“广域滞洪库容”理论及在溪源水库模拟应用研究

吴泽华

(福建省水利水电科学研究院，福建 福州 350001)

传统治水实践中，洪水治理往往依托水库大坝和河道防洪工程，属于空间上的“末端治理”，未能充分发挥流域在暴雨产流过程的综合调节能力，难以最大限度减缓洪涝灾害及进行雨洪资源充分利用[1-2]。“广域滞洪库容”则是在传统水库校核洪水位的上方进行广域延伸和广义拓展，利用上游流域的丘陵沟谷和缓坡有利地形，建设可控闸门的低坝群，新增形成广散分布并可随机启用的地表和地层临时性存水单元体系，从而实现“精准拦削洪峰”和增加雨洪资源蓄用的双重效益。相对而言，“广域滞洪库容”理论是“系统治水”理念的有益实践和探索[3-4]。

同时，研究将“广域滞洪库容”理论和技术原理应用于福州溪源水库，结合溪源溪流域现状和溪源水库下游防洪排涝安全问题引发的防洪调度难题，提出在流域上游增设适度规模“广域滞洪库容”的解决思路，模拟分析其削减洪峰量值和迟滞洪水入库时间对下游大学城的防洪排涝安全的有利影响，以及典型年度增加的雨洪资源蓄用量。验证了“广域滞洪库容”理论在洪水调度管理、水资源利用方面的可行性和优势。

1 “广域滞洪库容”理论基础

1.1 “广域滞洪库容”理论及构建方法

“广域滞洪库容”是以既有的传统水库为基础，将单纯水库大坝库区的洪水治理，扩展到涉及整个上游流域空间的山水林草系统治理，因而增加了创新的思路和空间[5]。“广域滞洪库容”是以整个流域防洪安全和生态环境友好为前提，在传统水库校核洪水位上方，进行广域延伸和广义拓展，构建存水单元及其体系，形成广义、高端的“传统水库+”，从而扩大增加传统水库的防洪库容和兴利功能，提高流域防洪减灾能力水平和雨洪资源利用水平。

“广域滞洪库容”在传统水库之上的流域范围内新增3类存水单元：通过在水库上游流域适宜的区域，采用工程手段新增带闸低堰拦蓄，形成沟谷存水单元、低丘缓坡存水单元。

新增2类存水单元构建方法主要包含以下几个特点：

① 利用沟谷和低丘缓坡地形和地层存水，因地而建，散布在传统水库上游丘陵区域；

② 坝高矮(通常不大于10 m)、库容小(小山塘或小Ⅱ库)，尽量减少工程造价，不需要移民征迁；

③ 下设可随时启闭的电控闸门，洪峰到达时关闭闸门，启用滞洪库容，达到精准拦削洪峰目的，洪水过后逐渐放空库容补给下游水库，进行水资源利用；

④ 蓄满后可从坝顶溢洪汇入传统水库库区，不产生安全影响。

新增的2类存水单元向地层及地下水渗入，形成新增地层存水单元。3类存水单元广泛分布在流域集水区域内，形成多种层次互相影响，从而构成“广域滞洪库容”新增存水单元体系。

新增存水单元体系建造成本低，在暴雨期间，存水单元可以收集雨洪，若存水单元已被雨洪充满，则溢流至低海拔处的存水单元或者最终汇聚至传统水库，不仅延缓雨洪到达传统水库的时间，而且减小了进入传统水库的雨洪量。从流域产汇流的时间和空间双尺度，增大传统水库的防洪库容量，减轻传统水库在暴雨期间的防洪压力。存水单元所收集的雨水在暴雨之后可以逐渐流入山沟或渗入地表层中或就地供给植物的根系，也可以基流和地下水径流的形式补给传统水库，提高传统水库的防洪库容量和兴利库容量，从而提高水资源合理利用的程度和水平。“广域滞洪库容”理念将单纯水库大坝库区的洪水治理，扩展到涉及整个上游流域空间的山水林草系统治理，因而增加了创新的思路和空间。新增存水单元的3种形式如图1所示。

图1 “广域滞洪库容”存水形式示意

1.2 “广域滞洪库容”的调度管理方法

从流域整体优化的角度出发，在保证下游防洪安全的基础上，结合预报信息判定各水库的蓄水时机及次序，以精准拦削洪峰和雨洪资源蓄滞效益最大为目标，提出一种“广域滞洪库容”与传统水库联合蓄水策略。该策略充分利用“广域滞洪库容”作为补偿库容，达到“广域滞洪库容”与传统水库联合对下游保护对象进行补偿调度。

