宜昌市柏临河干流防洪特性分析及流域生态需水量评估

，，

(长江水利委员会水文局 长江三峡水文水资源勘测局， 湖北 宜昌 443000)

1 研究背景

柏临河为长江左岸的一级支流，发源于宜昌市夷陵区别家大山的愈家老屋，干流依次流经夷陵区小溪塔街道、龙泉镇、伍家岗区伍家乡、伍家岗街道和宜昌高新区生物产业园。柏临河干流建有大量拦水坝，部分河段存在堤防欠高的问题，尤其是拦水坝附近河段过水断面面积明显不足，此外部分河道淤积明显减小了河道行洪面积，威胁到河道两岸居民的生命财产安全，流域水安全问题突出，因此亟需对流域防洪特性进行分析，并采取相应的措施。

徐华[1]针对无资料地区采用推理公式法计算了山洪沟的设计洪水，并认为该方法计算精度较高。李磊[2]等认为推理公式法对土耳其小流域设计洪水的计算成果符合当地实际情况。陶新红[3]采用推理公式法求得设计洪水，结果较为合理。张松达[4]对无资料地区小流域的洪峰流量进行了推算。柏临河属山区性河流，河道坡降较大，干流建有3个水位站和1个水文站，但水文资料系列较短，无法通过实测资料进行设计洪水计算，本文拟采用推理公式法计算设计洪水。

采用一维水动力数学模型计算柏临河干流水面线。吴树煌[5]等提出了工程设计中天然河道水面线计算的方法及建议。陈瑞方[6]分析了传统恒定流推算方法与非恒定流数学模型计算方法的差异。方神光[7]等基于一维数学模型对西江干流黔江段防洪特性进行了分析。何书会[8]等对天然河道洪水水面线推算中的技术问题及处理方法进行了研究。柏临河干流上下游建有较多拦水坝，河道遭到连续性破坏，圣维南方程组的适用性受到限制，因此，计算过程中，在拦水坝处对河道进行分段处理，并采用堰流公式对坝址处水位进行控制，自下而上逐一计算沿程水面线。

河道最小生态需水量即维护河道基本生态功能以及维持河道内水生生物生存所需的水量[9]。国外对河道内生态需水量的研究起步较早，M.Falkenmark[10]等提出了“绿水”的概念，即同时满足人类生存发展和河流生态所需的水量。P.D.Raskin[11]认为足够的水量是维持河流、湖泊及湿地生态的前提。国内关于生态需水量的研究始于20世纪70年代，汤奇成[12]首次提出了生态环境用水的概念，认为保护绿洲生态环境的用水即为生态环境用水。王芳[13]等探讨了生态需水量的概念，指出生态需水量是用来恢复和保持生态系统稳定、保证河流生态环境所需的水量。生态需水量的计算方法一般有水文学法和水力学法。水文学法包括Tennant法、Texas法、逐月频率计算法；水力学法包括湿周法和R2-Cross法，此外还有生境模拟法和综合法。考虑到其他方法要求较高，结合柏临河流域的实际情况，本文拟采用Tennant法和湿周法计算流域生态需水量。

2 流域概况

柏临河发源于宜昌市夷陵区别家大山，在宋家咀以上分东西两支，在宋家咀汇合后，经龙泉镇、水府庙、土门，在宜昌市城区东郊临江溪汇入长江。流域呈扇形，主要支流从上至下依次有杨树河、土门河、后河和花艳冲，杨树河于水府庙汇入柏临河干流，汇合口以上的柏临河干流习惯称龙泉河，土门河和后河均于徐家畈汇入柏临河，花艳冲于张家坪汇入柏临河干流。流域面积为478 km2，柏临河主河道长54.3 km，河床平均坡降为5.5‰，河道坡降较大，属山区性河流。柏临河流域干支流分别建有稻花香(龙泉)水位站，水府庙水位站，临江溪水位站、鸣凤河(魏家畈)水文站和支流后河上的新场水位站，共4个水位站和1个水文站。流域水系及水文站点分布见图1。

