乌巢河水库设计洪水及防洪影响分析研究

卢留虎

(湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南 长沙 410000)

1 项目背景

凤凰县地处湘、黔、渝三省市边缘地区，多年平均降水量少于全州均值，由于降雨季节不能和作物耕种季节完全相适应，加上地形复杂，山高坡陡，土层脊薄，阴河众多，旱灾发生频繁，曾有“十年九旱”之说，特别是秋旱或夏秋连旱极为频繁，是凤凰县的最大自然灾害。县境内蓄水工程少，没有健全的灌溉系统，现状主要灌溉水源工程龙塘河水库建于1974年，灌溉渠道渗漏严重。兴建乌巢河水库建成后，与现有龙塘河灌区组合成乌龙灌区，对提高灌区灌溉保证率，保证粮食安全意义重大。

凤凰县城作为国家级历史文化名城，古城墙、沿河商铺、吊脚楼依老城区的沱江河两岸修建。由于老城区沿河无法修建防洪堤(沿河为旅游景区)及新城区防洪堤尚未全部建成，因此，凤凰县城洪灾较为频发。凤凰县洪水一般发生在每年的5—8月，期间峰量大、来势猛，严重危害人民生命财产安全。

乌巢河水库位于武水一级支流沱江上游，是一座以灌溉、防洪为主，兼顾城镇供水、灌区农村人畜用水及生态用水要求的综合利用水利工程。水库下游距离凤凰县城36 km，水库兴建后，预留防洪库容，联合长潭岗水库合理调度，完善了城市防洪体系建设，可提高凤凰县城的防洪标准，保护历史文化名城，减少洪灾对凤凰县城的袭击，更好保护旅游区人民生命财产安全，维护社会稳定，促进凤凰旅游事业的进一步发展。

2 设计洪水

2.1 流域概况

沱江为武水一级支流、沅江二级支流，流域总面积为981 km2，河流长度为131 km，河流坡降为2.78‰。沱江发源于凤凰县中部，流经腊尔山、凤凰城、解放岩，于吉首市河溪镇小河坝汇入武水。流域形状上游宽、下游窄，地势西北高、东南低，上游分水岭高程约为990 m，中下游约为400～600 m。沱江在凤凰县城上游约为27 km处分为乌巢河(左支)、龙塘河(右支)两大支流。

乌巢河水库位于沱江左支，流域内峰峦叠嶂谷深河险，植被良好，高程在800～1 057 m之间，坝址以上流域面积为85.3 km2。龙塘河水库位于沱江右支，凤凰县城西北约39 km处，该水库建于1974年，以灌溉为主。乌巢河水库建成后，与现有龙塘河灌区合并成乌龙灌区。

乌巢河水库下游，凤凰县城上游约11 km的沱江干流建有长潭岗水库。该水库于1994年底蓄水发电，为中型水库，控制集雨面积为460 km2，是沱江流域的龙头水库，以防洪为主，兼有灌溉、发电、供水、旅游等综合效益。水利工程位置及水系情况见图1。

图1 工程位置及水系示意

2.2 洪水特性及成因

本流域洪水均由暴雨所形成，属暴雨型洪水。流域内降水集中，山地、丘陵面积广、坡度较大，导致流域内洪水具有洪水历时短、峰型单瘦、陡涨陡落、年最大洪峰流量年际变化大等特性。长潭岗水库建成蓄水，影响了凤凰(二)水文站洪水资料的一致性，但长潭岗水库无完整的观测资料，无法对1994年以后的洪水资料进行还原计算，洪水计算的实测系列取1959—1993年。

根据凤凰(二)站1959—1993年实测资料统计：实测年最大流量极大值为896 m3/s(1974年7月)，次大值为840 m3/s(1970年6月)，极小值为138 m3/s(1978年5月)，极值比为6.1。洪峰出现时间集中在5—7月，占78.5%，其中5月占25.5%(13次)，6月占37.3%(19次)，7月占15.7%(8次)；4月、8月、9月、10月甚至11月也偶有年最大洪水发生，分别出现过2次、3次、1次、1次、4次，该站年最大洪水分布如图2所示。本流域属山区性小流域，洪水陡涨陡落，一般洪水历时1 d，多为单峰。