1) 汛限水位补偿

传统的汛限水位大多以年最大设计洪水为防洪调度依据，采用固定汛限水位，这种方法在过去雨水情预报体系不健全，预报手段不先进的条件下，是偏于安全的设计方式，但也因此使水库处于超标准安全状态，水资源得不到充分利用[6-7]。研究通过合理调度“广域滞洪库容”，以上游“广域滞洪库容”作为补偿库容，以洪水调控能力较大、距离防洪区较近的传统水库作为被补偿水库，将补偿库容换算为被补偿水库的可利用的防洪库容，进而提高被补偿库的汛限水位控制值。

“广域滞洪库容”位于传统水库上游，与传统水库共同承担一个防洪目标，“广域滞洪库容”蓄水时，将削减传统水库的入库流量，若有效调度，可一定程度降低下游传统水库的入库洪水标准，进而有条件提高传统水库的汛限水位，缓解防洪压力的同时，最大程度利用洪水资源。

2) “广域滞洪库容”作为“可控动库容”可以精准拦削洪峰

若降雨最大时刻为T1，入库洪峰的到来时刻为T2(如图2所示)，“广域滞洪库容”的开启时间Tx在最大降雨发生之后洪峰到来之前，即Tx位于T1和T2之间。“广域滞洪库容”启用后，可以拦蓄径流削减洪峰，削减的洪量V等于“广域滞洪库容”的容量，相当于将“广域滞洪库容”作为下游传统水库可利用的防洪库容。如此，传统水库有充足的条件和能力调蓄径流，控制下游河道水位，保证下游保护区洪涝水量的顺利排除。

图2 “广域滞洪库容”精准拦削入库洪峰示意

“广域滞洪库容”的开启时间是非常重要的参数，受来水情况、流域特征参数、“广域滞洪库容”布置情况因素影响。设x为广域水库开启时间到洪峰到来时间的差值，影响x的因素包括流域形状、地形坡度等影响产汇流时间的因素，还包括“广域滞洪库容”设置和容量，区间入流情况等。若流域平均汇流时间T1-T2越大，则x越大；可调节“广域滞洪库容”的位置越靠近传统水库，x越小；“广域滞洪库容”越大，x越大。为了充分发挥“广域滞洪库容”的精准拦削洪峰效益，需要充分考虑流域特点、“广域滞洪库容”布置情况以及来水特点制定调度方案。

预报条件下的“广域滞洪库容”精准拦削洪峰调度是一种充分利用洪水预报，达到水库错峰、提高水库防洪库容利用效率的防洪优化调度方式[8]。需要充分的降雨预报信息才能确定最优的“广域滞洪库容”的启用时间，充分使用“广域滞洪库容”的补偿调节作用，最大限度的错峰和削峰，保障下游传统水库防洪安全，解决下游保护区的防洪排涝问题。

3) “广域滞洪库容”调度可增加雨洪资源蓄滞

在汛期洪水量不大，防洪安全影响可控的前提下，“广域滞洪库容”的另一个重要调度管理功能是增加雨洪资源蓄滞。即在汛期洪水量不大，防洪安全影响可控的前提下，“广域滞洪库容”启用时间可以相应前移，确保传统水库和上游“广域滞洪库容”达到满蓄，尽量实现增加雨洪资源蓄滞。

2 “广域滞洪库容”理论在溪源水库的应用

2.1 溪源水库防洪问题

溪源水库位于闽江下游南港的一小支流上，坝址以上汇水面积为83.6 km2，河长为20 km，河道比降为30‰。水库所在流域地处中亚热带季风气候区，年平均降水量为1 394 mm，且年内分配不均，多集中于4—9月的梅雨和台风雨季节。溪源水库坝址以上流域洪水陡涨陡落，下游为福州大学城上街片，是保护大学城上街片的重要防洪工程。溪源水库拦河坝为砌石抛物线双曲拱坝，按100年一遇洪水设计，1 000年一遇洪水较核，设计洪水位为105.58 m，校核洪水位为107.44 m，总库容为2 428万m3。由于大学城上街片是福建省的暴雨中心区，且地势平坦，高程较低，内有溪源溪由北向南贯穿全境，外有闽江顶托，涝水经常不能自排，需要由排涝站抽排才能解决，这给上游溪源水库的泄洪提出很高的要求，在台风暴雨季节存在极大的洪涝灾害隐患。