图1 柏临河流域水系及水文站点分布

柏临河流域水位观测始于2012年，水文资料系列不足7 a。鸣凤河水文站于2016年设立，是流域内唯一的水文站点，实测资料系列较短，无法根据实测资料进行设计洪水计算，故该流域属基本无水文资料地区。各站观测情况统计见表1。

表1 柏临河干流水文站网及水文项目观测情况统计

3 水文分析计算

3.1 计算方法

3.1.1 推理公式法

柏临河流域位于湖北省水文气象分区第Ⅷ区，设计洪水计算采用湖北省暴雨统计参数图集中的推理法公式法计算[14]。基于水科院推理公式法，根据新编的暴雨参数和设计暴雨特点，结合具体情况进行了改进，计算公式为

(1)

(2)

式中，K1、K2、K3、K4为暴雨递减指数n的函数，已制成表格供计算时查用；θ=L/J1/3，L为河流长度，km；J为河道比降，‰；S为雨力，mm；F为流域面积，km2；u为产流期平均损失率,mm/h；m为汇流参数，按流域所在分区并结合H24点的值选用相应公式计算。

3.1.2 一维数学模型

一维数学模型根据圣维南方程组计算沿程水面线，采用简化的四点隐式格式对圣维南方程组进行离散，将离散结果代入到连续性方程与动量方程中，再通过迭代求解Q和Z。编号j和j+1相邻两断面的水位流量关系为

(3)

(4)

式中，Q为流量，m3/s；Z为水位，m；Cj、Dj、Ej、Fj、Gj、Фj需要内部迭代求解。

模型上边界采用流量进行控制，下边界采用水位进行控制；柏临河支流杨树河、土门河、后河和花艳冲以支流入汇的形式参与水面线计算。

3.1.3 堰流公式控制拦水坝处水位

柏临河干流分布的拦水坝堰坎厚度较小，δ/H也较小，无侧收缩，可按薄壁堰处理，薄壁堰堰流公式为

(5)

式中，Q为流量，m3/s；mo为堰流流量指数，与堰的进口尺寸和δ/H有关；b为堰宽，m；H为堰上水头，m 。根据断面流量、堰的尺寸和高程，通过式(5)可推算拦水坝处水位。

3.2 研究方法可靠性与合理性分析

3.2.1 推理公式的可靠性

采用推理公式法分别计算柏临河流域干支流不同频率设计洪水，将计算成果与《湖北省宜昌市城区防洪规划(北部区域)》进行对比，见表2。

表2 柏临河流域设计洪水计算成果与宜昌市防洪规划计算成果比较

由表2分析可知，推理公式法计算值与防洪规划值差值较小，相对误差小于2%，在允许范围内，计算成果可靠。从工程安全角度考虑，在水面线计算时各断面不同频率设计洪水取两种计算成果中的较大值。

3.2.2 一维水动力学模型糙率取值

柏临河属无资料地区，无法通过实测资料进行糙率率定。惠遇甲等[15]对奉节至香溪河段糙率系数进行了计算与分析。田景环等[16]对天然一维河道一维数模中综合糙率的确定方法进行了研究，提出了天然河道一维水力计算时糙率系数的确定方法，并通过实验对该方法进行了验证，认为该方法对缺乏实测资料地区同样适用。朱马别克·努尔合买提[17]对西北山区天然河道糙率系数进行了分析，指出反演算法在近似确定糙率的过程中准确度较高。综上，本文柏临河干流糙率n取值为 0.032。

