永康市杨溪水库下泄洪水影响分析

朱秋芳，朱军政

(1.永康市杨溪水库灌溉工程管理局，浙江 永康 321304;2.浙江水利水电学院，浙江 杭州 310018)

1 基本情况

1.1 流域概况

杨溪水库(见图1)位于永康市东南部石柱镇麻车口村，地处永康江南溪支流李溪，距石柱镇7.5 km，距市区15 km。李溪发源于舟山毛岭，经舟山至前村有申亭溪10.48 km2，至上桥有源口溪8.93 km2注入，缓转北流经下东桥、白岩下、台门，至古竹桥合新楼溪入杨溪水库，出水库后于石柱有北大迪溪15.17 km2注入，经上里溪于寺山脚入南溪。流域面积174.1 km2，主流长31 km，平均比降4.656‰，其中上游舟山溪主流长12.5 km，流域面积49.28 km2，新楼溪主流长13.2 km，流域面积35 km2。

杨溪大坝脚至南溪寺山脚汇入口，全长11.3 km，河宽40～65 m，其中杨溪水库至石柱镇金温公路大桥止9 650 m河段，在1987年冬至1988年春按20年一遇洪水标准进行了整治，河道现状保持较好。杨溪水库按100年一遇洪水设计，下游河道按20年一遇洪水标准进行整治，一旦水库下泄流量超出20年一遇标准洪水，下游河道将会出现洪水淹没风险，为此进行下泄洪水演进模拟计算分析，了解不同频率洪水下游河道漫堤溢流、淹没范围、淹没水深情况。国内相关研究主要集中在水库溃坝洪水影响风险[1-13]，对水库正常的下泄洪水，但又超出下游河道行洪能力的洪水风险研究较少。

图1 杨溪水库位置及流域示意图

1.2 水库概况

杨溪水库集水面积124 km2，总库容6 453 万m3，水库按100年一遇洪水设计，是一座以灌溉为主，结合防洪、供水、发电等综合功能的中型水库。100年一遇设计洪水位154.77 m，相应库容5 768万m3，20年一遇防洪高水位154.21 m，正常蓄水位153.84 m，梅汛期限制水位153.24 m，台汛期限制水位152.84 m，防洪库容630万m3。

库区上游三条溪水汇注入库，主河道长23 km，比降为4.54‰，主河道平均高程135.54 m，分水岭平均高程445 m。河道地处山区，坡陡流急，林木稀少，雨水缺乏调节，每逢暴雨，水位暴涨暴落。

水库下游河道按20年一遇洪水标准进行整治，安全下泄流量为185 m3/s。水库至李溪出口断面的洪水传播时间游为1.5 h，到市区洪水传播时间约为3 h。防洪土地面积0.178万ha，人口约12万人。除石柱镇境内有金温铁路、金温高速公路、330国道等重要交通工程外，还有下杨电灌、妙端电灌等水利工程设施。

2 防洪调度计划

杨溪水库自投运以来的多年平均降水量为1 483.3 mm，多年平均入库径流量9 684万m3。历史最丰年份发生在1989年，年降水量为2 106.6 mm，年入库径流量为17 856万m3。最枯年份发生在2004年，年降水量为1 131.1 mm，年入库径流量为3 761万m3。

历史发生“89.07.23”洪水，库水位在152.54 m开闸泄洪，调洪后最高库水位154.71 m(发生日期1989年7月23日)，为建库以来最高值。3孔闸门开启，组合最大下泄流量310 m3/s(含发电流量12 m3/s)，泄洪历时30时5分，下泄水量1 322万m3。历史最低库水位143.01 m，发生日期2004年2月29日。

2.1 水库洪水调度原则

(1)水库洪水调度遵守安全第一，兼顾兴利，主要功能以防洪为主时，兼顾下游防洪；水库发挥灌溉供水作用为主时，兼顾防洪发电；

(2)杨溪水库承担下游的防洪任务，水库水位低于20年一遇洪水位时(154.21 m)，下泄流量控制在下游河道安全泄量185 m3/s以下；

(3)水库水位高于20年一遇洪水位时(154.21 m)，水库逐步加大开启闸门泄洪，在确保大坝安全前提下控制泄流量不大于入库洪峰，避免造成人为洪水。

2.2 调洪计算成果

按2.1调度原则进行调洪演算，水库调洪成果(见表1)。

表1 杨溪水库调洪计算成果表(台汛期)

3 二维洪水演进数学模型

根据杨溪水库下游李溪河道实际情况，针对下泄洪水演进问题，建立杨溪水库下游二维数值模型，对下泄洪水演进进行流场模拟，模拟下泄洪水的传播过程，分析水库下游淹没范围、淹没水深等基础信息。

3.1 控制方程

数学模型水流计算的控制方程为沿水深平均的二维浅水方程，包括一个连续方程和两个动量方程，分别如下：

(1)

(2)

(3)