2.2 溪源水库上游适度“广域滞洪库容”构建

根据“广域滞洪库容”的设置理念，以“小、多”为布置原则，结合流域特点、溪源水库防洪库容、场次洪水流量等进行适度“广域滞洪库容”构建的分析和设定。

根据鲇鱼台风(10年一遇)下游防洪排涝需求，以消减洪峰2 h区间内50%～60%流量为目标，提出在流域上游增设20个、总库容约330万m3的“广域滞洪库容”，约占溪源水库防洪库容的20%～30%，“广域滞洪库容”坝高规模在10～15 m，库容为10～30万m3，根据1：1万溪源水库流域地形图，通过GIS生成DEM高程数据，构建三维立体成像图辅助分析选址。低坝设置电子自动控制闸门，可在洪峰到来时刻前自动开启，洪峰过后则逐步开启闸门放空“广域滞洪库容”，放空时间不大于12 h。图3为溪源水库上游“广域滞洪库容”构建方案示意。

图3 溪源水库上游“广域滞洪库容”构建方案示意

3 “广域滞洪库容”联合溪源水库调洪数值模拟

3.1 模拟方法

采用水文模型和水动力学模型相结合的方法验证“广域滞洪库容”防洪和水资源利用方面的价值。

3.1.1水文模型NAM模型

利用NAM模型为各河段提供沿程的旁侧入流，以满足NAM模型与MIKE11水动力模型耦合计算的需要。

1) 为分析广域滞洪库容年际产、汇流调蓄及场次洪水调蓄的效果，便于后续工况流域内不同分布的情景设计，将溪源水库流域划分为10个面积大小相近、流域特征类似的小尺度汇水分区，作为广域滞洪库容后期工况设计的单元控制汇水范围。具体划分结果见图4所示。

2) 降雨数据采用泰森多边形分割后的9个雨量站(坝头、白叶限、坑口、里洋、前山、青光坪、陶洋、溪南、溪源宫)2014—2018年降雨实测整编资料。

3) 蒸发采用中国气象数据中心提供的《中国地面国际交换站气候资料日值数据集(V3.0)》福州闽侯气象站的蒸发数据。

取2014—2016年日降雨量、日均蒸发量、日均实测流量输入模型，进行模型参数率定；取2017—2018年日降雨量、日均蒸发量、日均实测流量对率定的模型进行验证。

3.1.2MIKE 11 HD模型构建

1) 按照广域滞洪库容计算精度划分河网结构(见图5所示)。

2) 模型边界

上游开边界：实测未降雨期入库流量约为1 m3/s，假定子流域平均分配，均为0.1 m3/s。

区间入流边界：取率定、验证后的NAM降雨径流模拟的设计降雨—径流作为流量边界(m3/s)。

下游开边界：即水库水位边界，取实测水位值(m)。

3) 模型断面：根据DEM数字高程提取河道横断面。

4) 模型河床糙率M：溪源水库库区属于山区多砾石河道特征取M=35(M=1/m，m约为0.03)。

5) 模型水工建筑物：设计工况下的蓄水单元(蓄洪区、坝或堰等)。

图5 水动力河网结构示意

3.1.3MIKE 21 HD模型构建

1) 地形数据

根据溪源水库水下地形12.5 m×12.5 m DEM数据，建立MESH文件，网格划分见图6，网格数量为3 687，最小网格面积为20 m×20 m。

2) 边界条件

开边界条件即水域边界条件。本研究开边界即：入库流量(入库流量根据不同工况采用NAM模型及MIKE11HD计算得到的入库流量过程)。

闭边界条件即陆地边界条件，取滑动陆地边界即法向流速为0 m/s。

3) 库底糙率M

溪源水库库区属于山区多砾石河道特征，取M=35(M=1/m，m约为0.03)。

4) 初始条件

取水位为其实测水库蓄水位(m)。

库区库面平展，非洪水及泄洪状态下，流速较小，故取初始条件流速Ux、Uy取0 m/s。

3.2 “广域滞洪库容”精准拦削入库洪峰分析

以2016年“鲇鱼”台风在福州市降雨过程为例，图6是增设20个带调节闸堰，形成“广域滞洪库容”调节后对洪峰的消减过程。

图6 “广域滞洪库容”拦削“鲇鱼”入库洪峰过程示意

1) “鲇鱼”调洪过程中，广域滞洪库容共拦蓄301.4万m3，相对于鲇鱼台风总洪量为3 524.8万m3，总洪量减小为3 223.4万m3，拦蓄率约8.8%；相对于洪峰发生时刻前后2 h的区间总入库流量为637万m3，拦蓄率达到约47.6%。

2) 相对于鲇鱼台风入库洪峰最大值834.84 m3/s，经广域滞洪库容拦蓄削峰后最大值为683.95 m3/s，最大洪峰值减小150.89 m3/s，峰值削减比例达到约18.06 %。