3.3 柏临河干流防洪特性分析

根据表2的设计洪水成果，分别计算了不同方案干支流的来水量。各方案计算条件见表3。

表3 不同计算方案边界条件

三峡工程建成后，依据三峡水库防洪调度方案，100 a一遇及其以下洪水，枝城流量控制在56 700 m3/s，宜昌至枝城河段按56 700m3/s的流量设防。《湖北省宜昌市城区防洪规划(北部区域)》给出了56 700m3/s流量下宜昌段各断面设计洪水位，本文直接引用柏临河设计洪水位为50.63 m。

分别计算得到柏临河干流P=10%、P=5%、P=2%的沿程水面线，根据宜昌市城区防洪规划要求，龙泉古镇稻花香厂区至后河入河口防洪标准为20 a一遇，后河入河口至临江溪入江口防洪标准为50 a一遇，而龙泉古镇上游主要为人口较少的农村地区，防洪标准较低，可按10 a一遇考虑。各河段根据其不同的防洪标准，得到罗家畈至临江溪沿程防洪水面线，见图2。

图2 柏临河干流沿程防洪水面线

参照GB 50286-2013《堤防工程设计规范》[18]，对于10 a一遇、20 a一遇洪水和50 a一遇洪水，对应的安全超高分别为0.7 ，0.8 m和0.9 m。结合计算的柏临河干流沿程水面线，得到柏临河罗家畈至临江溪设计堤顶高程，再根据沿程现状堤顶高程，分析柏临河干流防洪现状。柏临河干流沿程设计堤顶高程与现状堤顶高程见图3。

图3 柏临河干流沿程设计堤顶高程与现状堤顶高程

分析罗家畈至临江溪设计堤顶高程与现状堤顶高程的关系可知，河段上游雷家畈拦水坝、宋家咀拦水坝处堤防欠高明显，欠高达到1.4 m和2.3 m，其他河段堤防能满足防洪要求。河段中游龙泉古镇建有关公坊酒厂拦水坝、稻花香宾馆拦水坝、龙泉古镇拦水坝和151拦水坝，拦水坝附近河段堤防欠高分别为0.7，0.5，0.8 m和0.8 m。下游河段堤防高程基本能满足防洪要求。

考虑到拦水坝上游一般建有取用水设施，为两岸居民提供生产、生活用水，因此拦水坝改造过程中以拆坝、降低坝顶高程为主，结合河道疏浚，新建堤防护岸，保证河道行洪安全。

表5 柏临河流域最小生态需水量计算成果

4 柏临河流域生态需水量

4.1 生态需水量计算

Tennant法也称蒙大拿法，该方法以预先确定的多年平均流量百分数为基础，将保护水生态和水环境的河流流量推荐值分为最大允许极限值、最佳范围值、极好状态值、很好状态值、良好状态值、一般或较差状态值、差或最小状态值和极差状态值等1个高限标准、1个最佳范围标准和6个低限标准。水生生物对环境的季节性要求不同，4～9月为鱼类产卵育肥期，10月至翌年3月为一般用水期。基于该方法建立了水生生物、河流景观、娱乐和河流流量之间的关系标准，见表4。湿周法主要是通过确定湿周-流量关系，结合实测流量和河道参数，从而得到相应湿周-流量数据。

表4 保护鱼类、野生动物、娱乐和相关环境资源的河流流量状况

注：*表示多年平均流量百分数%。

对于柏临河流域生态需水量计算，Tennant法确定的年内较枯时段、较丰时段生态需水量分别采用多年平均天然流量的20%和40%。湿周法采用幂函数来拟合湿周-流量关系，对“V”型断面和“U”型断面效果较好，各方法计算的生态需水量成果见表5。

计算表明，Tennant法和湿周法计算的最小生态需水量相差不大。对Tennant法计算的成果进行分析，柏临河上段(龙泉河)最小生态需水量为0.641亿m3，柏临河下段最小生态需水量为1.716亿m3；杨树河段最小生态需水量为0.442亿m3；土门河最小生态需水量为0.129亿m3；后河河段最小生态需水量为0.367亿m3；花艳冲最小生态需水量为0.032亿m3。

