间相应;方案(二)区间与三明城区同频率、安砂相应,三明城区洪水频率为 2%。洪水成果见表4。

表4 三明城区设计洪水地区组成

若要将目前三明市区的防洪标准从 30年一遇洪水(天然状态洪水)提高到 50年一遇洪水标准,以三明城区(台江坝址)为控制断面,分别分析当安砂水库发生接近或达到 50年一遇流量时,通过控制安砂水库下泄流量,使水库控泄流量加区间流量不超过三明市区 30年一遇流量(天然状态洪水)。其中三明市区河道安全泄量以台江坝址 30年一遇洪水流量 6970m3/s计算,永安河道安全泄量以兴平站 30年一遇洪水流量 6410m3/s计算,沙县河道安全泄量以沙县站 20年一遇洪水流量 7050m3/s计算。

三明市区防洪标准要达到 50年一遇安砂水库需控制的下泄流量:

方案(一)对应安砂坝址洪水频率为 2%,控制下泄流量 Q控=Q设-Q区1=6970-2990=3980(m3/s);

方案(二)对应安砂坝址洪水频率为 6.5%,安砂控制下泄流量 Q控=Q设-Q区2=6970-3810=3160(m3/s)。

为使三明市区防洪标准达到 50年一遇,方案(一)对应安砂坝址洪水频率为 2%,采用控泄流量3980m3/s时,经初算所需设防洪库容 0.752亿 m3;方案(二)对应安砂坝址洪水频率为 6.5%,安砂水库控泄流量 3160m3/s,需设防洪库容 0.418亿 m3。以上是采用安砂下泄洪水与区间洪水遭遇中的两种典型组合所计算得到的防洪库容。实际的洪水组合遭遇情况有无数种,真正要做到补偿错峰调节的前提条件是,要准确获得区间洪水发生标准到达防洪控制点的流量信息。为安全起见,若对方案(一)对应安砂坝址洪水频率为 2%,也采用控泄流量3160m3/s,经初算所需防洪库容 1.50亿 m3。调洪计算中入库与坝址洪水的差异,在将计算的防洪库容考虑安全系数后,需设置的防洪库容为 1.6亿m3。

6 安砂水库的防洪方案

提高三明市防洪标准达 50年一遇,需设防洪库容 1.6亿 m3,如何设置水库防洪库容与防洪限制水位,涉及面广,矛盾错综复杂。对防洪问题的分析研究过程,即是一个协调处理和解决需要与可能、整体与局部、发电与防洪、上游与下游等诸多方面利益矛盾的过程。水库承担下游防洪,在现状下研究了全预留、部分超高并部分预留、全超高三种方式,成果见表5。

表5 各方案水库汛限水位和防洪库容设置计算结果

为了使防洪方案切实可行,并促使防洪与发电有机结合,提高中下游的的防洪能力,使下游三明市现有防洪堤过洪能力在 30年一遇的基础上提高到50年一遇,在充分考虑水库库区淹没损失情况下,对全预留、部分超高并部分预留、全超高三种方式设置 1.6亿 m3防洪库容进行综合分析。

6.1 从防洪方面来看

各方案通过在主汛期设汛限水位,防洪库容(下游50年标准对应的防洪库容为 1.6亿 m3)都可使下游防洪标准达到设计水平。265m方案是在现状的基础上再降低汛限水位以达到应有的防洪库容,为全预留式,而其他方案通过设立相应的汛限水位及防洪高水位,在调洪计算上都可满足下游的防洪要求。

6.2 从库区淹没来看

方案一:保持原正常蓄水位 265m,水库没有淹没问题。汛期降低汛限水位,将造成年电能损失0.19亿 kW·h,影响电站的发电效益。但协调处理防洪与发电关系的难度不大。

方案二:库区淹没比方案三减少很多,特别对嵩口坪镇等地基本不影响,水库淹没投资为 9.37亿元。限于环境容量限制,水库淹没赔偿、移民搬迁十分困难。

方案三:库区 268～270m高程之间的区间淹没增加很多,尤其是嵩口坪镇等地在 270m时基本皆受淹,水库淹没投资为 14.11亿元。水库淹没赔偿、移民搬迁困难重重,难以实现。

从三个方案来看,唯方案一没有淹没,没有移民搬迁问题,仅有电能损失补偿问题,相对容易协调解决,因此经综合考虑后推荐方案一。

7 结 论

安砂水库是以发电为主兼有防洪等其他效益的综合利用工程,同时又是沙溪及闽江防洪体系的主要组成部分。水法规定,开发利用水资源,应当服从防洪的总体安排,实行兴利与除害相结合的原则,充分发挥水资源的综合效益。若从防洪大局出发,处理好部门和整体、上游与下游的利益积极合理地承担防洪任务,方案一是比较好的方案。若从改善水库调节性能、综合提高下游防洪能力和梯级电站电能,保护环境,增加枯水期流量等方面考虑,可以考虑方案二,但需加高大坝,水库防洪高水位 268.12m,汛限水位263.5m。防洪库容均为 1.6亿 m3。