水利工程对分水江水面线影响分析

姬战生，张飞珍，孙映宏

(1.杭州市水文水资源监测总站，浙江 杭州 310016;2.杭州市南排工程建设管理处，浙江 杭州 310020)

分水江水文站至分水江水库坝址河段位于分水江中下游，河段长 12.07 km，区间集水面积470 km2，占分水江流域总面积的13.65%.20世纪以来，分水江流域频发大洪水，建国后发生大水灾10余次，平均5 a左右一次.桐庐县位于分水江中下游，其灾情尤其严重［1］.为缓解分水江中下游防洪压力，2000年2月，浙江省人民政府决定对分水江进行四级开发，即青山殿、分水江、毕浦、浪石埠四个梯级;分水江水库以防洪为主，毕浦电站以发电为主，兼顾防洪1)汪恒强，李云进.钱塘江流域综合规划［R］.杭州:浙江省水利水电勘测设计院，1999..虽然分水江水库建成后可拦洪削峰，提高下游沿岸大片农田和乡镇防洪标准，减少洪灾发生的概率2)金志玉.浙江省分水江水利枢纽工程水库运行及调度方案［R］.杭州:浙江省水利水电勘测设计院，2005.，但大洪水时水库下泄流量仍较大，下游河道现有堤防防御能力有限，加上沿程水利、交通等工程的影响，2008－06－16—18分水江流域发生了近10 a来的最大洪水，洪灾损失惨重，分水江水文站至分水江水库坝址区间河段沿岸农田和乡镇灾情尤其严重.因此，计算毕浦电站建坝前后分水江水文站至水库坝址区间河段洪水水面线，分析分水江水库不同下泄流量、毕浦电站建坝对区间河段水面线的影响，为区域防洪减灾、河道堤防整治、规范河道内采砂管理、交通水利工程规划设计等提供科学依据，具有十分重要的意义.

文中所有高程基面均采用1985黄海高程基面，所有河道累计距离均从分水江水文站起算.

1 流域概况

分水江是钱塘江的一级支流，也是下游左岸最大的支流，发源于浙皖交界的山云岭，河长164.2 km，河道平均坡降 2.32‰，流域集水面积3444 km2.分水江流域地势西北高东南低，流域上游为切割破碎的山丘地貌，主流上、中游段坡陡流急，属典型的山溪性河流，洪水陡涨陡落，峰高量大;主流下游方埠至桐庐河段坡度减缓，下游(河口上溯12.5 km)受钱塘江潮汐及富春江洪水顶托影响.加上分水江流域雨量丰沛，多年平均降雨量1654.0 mm，分水站多年平均径流深951.5 mm，是浙江省暴雨中心之一，因此洪灾严重而频繁.

分水江水库位于桐庐县分水镇上游2.5 km处五里亭，坝址以上集水面积2630 km2，占分水江流域总面积的76.4%;工程以防洪为主，结合发电，兼顾灌溉、供水和旅游等综合利用，总库容19260万m3，防洪库容为14350万m3.毕浦电站位于分水江下游桐庐县瑶琳镇，上距分水江水库10.47 km，坝址以上集雨面积3099km2，以发电为主，兼顾防洪、旅游等综合作用;工程采用引水式电站布置形式，拦河坝采用宽顶混凝土重力堰坝，堰顶设5.25 m高橡胶坝袋，固定堰顶高程21.75 m，正常蓄水高程27.00 m.

分水江水文站位于毕浦电站坝址下游，控制集水面积3100 km2，是分水江流域的重要控制站，也是本次计算的主要设计依据站.该站2003年1月从五里亭(现分水江水库坝址)迁至瑶琳镇毕浦村，主要观测项目有降水量、水位、流量等要素，均已通过资料整编，精度可靠.

2 研究方法

天然河道水面线计算方法很多，本次计算采用伯努利方程二分法试算程序求解，并利用实测“2008－06－18”洪水沿程洪痕率定参数.

2.1 基本原理

伯诺里方程:

式中，符号下标1、2分别代表同一河段的下游断面和上游断面;

Z—断面水位;V—断面流速;

α—动能校正系数;g—重力加速度;

hf—沿程水头损失;hj—局部水头损失.

采用二分法试算求解，(1)式变为:

式中，H—上游断面的试算水位，则当Z≈0时，H即为其解.试算时，将H的范围取为高于河底而低于断面最高点，如果河水超过断面最高点时，断面需要加高.