式中：z—水位；u—x方向垂线平均流速；

v—y方向垂线平均流速；h—水深；

c—谢才阻力系数；E—紊动扩散系数。

3.2 定解条件及求解方法

(1)定解条件

定解条件包括初始条件和边界条件。

边界条件为上游进口及旁侧入口给定流量边界，下游出口给定水位边界，固壁边界给定滑移边界条件(即流体在边界处的法向速度为0)。

(2)干湿边界处理

由于计算区域中存在随水位涨落而变化的动边界，为了避免过强的浅水效应影响及保证模型计算的连续性，通常采用“干湿处理技术”。模型处理干湿边界的方法是单元区分法。当单元的水深小于hdry(干水深)时，该计算区域的节点将不参加计算；当单元的水深介于hdry和hflood(淹没水深)之间时，此时动量通量会设定为0，只有质量通量会被计算；当单元的水深大于hwet(湿水深度)时，动量通量和质量通量都会在计算中被考虑。

(3)涡粘系数

涡粘系数根据Smagorinsky公式确定：

(4)

式中：u—x方向垂线平均流速；v—y方向垂线平均流速；l—网格间距(又称特征长度)；Cs—计算参数，一般取0.25～1.0之间。

模型采用基于单元中心的有限体积法对二维浅水控制方程进行离散求解。

3.3 模型构建

3.3.1 计算范围及网格剖分

本次河道二维水动力学模型计算范围，自杨溪水库坝址至下游寺山脚，计算河段全长约11.3 km，上边界取在水库坝址，下边界取为李溪汇入口。

杨溪水库坝址至寺山脚段地形采用不规则三角网格进行剖分。在网格剖分时，需要考虑堤防、道路等线性建筑物的阻水作用。采用网格最大面积和三角形最小角度对网格生成进行控制。计算域内的网格布设考虑了水流、地形梯度的差异，对水流、地形复杂河段以及桥梁桥附近区域的计算网格作了进一步加密，以便更好地反映该地区水流、地形变化特征，保证流场模拟精度，整个计算域内共布设77 899个三角形单元，40 018个有效节点，最小空间步长为5 m，计算时间步长为30 s。整体模型计算网格(见图2)。陆地地形数据通过水库下游1 ∶2 000地形图提取，河道地形数据图通过河道断面图提取的河道高程点。在进行网格插值时，李溪两岸分别设置隔断线，确保河道和陆地分开插值，避免河道陆地相邻网格的插值高程不准确。计算区域数字化地形(见图3)。

图2 二维数学模型计算网格

图3 二维数学模型计算范围内地形分布图

3.3.2 沿线水利工程概化

从杨溪水库至寺山脚，沿线有河堤、道路，水利工程29处，包括桥梁和堰坝。在进行建模时，对沿线的水利工程进行了概化。

(1)线性阻水建筑物概化

线性阻水建筑物多为宽度较窄、高程较高的地物，对洪水演进的影响主要表现为其阻水和导水作用。在模型中应准确反映其顶高程及走向，主要为堤防、道路等线性阻水建筑物。这类地物的高程需单独设置，不参与网格插值。

(2)桥梁概化

杨溪水库下游河道计算范围内有多座桥梁(见图4)。桥梁根据实际位置和尺寸进行概化，桥墩设置为采用河床糙率来反映。考虑到计算的稳定性需要，部分桥墩采用合并概化方式处理。

(3)堰坝概化

堰坝根据实际位置和尺寸概化(见图5)，其概化方式采用线性阻水建筑物概化方式。

图4 上杨桥岩洽公路桥等沿线桥梁

图5 沿线堰坝

3.4 模型率定

3.4.1 边界条件处置

(1)上下游边界

上边界取在水库坝址，进口断面采用流量边界；下边界取为李溪汇入口，采用断面水位。

(2)干湿边界处理

由于坝下游计算区域的地形比较复杂，存在地形突变的区域较多，且模型区域处于干湿边交替区。故为避免计算的不稳定性，本次计算设定了干湿边界，hdry、hflood及hwet的取值分别为0.005 m、0.1 m和0.2 m。

河道二维水动力学模型计算涉及的主要参系数有河道糙率和计算时间步长等。河道糙率是一个综合阻力系数，反映了计算河段的河床河岸阻力、河道形态变化、水流阻力及河道地形概化等因素的综合影响。计算所采用的河道糙率由实测水文资料率定计算确定。模型计算采用的时间步长为30 s。

3.4.2 模型率定

模型计算选择2014年“820”洪水作为验证资料，该洪水是李溪1989年以来发生的最大洪水。经过验证计算，图6为2014年“820”洪水石柱水文站数学模型洪水过程计算结果对比。由图6可见，石柱站控制断面的洪水位过程计算值与实测值基本吻合。石柱水文站的最高洪水位计算值为99.12 m，实测最高洪水位为99.13 m，两者最高水位相差0.01 m，洪水过程线基本吻合，同时李溪沿程最高洪水位分布较为合理，说明计算模型能较好地反映李溪洪水演进过程。