4.2 生态需水量评估

经计算得到95%保证率条件下柏林河干支流来用水(见表6)。具体情况如下：①柏临河上段在保证率为95%条件下多年平均来水量为0.922亿m3，多年平均用水量为0.219亿m3，剩余水量约0.438亿m3。②柏临河上段最小生态需水量为0.641亿m3，缺水量约0.203亿m3，表明柏临河上段在保证率为95%条件下水资源量不能满足河道最小生态用水的要求。③柏临河下段在保证率为95%条件下多年平均来水量为6.628亿m3，多年平均用水量为3.835亿m3，剩余水量约 2.793亿m3。④柏临河干流下段最小生态需水量为1.716亿m3，约占剩余水量的61.4%，表明柏临河干流下段在保证率为95%条件下多年平均水资源量基本能满足河道最小生态用水的要求。

同理，支流杨树河、土门河、后河和花艳冲在95%保证率条件下来用水量情况见表6。

4.3 河道生态补水方案

上述分析表明，在保证率95%来水条件下，除柏临河下段、杨树河外，柏临河干流上段、土门河、后河和花艳冲均不能满足河道最小生态需水量的要求，需对其进行生态补水。

(1)龙泉河补水方案。生态补水缺口最大的是龙泉河，其最小生态需水量0.641亿m3，缺水量为0.203亿m3，约占流域生态缺水总量的80.6%，故流域生态用水的主要供需矛盾在龙泉河。杨树河在保证率95%来水条件下，河道剩余水量约1.414亿m3，最小态需水量为0.442亿m3，仍有0.972亿m3水量富余，可考虑将其水资源量一部分引入邻近的柏临河上段(龙泉河)。

表6 95%保证率条件下柏临河干支流来用水量情况 亿m3

(2)土门河、花艳冲的补水方案。花艳冲、土门河等河流水资源量较为匮乏，但生态补水总量不大，仅0.016亿m3。在优先满足城镇生产生活用水、灌溉用水的前提下，应充分利用东风干、支渠的连通作用，适时向周家嘴、花艳冲水库补水。保证周家嘴、花艳冲水库有足够的下泄流量，以满足下游河道的生态用水需求。

(3)后河河段的补水方案。在正常年份，后河河段河道水资源量基本可以满足河道最小生态需水量需求。但在保证率95%来水条件下，河道最小生态需水量仍缺0.023亿m3，约占最小生态需水量的6.3%。后河流域水库众多，水库储水能力也较强，只要统筹规划，充分发挥后河流域水库群的综合调节作用，合理安排各水库的下泄流量，后河河道的生态用水要求亦可得到满足。

5 结 论

(1)采用推理公式法计算柏临河流域设计洪水，计算值与《湖北省宜昌市城区防洪规划(北部区域)》成果相对误差在2%以内，计算成果可靠。

(2)柏临河干流存在多座拦水坝，破坏了河道的纵向连续性，在拦水坝处采用堰流公式推算坝址处水位，分段从下游至上游推算沿程水面线，计算结果满足精度要求。

(3)根据计算的柏临河干流P=10%、P=5%和P=2%沿程水面线，得到了沿程设计堤顶高程。结合现状堤顶高程分析了柏临河干流防洪特性，结果表明：柏临河上游的雷家畈拦水坝、宋家咀拦水坝处堤防欠高明显，龙泉古镇的关公坊酒厂拦水坝、稻花香宾馆拦水坝、龙泉古镇拦水坝和151拦水坝堤防高程欠高，其他河段基本能满足防洪要求。对于堤防欠高的几座拦水坝，建议将其改造为翻板坝，保证行洪安全。

(4)分别计算了柏临河干支流最小生态需水量，并对流域生态需水量进行了评估，计算表明在保证率95%来水条件下，除柏临河下段、杨树河能满足河道最小生态需水量外，其他河段不能满足河道最小生态需水量的要求。