利用大型水库滞洪库容减轻下游洪水影响

[挪威]　L.E.尼尔森 等



利用大型水库滞洪库容减轻下游洪水影响

[挪威]L.E.尼尔森 等

摘要：越来越多变的气候条件引发的高频次极端事件，导致了极端降雨与洪水预估值的持续增大。许多已建大坝已无法应对修正计算的洪水量，而要增强大坝的泄洪能力，又需花费高昂的代价。研究了如何利用增加大型水库的滞洪库容达到梯级水库的最佳防洪效果，以及通过考量整体梯级水库的特性与调度确定最佳洪水调度方案的方法。

关键词：梯级水库；防洪；降雨-径流模型；挪威

依据挪威大坝安全规定，挪威海姆内斯市的费尔福森(Fallforsen)坝属于3类高风险坝。该坝上游的罗斯湖(Røssvatn)坝挡水形成了挪威第二大湖泊，水面面积218.5 km2，集水面积1 505 km2。新洪水计算表明：费尔福森坝的泄洪能力有待大幅增强，而且极端洪水条件下大坝下游的科尔根地区存在着较大的洪水风险。为此，本文提出了上游罗斯湖坝新的洪水调度方案，它既可大大减少费尔福森坝的修复加固工程量，还可为科尔根地区提供更佳的洪水保护。

1研究背景

1.1地理位置

罗斯萨加(Røssaga)河水电开发项目位于挪威北部的海姆内斯市，流域总面积2 144 km2，覆盖了最高海拔高程1 800 m的山地与冰川区域，部分流域横跨挪威相邻城市和邻国瑞典。该水电开发项目起始于20世纪40年代，是挪威北方工业化计划的组成部分，其主要初衷是为炼铁熔炉提供电力。

1.2水电开发

水电开发项目由罗斯萨加河上、下游2座水电站组成，装机容量分别为160 MW和260 MW，斯特克雷富特(Statkraft)能源公司负责运营，上、下游水电站的发电量分别为830 GW·h和1 700 GW·h，项目于1955～1962年分阶段投入运行。目前正在进行的修复改造工程将新增水电装机225 MW，但同时会减少水电设备使用率，每年新增发电量可达200 GW·h。

水电开发形成了3座主要水库，最大的罗斯湖坝水库库容为23.6亿m3，其余2座水库相对较小，库容分别约为2.5亿m3和0.19亿m3，还有一些更小水坝。流域年均径流约为29.7亿m3，大约相当于水库库容的113%。

1.3大坝修复

罗斯湖坝与费尔福森坝是罗斯萨加河梯级水库的2座主要大坝，其中罗斯湖坝已于1999～2000年完成了修复改造，目前正在规划费尔福森坝的修复工程，2座大坝的主要特征值见表1。作为规划中的费尔福森坝修复工程的组成部分，上游罗斯湖水库的洪水调度方案对于确定费尔福森坝修复工程的强度，以及洪水对梯级水库下游与科尔根市的影响至关重要。

2罗斯湖水库与费尔福森水库现状洪水调度方案

20世纪50年代设定的水库洪水初始调度方案是：当预测出现入库大洪水时，费尔福森坝的上游水库(斯托米尔(Stormyr)流域)将降低库水位预留滞洪库容，并认为罗斯湖水库的库容足以容纳入库最大洪水而不必泄洪。

表1　大坝特征值

然而，斯特克雷富特能源公司并未运用过斯托米尔流域水位变幅6 m的调节库容，而是一直维持着较为稳定的库水位，这为水库周边湿地提供了良好的野生生物栖息地。因此，利用斯托米尔流域预留滞洪库容抵御预测大洪水的思路在现状洪水调度方案中一直未被采纳。

图1　费尔福森坝平面

3费尔福森坝修复工程初期研究

2002年，依据挪威大坝安全规定，对费尔福森坝进行了大坝安全强制性评估，结论是必须对大坝及闸门进行升级改造与修缮。2007年，提出了大坝修复工程的前期报告。2011年， 一家咨询公司受委托提出了费尔福森坝全面修复工程的规划、详细设计与招投标文件(大坝现状特征见表1，大坝总布置见图1，大坝断面见图2)。研究推荐的费尔福森坝修复工程包括：

图2　费尔福森坝断面(高程:m)

(1) 操作闸门取代木制栅格闸门框架，基于技术-经济最优比较，进行了多方案研究与选择；

(2) 由提升闸门取代现有弧形闸门；

(3) 维修与修补混凝土表面，满足大坝安全与稳定性要求，确认可能需要打入岩石锚杆的部分坝段；

(4) 开挖下游渠道，为大坝构筑物的修复与未来维护提供工作条件；

(5) 导流洞的小幅修缮(导流隧洞剖面图见图3)。

图3　导流隧洞剖面

挪威大坝安全条例规定：3类大坝应按1 000 a一遇和最大可能洪水(PMP)进行设计。基于相关规范和上游大坝水库现状调度方案的初期研究结论是：费尔福森坝需要新增一座与现有泄洪闸泄洪能力相同的弧形闸及其相配套的围堰、岩体开挖与混凝土工程。初期研究估算的新增泄洪工程造价约为400万美元，同时提出了通过改变上游水库现状调度方案以便更好减缓下游洪水可能性的研究建议，该研究还包括上游大坝相应的改造工程，其工程造价无疑远低于费尔福森坝修复工程。

