横山水库防洪能力提升研究

杨怡青，胡 剑，陈龙赞

(宁波市水利水电规划设计研究院，浙江 宁波 315192)

在流域防洪体系中，大中型水库一直承担拦洪蓄洪、削峰错峰的工程任务，是整个防洪体系的重要组成部分[1]。近年来在极端气候频发、城市建设规模持续扩张、流域规划防洪格局改变等新形势下，流域整体洪量增加，流域干流泄洪压力明显增大[2]。因此，提升大中型水库防洪能力、挖掘其工程应用价值是缓解干流防洪压力、减少洪水入侵平原的重要举措，是提升水利防灾减灾能力、支撑新形势下经济社会可持续发展的内在要求。

国内外关于水库防洪能力的研究起步于20世纪90年代，冯平等通过概率组合方法估算了水库的防洪能力，得出的结果比仅依赖设计洪水过程给出的防洪标准更能反映水库的实际防洪作用[3]。仲志余等基于动库容调洪的基本原理并考虑了泥沙淤积对水库防洪能力的影响，计算分析了三峡水库的防洪能力[4]。胡秀英利用多库联合调度模型计算分析多水库联合防洪能力[5]。S J Bennett等结合美国11000座水库的实测资料，研究了累积沉积物(如泥沙)等对水库防洪能力的影响[6]。Niewiadomska等基于多库联合调度模型研究了实时水库防洪与预报方法[7]。总体来说，国内外关于水库防洪能力的研究经历了从静态到动态[8]，从单库防洪能力到多库联合[9]防洪能力的变化[10]。

国内外现有的研究均是从水库上游来水的角度出发，结合水库的运行状况分析优化水库的防洪能力[11]。本文将从水库现有防洪能力、洪水特性分析等方面出发，结合下游兴奉桥断面安全泄量，优化水库运行调度方案，从而达到提升水库防洪能力[12]的目的。

1 研究区域

1.1 甬江流域

甬江流域位于全国海岸带中段，地势总体呈西南高、东北低。西南部为天台山支脉四明山脉，总面积达2521km2，约占甬江流域总面积的43%；平原位于流域中部及北部沿海，姚江、奉化江、甬江“三江”横贯其间。

甬江流域属亚热带季风气候区，四季分明，温暖湿润，光照充足，雨量丰沛。秋冬季，受北方冷高压气团控制，以晴冷干燥天气为主。春夏季，北方冷高压气团逐渐衰退，雨水增多。

甬江流域主要水系包括甬江、同为甬江河源的奉化江和姚江，在宁波市区三江口汇合后称为甬江。甬江流域具体包括了奉化江流域和姚江流域。

甬江流域基本位于宁波市境内，是宁波市社会经济活动最重要的区域。流域面积占宁波市总陆域面积的60%以上，人口和GDP均占全市的70%以上，是宁波市经济社会发展的核心区域。

1.2 流域水库概况

近年来，随着流域水利治理工作的不断推进，甬江流域总体构建了“上蓄、中疏、下排”的防洪排涝工程体系，流域防洪排涝能力不断增强[14]。“上蓄”水库工程情况如下：

奉化江流域有4座大型水库，1座中型水库，分别为周公宅水库、皎口水库、亭下水库、横山水库以及葛岙水库(中型)。

姚江流域有1座大型水库，4座中型水库，分别为四明湖水库(大型)、梁辉水库、陆埠水库、双溪口水库以及溪下水库。

1.3 流域防洪排涝能力现状

随着流域防洪排涝工程体系建设步伐的不断推进，奉化江干支流及姚江干流洪水不再进入平原，平原涝水外排能力明显增强。

奉化江干支流上游山区相对集中且集雨面积较大。现状条件下，奉化江干支流防洪压力仍然较大，奉化江干支流沿线最高洪水位普遍较堤防设计水位高0.03～0.19m，除东江、鄞江及县江上游堤段以及奉化江鄞州大桥下游堤段防洪能力仍基本满足20年一遇、50年一遇及100年一遇防洪标准要求外，奉化江“鄞州大桥上游”、东江“东江大闸下游”、鄞江“百梁桥下游”以及剡江干流沿线堤防安全超高不足，干流防洪安全缺乏有效保障。