2.2 资料的选用

2.2.1 历史洪水选择

在水面线计算中，历史洪水不仅是推求河道糙率的宝贵资料，更是检验计算成果的重要依据，因此历史洪水资料的处理十分重要［2］.“2008－06－18”洪水，研究河段发生了10 a来最大的洪水，两岸村镇和农田受淹严重，因此本文选用此次典型洪水调查资料作为计算依据.该次调查是根据分水江河道地形图，选定比较顺直的河段或弯道、卡口、桥梁等控制断面的上游，结合房屋、沙场、桥梁、河堤、阶石等，通过记忆力强、关心涨水情况的群众指认洪水痕迹或调查人员调查房屋、河堤洪水淹没痕迹;与群众在现场讨论、查找、辨认，对洪痕的可靠程度作出初步判断后，再通过对同一断面位置附近左右岸3～5个洪痕高程的反复比较分析，最终确认该处洪痕高程，其可靠性较高.

“2008－06－18”洪水时，毕浦电站拦河大坝工程和引水系统基本完成，但橡皮坝尚未启用，坝址处为宽顶堰过流.

2.2.1 河道断面测量

在进行“2008－06－18”洪水调查的同时，根据河道自身变化、洪痕位置及洪水期水流的平均流向等特征，从分水江水文站至分水江水库坝址共布设并实测17个大断面.断面间距一般控制在1 km以内，弯道、卡口河段适当缩小断面间距.

2.3 参数率定及合理性分析

河道的糙率与很多因素有关，如河道的弯曲程度，横断面形状的不规则性、河床质组成、坡面植被组成等.这些复杂的因素不仅沿河道的长度变化，而且在同一断面上也随水位的变化而有所不同［3］.水面线计算中，糙率是一个十分敏感的参数，糙率的一点细微变化，都会引起计算结果发生较大的变化.为准确计算研究河段水面线，本文结合“2008－06－18”洪水调查成果，以各调查洪痕水位误差平方和最小为控制原则，对各河段主河槽、河漫滩采用不同的糙率进行率定验证，主河床糙率取值范围为0.02～0.035，弯道处和河漫滩糙率较大，取值范围为 0.035～0.05.率定结果见表1.

表1 部分洪痕水位与计算水位对比表 m

将所调查洪痕连成洪水水面线，与计算河段水位水面线和河床纵断面相比较，见图1，可知率定水面线与沿程洪痕水面线拟合程度比较好;河底高程有变化的地方，对应河段水面线也相应变化，水面线与河底高程的变化趋势具有一致性.因此，率定所得参数比较可靠，后续计算的水面线成果合理.

图1 计算水面线与调查洪痕、河底高程沿程变化对比图

3 成果与分析

3.1 洪水地区组成

毕浦电站坝址洪水由分水江水库下泄洪水与毕浦电站坝址至分水江水库坝址区间洪水叠加组成.为推求毕浦电站坝址洪水，并计算毕浦电站坝址以上河段水面线，需研究分水江水库下泄洪水与区间洪水的组合.

因区间流域面积(F=469 km2)较小，汇流时间短;分水江水库坝址以上流域面积(F=2630 km2)较大，汇流时间长;加上分水江水库洪水经水库调节后，出库洪峰滞后于入库洪峰，因此，区间洪峰与分水江水库下泄洪峰到达毕浦电站坝址并不同时，即区间洪峰出现时间先于分水江水库下泄洪峰.为分析洪水地区组合，现利用“2006－01－19”、“2007－10－08”、“2008－06－11”、“2008－06－18”四次大洪水资料，分析分水江水库最大下泄流量与下游分水江水文站对应的实测流量峰值得到流量对应关系，见表2.

表2 分水江水库最大下泄流量与分水江水文站实测最大流量比照表 m3/s

由表2知，4次洪水客观反映了分水江水库最大下泄流量与下游区间对应流量之间的组合关系，即区间对应流量与分水江水库最大下泄流量峰值的比值在0.14～0.29之间.为合理选择比值，提出三种组合情况进行敏感性分析，确定毕浦电站坝址流量.即组合1:比值为0.20;组合2:比值为0.25;组合3:比值为0.30.

3.2 起调水位计算

3.2.1 毕浦电站建坝前

建坝前，河道水面线计算以分水江水文站为起始计算点.起调水位低水部分利用分水江水文站水位流量关系曲线，高水部分延长高水部分水位流量关系曲线，由流量求得相应水位值，成果见表3.

3.2.2 毕浦电站建坝后

建坝后，河道水面线计算以毕浦电站坝址为起始计算点，起调水位根据宽顶堰过流公式计算求得，成果见表4.