4基于罗斯湖水库调度的新洪水计算

4.1入库洪水计算

采用洪水频率分析与降雨-径流模型相结合的方法，本文采用新方法计算了水库流域的洪水，比较2种计算结果，得到设计洪水。

降雨-径流模型选取的是挪威水资源与能源学会PQRUT软件，计算得到了罗斯湖水库的入库洪水过程。由表2可知，挪威气象院提供的M1000和PMP降雨量明显大于以往流域降雨计算量，由此计算得到的入库洪水值也显著增大了。图4给出了罗斯湖水库的入库洪水过程，总入库洪水由流域径流、水库区间降雨和其他水库及小流域汇入的过境流量组成。

表2　用以罗斯湖水库洪水计算的降雨量　mm

图4　罗斯湖水库入库洪水

洪水频率分析计算得到的洪峰值大约为降雨-径流模型计算值的一半，但其10 d洪量却仅比降雨-径流模型计算值小10%。考虑到洪水频率分析缺乏最新数据，而降雨-径流模型的不确定性相对较小，本文选用降雨-径流模型计算成果作为入库设计洪水。

罗斯湖水库的洪水演进计算采用了水文(水位)方法，并以罗斯湖坝泄洪闸的各种运用方案为基础。

4.2基于泄洪闸运用的罗斯湖水库洪水演进计算

本文研究了罗斯湖水库泄洪闸运用方式对提高梯级水库下游洪水演进的影响，研究的泄洪方案包括：①现状调度方案(泄洪闸逐渐开启)；②所有泄洪闸关闭(无闸方案)；③所有泄洪闸敞泄。

4.2.1方案1(现状调度方案)

将现状调度方案条件下的前洪水演进计算作为基本方案，现状调度方案是：泄洪时，逐渐开启3座泄洪闸中的2座(表3)。

表3　 罗斯湖大坝现状泄洪方式

4.2.2方案2(无闸方案)

为了充分发挥罗斯湖水库减轻下游洪水的潜力，本文进行了所有泄洪闸关闭“情景”的模拟计算，此时仅允许溢流堰泄洪。该方案的计算结果表明：罗斯湖水库的设计洪水位将会抬高，需要复核静水压负荷的增加对罗斯湖大坝构筑物的影响。

4.2.3方案3(所有泄洪闸敞泄)

作为参照方案，本文也模拟计算了洪水期间3座泄洪闸全部敞泄的泄洪方案，显然，此时罗斯湖坝的泄洪量最大、库水位最低。

图5给出了3种泄洪方案下罗斯湖坝泄洪能力曲线，方案2下罗斯湖水库的设计洪水位为386.81 m，比原计算水位抬高了1.01 m。2014年，挪威大坝安全机构认可了罗斯湖坝与费尔福森坝经修正的洪水计算成果(表4、表5和图6、图7)。

图5　罗斯湖坝泄洪能力

参数初期计算值新计算值流量Q/(m3·s-1)设计库水位/m溢流水头H/m流量Q/(m3·s-1)设计库水位/m溢流水头H/mQ1000(1000a一遇洪水)590385.82.4660386.813.41PMF(最大可能洪水)1140387.54.11258387.594.19

表5　费尔福森坝洪水特征值

注:*依据新洪水计算的泄流能力曲线，对初期库水位计算值进行了修正。

图6 罗斯湖坝出库流量

图7 洪水期间罗斯湖水库水位

若要抬高罗斯湖坝的洪水位，必须复核静水压负荷增加对罗斯湖坝的影响，研究发现，确保设计洪水位下罗斯湖大坝安全的工程费用约为80万美元，与初期研究中费尔福森坝增加泄洪能力及安全的工程相比，该工程费用大大降低。因此，大坝业主决定基于“无闸方案”修改罗斯湖坝的水库调度标准。

应该指出的是，费尔福森坝初期洪水计算的假定是罗斯湖坝所有泄洪闸敞泄。按照根据增加的降雨量进行重新研究制定的罗斯湖坝“无闸”调度方案，费尔福森坝泄洪需求量与本文初期研究确定的泄洪量非常接近。另外还需要指出的是，费尔福森坝的集水面积比罗斯湖坝要小一个数量级。

5结论

5.1费尔福森坝的泄洪需求量改善

如果采用罗斯湖大型水库的新洪水调度方案，就不必增强费尔福森坝的泄流能力。因为此时新设计洪水与1997年确定的洪水在规模上基本相同，可使修复工程的潜在成本节省300万美元。

5.2斯托米尔流域的生态环境得到改观

自罗斯萨加河下游水电站投运行以来，费尔福森坝水库(斯托米尔流域)已演变为重要的野生生物群落栖息地。由于罗斯萨加河下游水电站一直维持着接近于最高库水位的运行方式，无需充分运用水库库容，水库生物群落得以发展，大坝业主斯特克雷富特能源公司也获得了更多的经济效益。新的水库调度标准为这一越来越重要的生物群落栖息地的维持提供了更大的可能性。

同时需要指出的是，罗斯萨加河水电开发早期规划设定的洪水调度方案是：预测大洪水来临之前，费尔福森水库(斯托米尔流域)应该腾空并预留滞洪库容。这一方案由于生态环境方面的考量而一直未被采用。

5.3科尔根地区的防洪保护得到加强

基于新的洪水调度方案，罗斯萨加河下游出口科尔根地区更能充分应对未来的特大洪水。该地区200 a一遇洪水淹没区(通常为限制开发区)面积极有可能会减小，这一问题有待于深入研究。

董耀华译

(编辑：朱晓红)

中图法分类号：P311.1

文献标志码：A

文章编号：1006-0081(2016)03-0017-04

收稿日期：2015-12-28