2 案例研究分析

综合考虑水文资料、地质地貌资料以及水库工程状况等，本文选定甬江流域子流域奉化江流域上游横山水库作为研究对象并结合具体实例进行分析研究。

2.1 研究思路

结合奉化江流域水文地质状况和横山水库运行调度现状，研究思路如下：

(1)了解横山水库的概况，明确横山水库现有的运行调度方案。

(2)进行甬江流域的设计暴雨和设计洪水计算，分析不同重现期下横山水库与其下游受保护断面之间区域(非受控山区)的洪水状况。

(3)根据上述分析计算结果分析现有调度方案的作用和存在的问题，尝试优化现有调度方案并与之前调度方案的防洪能力进行比较分析。

2.2 水文分析

2.2.1基础资料

流域及区域水文分析计算共采用54处国家雨量站(包括甬江流域周边的雨量站)。其中，流域内雨量站点44处，附近雨量站点10处，各测站雨量资料起始年份和观测年限不一。综合各雨量站具体情况，选用1956—2016年共计61年的资料作为水文分析的基础数据。全部61年雨量资料均通过“一致性”“可靠性”和“代表性”审查。

2.2.2设计暴雨

(1)设计暴雨计算

流域暴雨选样采用年最大值法，具体步骤如下：①根据各雨量测站实测降雨资料，绘制雨量分布等值线；②采用网格法计算各研究流域长系列逐日面降雨量；③通过统计得出各时段的年最大面雨量；④进行面雨量的频率计算并绘制年最大雨量的频率分布曲线；⑤通过各时段年最大雨量的频率分布曲线查得不同频率下设计雨量。

通过以上计算可以得到不同频率下甬江流域、姚江流域、奉化江流域年最大1d、3d降雨量，成果见表1。

(2)设计暴雨成果的合理性检查

甬江流域设计面雨量频率参数与当地水文手册中给定的值相当，未出现明显偏差。查证甬江流域现有的面雨量时间序列与设计暴雨计算中得到的设计结果大体相当，没有出现量级上、分布上相悖的情况，总体考虑设计暴雨的结果较为合理[15]。

2.2.3设计洪水

(1)产流计算

根据甬江流域及其子流域奉化江流域的历史暴雨空间分布资料，本次选定“1963年12号台风”降雨作为奉化江流域典型降雨。

山区及平原均采用初损后损法进行产流计算。产流以前的总损失水量称为初损，以流域平均水深表示；后损主要是流域产流以后的下渗损失，以平均下渗率表示。一次降雨形成的径流深计算方法如下式：

R=P-I0-ftR-P0

(1)

式中，P—一次降雨量，mm；I0—初损，mm；f—平均下渗率，mm/h；tR—产流历时，h；P0—降雨后期不产流的雨量，mm。

具体成果见表2。

(2)汇流计算

汇流计算主要包括山区坡面汇流、山区河道汇流和平原河网汇流。当集水面积大于50km2时，无资料地区坡面汇流计算采用“浙江省瞬时单位线法”，瞬时单位线是指流域上分布均匀、历时趋于无穷小、强度趋于无穷大、总量为一个单位的地面净雨在流域出口断面形成的地面径流过程线，其数学表达式为

表1 甬江流域设计暴雨成果

表2 奉化江流域不同重现期产流量计算成果 单位：万m3

(2)

式中，n—线性水库的个数；Γ(n)—n的伽玛函数；K—线性水库的调蓄系数，反映流域的汇流时间。按照这两参数的汇流模式，只要求出n和K两参数，即可求出瞬时单位线。

在实际应用中，一般用S曲线转化成时段为Δt的无因次单位线U(Δt，t)，即

(3)

U(Δt，t)=S(t)-S(t-Δt)

(4)

用瞬时单位线计算设计洪水时，应考虑单位线对雨强的非线性反应，采用不同时段净雨强度条件下使用不同单位线的方法，即变雨强单位线法。

当集水面积小于50km2时，采用“浙江省推理公式法”，即

Qmp=0.278×ip×F

(5)

(6)