图2 凤凰水文站年最大洪水分布示意

2.3 凤凰设计洪水

表1 凤凰(二)水文站设计洪水成果 m3/s

2.4 乌巢河设计洪水

乌巢河水库坝址集雨面积为85.3 km2，距离下游凤凰(二)水文站36 km。采用水文比拟法和推理公式法计算设计洪水。由夺希雨量站1963—2016年长系列实测最大24 h降雨资料，采用P—Ⅲ型曲线进行频率计算24 h设计暴雨。根据《湖南省暴雨洪水查算手册》中推荐的推理公式法计算坝址设计洪水，公式如下：

(1)

τ=0.278/(m×J1/3×Qm1/4)

(2)

工程位于暴雨一致性分区4区，由各时段设计暴雨推求净雨过程，其中初损取I0=25mm，R上/R总=0.64～0.76。自最大净雨强度开始向前后相邻时段连续累加，并除以相应的历时，得出时段平均最大净雨强度，点汇～τ相关线。地下径流R下=R总-R上，以τ时刻为地下径流峰值位置，按照等腰三角形关系,求地下径流峰值及地下径流过程。地面径流过程与地下径流过程叠加可得设计洪水过程，地面径流峰值时刻对应的流量为设计洪水洪峰流量。计算的设计洪水成果见表2。

表2 乌巢河坝址设计洪水成果

P=0.1%、0.2%时：推理公式计算成果比水文比拟法计算成果小4.0%；P=1%、4%、5%、50%时：推理公式计算成果比水文比拟法计算成果大1.0～22%；水库设计频率洪水(P=2%)，推理公式计算成果比水文比拟法计算成果大2.0%，推荐采用推理公式法计算成果。

3 防洪影响分析

3.1 防洪体系

凤凰县城市防洪规划原则为：城市防洪规划与城市建设和古城保护总体规划相结合，近期(2010年)设计防洪标准20年一遇，远景50年一遇。老城区沿河是旅游景区，无法新修堤防，防洪主要依靠上游防洪水库的削峰；新城区沿河可以修建堤防，其防洪体系为水库+堤防的防洪方案。

1)城市堤防

凤凰古城墙、沿河商铺、吊脚楼依老城区的沱江河两岸修建，老城区地面高程约为305.5 m，安全泄量约为670 m3/s；新城区完成了部分堤防建设，堤防的规划安全泄量为1 180 m3/s。

2)长潭岗水库

长潭岗水库的防洪库容为2 310万m3，长潭岗水库防洪调度方式：

① 水库从防洪限制水位392.00 m起调，长潭岗—凤凰县城区间流量小于100 m3/s时，当来流小于570 m3/s时，水库来多少泄多少(泄流能力小于来水时按泄流能力下泄)，当来流大于570 m3/s时，水库控制泄量570 m3/s；

② 长潭岗—凤凰县城区间流量大于或等于100 m3/s时，当来流小于360 m3/s时，水库来多少泄多少(泄流能力小于来水时按泄流能力下泄)，当来流大于360 m3/s时，水库控制泄量为360 m3/s；

③ 库水位大于防洪高水位为398.00 m时，水库开闸敞泄，转入保坝的调度方式。

长潭岗水库防洪调度方式见表3。

表3 长潭岗水库防洪调度方式

3)乌巢河水库

汛期4月1日至9月30日，应预留防洪库容为500万m3，相应防洪限制水位为518.50 m，防洪高水位为525.10 m。洪水来临时，利用防洪库容错峰，按相应控制泄量泄洪；洪水退水期将库水位限制在防洪限制水位以迎接下一次洪峰；汛后10月1日允许蓄至正常蓄水位。防洪调度方式：当水库来水小于280 m3/s时，来多少泄多少；当来流大于280 m3/s时，水库控泄280 m3/s；库水位至防洪高水位525.10 m后，转入保坝安全防洪调度，开启闸门按泄流能力下泄。