图6 2017年“625”洪水位数学模型计算结果对比

4 下泄洪水计算成果分析

4.1 设计水文条件

针对50年一遇和100年一遇下泄洪水计算时给定下面水文边界条件。

(1)上边界

杨溪水库遭遇50年一遇和100年一遇洪水条件时，下泄洪水过程按2014年实际下泄洪水过程同比放大，最大泄洪流量按353 m3/s、400 m3/s控制。

(2)区间入流

俞溪头溪、云溪、峰箬溪、无名溪、北大迪溪汇流流量遭遇50年一遇和100年一遇洪水，按杨溪水库入库流量进行同比放大，采用恒定流量过程

(3)下边界

考虑到河道堤防按20年一遇标准设计，遭遇50年一遇和100年一遇洪水时，会发生漫堤过程，模型下边界河道外陆地采用固壁可滑移边界条件，法向流速为零，河道内边界采用自由出流方式处理。

4.2 下泄洪水淹没范围分析

针对前述设定的二种工况，进行了水库下泄洪水模拟计算分析。图7、图8分别为50年一遇水库洪水条件下，下泄洪峰353 m3/s时计算结果的淹没范围示意图，100年一遇水库洪水条件下，下泄洪峰400 m3/s时计算结果的淹没范围示意图。由图7—8可知计算结果能综合反映地形、房屋分布和道路等下垫面条件对洪水演进的影响，表明下泄洪水过程漫堤溢流、淹没范围、淹没水深等特征与下泄洪水洪量过程相对应，李溪下游河道漫溢，洪水淹没空间分布合理。100年一遇水库下泄洪水及50年一遇水库下泄洪水均不同程度发生漫堤溢流，100年一遇水库下泄洪水淹没范围比50年一遇水库下泄洪水淹没范围、淹没水深均更大一些，经统计100年一遇水库下泄洪水两岸陆地淹没面积4.684 km2，50年一遇水库下泄洪水两岸陆地淹没面积3.894 km2，水库坝下至李溪汇入口沿途湖塘、上杨、前阳、姓傅、下杨、新华、胡墈头、妙端、后项等村庄及石柱镇将受淹至灾，其中姓傅、下杨、新华、胡墈头、石柱镇受灾较为严重。

图7 杨溪水库50年一遇下泄洪水淹没水深分布图

图8 杨溪水库100年一遇下泄洪水淹没水深分布图

4.3 代表村镇洪水影响分析

100年一遇水库下泄洪水及50年一遇水库下泄洪水均不同程度发生漫堤溢流，两岸村镇及农田均有不同程度受淹。100年一遇水库下泄洪水及50年一遇水库下泄洪水这两种工况下水深、水位、流速、流量的变化规律基本一致，洪水到达时刻水位暴涨，一般情况下，离坝址越近，洪水到达时间越早，水位涨率越大，最高水位也越大。100年一遇水库下泄洪水对下游的淹没影响较为严重，50年一遇水库下泄洪水对下游的影响程度相比较对下游的淹没影响小一些。

表2为水库下游沿线各代表村镇淹没水深情况的统计。由表2可知，100年一遇水库下泄洪水淹没范围最广，涉及湖塘、上杨、前阳、姓傅、下杨、新华、胡墈头、妙端、上里溪、后项等村庄及石柱镇。其中湖塘、前阳、下杨、后项淹没情况较为严重，淹没水深可达1 m以上，姓傅、上里溪淹没水深在0.5～1.0 m之间，其它村镇淹没水深基本在0.5 m以内。

表2 水库下游各村镇淹没水深情况

5 结 论

本项目针对杨溪水库下泄洪水影响，在水文地形基础资料收集和分析处理的基础上，采用水力学法，建立河道二维水动力模型，经过模型参数率定，开展了下泄洪水影响的分析计算，得到如下结论：

(1)建立了河道二维水动力模型，该模型能综合反映地形、房屋分布和道路等下垫面条件对洪水演进的影响，采用杨溪水库“20140820”场次洪水条件下对下泄洪水淹没情况进行模型合理性检验，结果表明，误差在合理范围之内，计算模型可靠。，

(2)二维水动力学模型对杨溪水库洪水下泄影响范围进行分析，计算了50年一遇、100年一遇三个下泄洪水流量的分析方案。结果表明：河道洪水过程计算与实测洪水基本吻合，漫堤溢流、淹没范围、淹没水深等特征值与下泄洪水洪量过程相对应，李溪下游河道漫溢，洪水淹没空间分布合理。

(3)杨溪水库下泄洪水后水库坝下至李溪汇入口沿途湖塘、上杨、前阳、姓傅、下杨、新华、胡墈头、妙端、后项等村庄及石柱镇将受淹至灾，其中姓傅、下杨、新华、胡墈头、石柱镇受灾较为严重。100年一遇水库洪水的淹没范围最广，两岸陆地淹没面积4.684 km2，50年一遇水库下泄洪水两岸陆地淹没面积3.894 km2。

(4)杨溪水库100年一遇、50年一遇下泄洪水后，李溪下游河道沿途水深和水位的变化规律是一致的，洪水到达时刻水位暴涨，一般情况下，离坝址越近，洪水到达时间越早，水位涨率越大，最高水位也越大。其中湖塘、前阳、下杨、后项淹没情况较为严重，淹没水深可达1 m以上，姓傅、上里溪淹没水深在0.5～1.0 m之间，其它村镇淹没水深基本在0.5 m以内。