式中，F—水库坝址以上集雨面积，km2；iP—净雨强度，mm/h；hR—τ时段内净雨，mm；τ—集流时间，h；n—暴雨指数。

计算得出横山水库非受控山区(横山—兴奉桥)各重现期的洪峰流量，以及按现有调度方案下的横山水库相应出流量，详见表3。

2.2.4结果分析

综合2.2.3节的计算成果和2.3.2节调度方案可以发现，在流域20～50年一遇的暴雨情况下，因非受控山区洪峰未超过505.0、625.0m3/s，

表3 横山水库非受控山区不同重现期洪峰流量及水库相应出流 单位：m3/s

造成下游断面发生洪峰时，横山水库均存在相应出流，水库出流会增加干流洪峰、抬升上下游沿线水位，对下游河道防洪造成一定不利影响。

2.3 水库概况与运行调度方案

2.3.1水库概况

横山水库位于奉化江支流县江上游。水库坝址以上集水面积为150.8km2，总库容为1.108亿m3，是一座以防洪、供水、灌溉为主，并具备发电、养殖等综合性功能的大型水利工程。水库大坝按百年一遇防洪标准设计，万年一遇防洪标准校核。

横山水库调度控制断面兴奉桥，位于奉化主城区，兴奉桥与横山坝址的距离约为14.5km。兴奉桥断面与横山水库之间存在74km2的产流区域，区间来水不受水库控制，又称为非受控区间，如图2所示。

图2 横山水库山区产流分区

2.3.2水库运行调度规则

兴奉桥堤防防洪标准为50年一遇，20年一遇安全泄量为505.0m3/s，50年一遇安全泄量为625.0m3/s。横山水库正常按兴奉桥断面安全泄量进行补偿调节，具体调度方式如下：

①水库台汛汛限水位105.17m。

②当库水位105.17m

③当114.77m

④当Z>118.17m时，泄洪洞及泄洪闸全开敞泄，控制下泄流量不超过入库流量。

2.4 水库防洪能力现状及提升分析

2.4.1水库防洪能力现状

根据现有的横山水库运行调度方案，当奉化江流域遭遇20～50年一遇的设计暴雨时对横山水库进行调洪计算并分析得出水库削峰与蓄洪效益。

当横山水库遭遇流域20～50年一遇设计暴雨时，水库削峰、蓄洪效果较好，削峰率达53.9%～55.3%，拦蓄洪率达48.5%～57.8%；且因水库前期按505.0、625.0m3/s补偿调度，预留一定库容应对中后期大洪水，50年一遇水库调洪效果优于20年一遇的调洪效果。

2.4.2水库运行规则优化

根据2.3.4节和2.4.1节中的结果分析可以发现，横山水库现有的调度方案可以较好地满足削峰蓄洪的任务，但是依旧存在值得优化的地方。根据横山水库现有的运行调度方案以及产流域的水文分析结果，考虑提高下游防洪能力，现拟定新的方案如下：

①水库汛限水位105.17m。

②当库水位Z<117.77m(20年一遇)时，按兴奉桥安全泄量210.0m3/s进行补偿调节。

③当117.77m

④当118.11m

⑤当Z>118.97m时，泄洪闸全开，控制下泄流量不超过入库流量。

2.4.3结果分析

计算奉化江流域遭遇20～50年一遇设计暴雨下，按新的调度方案(即按210.0m3/s补偿调度)横山水库的调洪演算结果，详见表4。

由表4的计算结果可以发现：

①当遭遇流域20年一遇设计暴雨时，若横山水库前期按兴奉桥210.0m3/s补偿调度，水库削峰率达80.5%，拦蓄洪率达72.3%，较按505.0、625.0m3/s补偿调度(削峰率53.9%，拦洪率48.5%)的削峰、蓄洪效果提升明显。

②当遭遇流域50年一遇设计暴雨时，若横山水库前期按兴奉桥210.0m3/s补偿调度，中后期调蓄能力有所减弱，削峰率仅45.7%，较按505.0、625.0m3/s补偿调度(削峰率55.3%)的削峰效果有所降低，但因前期调蓄增强，拦蓄洪率达65.5%，较按505.0、625.0m3/s补偿调度(拦蓄洪率57.8%)蓄洪效果有所提升。

表4 横山水库削峰与蓄洪效益统计结果

3 结语

本文从调整水库补偿调度流量角度出发，优化奉化江流域上游横山水库的防洪调度方案，有效增强了水库削峰、拦洪蓄洪能力，缓解下游河道的防洪压力，水库防洪能力得到明显提升。

限于篇幅和基础资料情况，本文研究在内容的深度和广度上存在不足。事实上，除去水库补偿调度流量这一影响因素，从扩充库容、调整预泄量、更改平均起调水位等角度出发，分析相应的水库优化调度方案，提升水库防洪能力也具有很好的研究和实用价值。