表3 各组合情况下分水江水文站流量与相应水位表

表4 各组合情况下毕浦电站坝址流量与相应水位表

3.3 组合方案选择

在确定河道糙率、起调流量和起调水位的基础上，利用天然河道水面线系统计算三种组合方案区间河段的水面线，并通过比较分水江水库下泄相同流量时不同组合方案之间的水位差值选择最为合理的组合.为保证计算结果具有代表性，选取分水江水库主汛期20 a一遇最大下泄流量4000 m3/s作为计算流量，计算结果见表5.

表5 分水江水库下泄4000m3/s时各组合建坝前后区间水面线计算成果表 m

由表5可知，分水江水库20 a一遇同一下泄流量情况下，建坝前组合2区间水位比组合1高0.10～0.23 m，组合 3区间水位比组合2高 0.11～0.30 m;建坝后组合2区间水位比组合1高0.14～0.20 m，组合 3区间水位比组合 2高 0.13～0.20 m;建坝前后不同组合方案之间区间水位最大差值在0.10～0.30 m之间.因此，根据合理和偏安全的原则，选用区间对应流量与分水江水库最大下泄流量比值为0.25组合2方案.

3.4 水面线计算分析

组合2方案毕浦电站建坝前后分水江水库不同下泄流量下区间水面线计算成果见表6，其中(1)～(15)分别代表分水江水库下泄流量(Q下)为1000 ～7000 m3/s(增幅为500 m3/s)、7250 m3/s、7500 m3/s时建坝前后的水面线计算成果.毕浦水电站建坝后，分水江水库下泄流量为7500 m3/s、毕浦电站坝址流量为9375 m3/s时，分水大桥附近会被淹没，超出设计标准，不予考虑.

由表6可知，分水江水库下泄流量小于3000 m3/s时，相邻两条水面线间水位差在0.60～1.00 m之间，上下游水位变幅相对较大;分水江水库下泄流量为3000～7000 m3/s时，相邻两条水面线间水位差在0.40～0.60 m之间，上下游水位变幅相对较小;分水江水库下泄流量大于7000 m3/s时，相邻两条水面线间水位差在0.20～0.40 m之间，上下游水位变幅更小.

毕浦电站建坝后，对区间河段水面线影响较大，坝址附近水位相差最大，越向上游影响越小，至分水江水库附近时基本相差不大.选取分水江水库20年一遇下泄流量4000 m3/s作为代表工况比较毕浦电站建坝前后水面线变化情况，见图2.可知，建坝后坝址水位比建坝前高2.00 m左右，坝址上游3250 m处水位高1.00 m，坝址上游5100 m处水位高 0.50 m.

“2008－06－18”洪水，分水江水库最大入库流量为6200 m3/s，而最大出库流量为4060 m3/s，洪峰流量削减了2140 m3/s(占总流量的34.5%).根据计算，分水江最大下泄4000 m3/s时，毕浦电站坝址处建坝前水位为 26.50 m，而建坝后水位为28.47 m，坝址处水位抬升了将近2 m.

图2 组合2分水江水库下泄4000 m3/s时区间水面线

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4 结语

(1)天然河道水面线分析计算原理简单，方法多样，但每个流域自然地理情况千差万别，控制断面和历史洪水的处理、每段河道糙率的选择、洪水地区组成分析处理等对计算结果影响很大.本文利用历史洪水对洪水地区组成的处理办法具有重要的借鉴意义.

(2)随分水江水库下泄流量增加，相邻两条水面线间水位差和上下游水位变幅变小;毕浦电站建坝后，对区间河段水面线影响较大，坝址附近水位大幅抬升，越向上游抬升幅度越小，至分水江水库坝址附近基本相差不大.(3)通过分析分水江水库不同下泄流量、毕浦电站建坝对区间河段水面线的影响，不但可以指导水库对实时洪水进行科学调度，将洪水灾害降低至最小程度，而且为保护好沿河两岸重要防洪地区与项目、河道堤防整治、交通水利工程规划设计等提供重要科学依据.

［1］桐庐县志编纂委员会.桐庐县志［M］.杭州:浙江人民出版社，1991.

［2］周 艏，许小娟，孙以三.连江干流洪水水面线分析［J］.中国农村水利水电，2005，3(2):46 －48.

［3］姬战生，孙映宏，何晓洪.杭州南沙平原河网新增取水口取水可靠性研究［J］.水电能源科学，2008，26(3):113 －115.