综上所述，“广域滞洪库容”采用带可控闸门的堰在洪峰时刻进行操作，可以集中削减进入水库的山洪洪峰，对于水库的防洪安全管理有较明显的意义和效果。

3.3 “广域滞洪库容”与溪源水库联合调度防洪分析

1) 鲇鱼台风调洪过程中，溪源水库在坝址原有下泄流量120 m3/s的泄洪洞全开的情况下。洪峰期产生最大下泄流量260 m3/s汇入下流大学城。而模拟设置广域滞洪库容330万m3参与调峰调度时，产生迟滞洪水入库时间为3 h，调蓄后下泄洪量可控制不大于120 m3/s，远低于调度方案控制下泄流量260 m3/s的要求，下泄流量削减率为53.8%。鲇鱼台风调洪过程示意见图7。

2) 2018年溪源水库立项研究，在坝址原有120 m3/s的泄洪洞基础上，库内新增设一个设计流量为286 m3/s的泄洪洞。新泄洪洞直排闽江而不汇入大坝下游河道，可以缓解长期受困扰的下游大学城防洪排涝问题。但是，新增泄洪洞方案在遭遇特大洪水工况下，下游大学城防洪排涝仍有较大不利影响。而采用广域滞洪库容参与新增泄洪洞方案进行防洪调度管理，则可起到很好的调节效果。通过防洪调度管理数值模拟计算，可以得到如下结果。

百年一遇调洪过程中，在洪峰期产生溢洪道最大下泄流量260 m3/s+原泄洪洞120 m3/s，合计最大下泄流量380 m3/s汇入下流大学城。而广域滞洪库容设置的额外库容约为330万m3参与调度时，广域滞洪库容在洪峰时段启用后，产生迟滞洪水入库时间为1 h，可单纯用新设泄洪洞直排闽江满足调洪要求，不产生下泄至下游大学城的流量。对比大学新区设计涝水流量成果表，下泄流量的削减大致相当于下游洪峰流量重现期从50年一遇削减为10年一遇。

千年一遇调洪过程中，在洪峰期最大产生溢洪道1 919 m3/s+原泄洪洞120 m3/s，合计下泄流量2 039 m3/s 汇入下流大学城。而广域滞洪库容设置的额外库容约为330万m3参与调度时，广域滞洪库容在洪峰时段启用后，产生迟滞洪水入库时间为0.4 h，最大下泄流量1720 m3/s汇入下流大学城，洪峰削减量319 m3/s，削峰率为15.6%。

3.4 “广域滞洪库容”水资源效益分析

按拟定的20个调节堰与溪源水库进行联合调度，遇到单次强降雨结束，堰蓄满后，开启电动闸门，将调节堰的雨洪下泄到溪源水库或供给其他水资源利用，可增加供水能力、下泄生态流量或发电收益。

将2014年降雨-径流过程根据降雨大小、历时及间隔时间(按相邻降雨间隔时间至少12 h以上，保证下次降雨前“空库”，否则假定为一场连续长系列降雨，保守的估计蓄水量)作为划分依据，划分为7次过程，降雨过程及划分过程见图8。

图8 溪源水库模拟计算流量示意

由计算结果可知，2014年蓄满—空库周期为7次，在溪源水库或其他水资源利用方案合理调控下，可增加利用总蓄水量达到2 310万m3，在增加发电、补充供水、增加生态下泄流量等方面具有显著的水资源效益。

4 结论与展望

1) “广域滞洪库容”理论是实现流域综合治水的技术理论。本文将“广域滞洪库容”理论和技术原理应用于福州溪源水库，通过在流域上游模拟适度规模“广域滞洪库容”，结合溪源溪流域现状和水库下游防洪排涝安全实际问题，建立虚实结合的数学模型，分析其削减洪峰量值和迟滞洪水入库时间对下游大学城防洪排涝安全的有利影响，以及典型年度增加的雨洪资源蓄用量，验证了“广域滞洪库容”理论在洪水调度管理、水资源利用方面的可行性和优势。

2) “广域滞洪库容” 理论作为流域综合治水的技术理论，在降雨量大或小的南、北方区域均有应用效益和价值。在台风暴雨频发、降雨量大的南方地区，其应用效益主要体现为增强水库下游防洪排涝安全的效益；在降雨量相对较小的北方地区，其应用效益主要体现为增加水资源利用效益，同时也能提高在偶发极端降雨条件下，水库下游的防洪排涝安全保障。

3) “广域滞洪库容”理论将具有良好应用和推广前景，可供大量的传统水库防洪调度管理借鉴和指导水库防洪安全补短板项目规划实施，也可应用于指导新建水库在更广阔的水库上游流域，以适度成本构建“广域滞洪库容”这种“可控动库容”，化解水库库区大量移民征地的难题。