3.2 洪水组合分析

乌巢河水库具有防洪作用，其防洪保护对象为凤凰县城。根据凤凰县城城市防洪规划，通过乌巢河水库与长潭岗水库联合调度达到县城的防洪目的。

根据乌巢河水库与长潭岗水库联合调度防护凤凰县城的规划，对各区间洪水进行组合分析，3种组合方案如下：① 乌巢河设计，乌～长区间(区间1)、长～凤区间(区间2)相应；② 乌巢河、长～凤区间(区间2)相应，乌～长(区间1)设计；③ 乌巢河、乌～长(区间1)相应，长～凤区间(区间2)设计。洪水组合情况见表4，“两库”防洪调度成果见表5。

表4 洪水组合

表5 “两库”(乌巢河、长潭岗水库)联合调度成果

根据乌巢河水库坝址设计、相应洪水流量及防洪调度方式，当发生以乌巢河水库上游为主的洪水时(组合1)，乌巢河水库削减洪峰流量分别为192 m3/s(P=2%)、93 m3/s(P=5%);当洪水以乌巢河水库～凤凰县城为主时(组合2、3)，乌巢河水库不控泄。

3.3 防洪效益分析

长潭岗水库坝址流域面积占凤凰县城流域面积的87.8%，预留防洪库容为2 310万m3，对凤凰县城防洪作用较大，考虑长潭岗水库单库防洪作用，可将老城区的防洪标准提高至约20年一遇。

本次设计上游乌巢河水库预留防洪库容为 500万m3，通过与长潭岗水库联合调度，当洪水以乌巢河水库上游为主时，可将老城区的防洪标准提高到约25年一遇；当洪水以乌巢河水库—凤凰县城为主时，乌巢河水库对下游防洪作用不明显。

3.4 溃坝洪水分析

坝体为砼砌块石拱坝，按大坝在校核洪水位下瞬间横纵向溃坝2/3，估算坝址处溃坝最大流量及水库放空时间。

最大流量计算公式：

(3)

式中QM为坝址处溃坝最大流量,m3/s；B为溃坝时水面宽,m；H0为溃坝时水库水深,m；b为局部溃口处宽度,m。

水库泄空时间：

(4)

式中t为水库泄空时间,s；W为可泄总水量,m3；QM为溃坝最大流量,m3/s；K为经验系数。

经计算，校核水位为525.10 m时，最大溃坝流量为45 086 m3/s，水库放空时间为1 807 s，约30 min。

乌巢河水库在校核洪水位垮坝时，洪水的冲力是很大的。计算溃坝时洪水到长潭岗水库尾水及其坝址的时间及最大流量时，按下述公式计算，所得结果为溃坝时各断面增加的设计洪水流量。

(5)

式中QLM为当溃坝最大流量演进至距坝址为L处时，在该处出现的最大流量,m3/s；W为水库溃坝时的库容,m3；QM为坝址处的溃坝最大流量,m3/s；L为距坝址的距离,m；v为下游L处河道洪水期断面最大平均流速,m/s，一般山区河流可取3.0～5.0 m/s，半山区可取2.0～3.0 m/s，平原可采用1.0～2.0 m/s，本次取5.0；K为经验系数，山区取1.1～1.5，半山区取1.0，平原取0.8～0.9，本次取1.5。

经计算，校核洪水位时发生溃坝洪水，溃坝洪水到长潭岗水库尾水处及坝址的最大流量分别为10 514 m3/s、4 846 m3/s。

溃坝洪水传播的时间按下述公式计算：

(6)

式中t2为最大洪量到达时间,s；L为距坝址距离,m；H0为坝上游水深,m；hm为最大流量时平均水深,m；W为可泄总水量,m3；K2为经验系数。

当校核洪水时溃坝，最大洪峰到达长潭岗水库尾水处及坝址的时间分别为20 min、60 min。

乌巢河水库溃坝时蓄水量为1 800万m3，到达长潭岗坝址处洪峰流量为4 846 m3/s，洪水过程概化为三角形。长潭岗水库防洪库容为2 310万m3，以汛限水位作为起调水位，不考虑乌巢河～长潭岗区间洪水时，考虑上游溃坝时刻开始水库预泄腾库。经调洪计算，库水位控制在防洪高水位以下，大坝不漫顶(如图3所示)。

图3 长潭岗水库调洪结果示意

4 结语

1)乌巢河水库是一座以灌溉、防洪为主，兼顾城镇供水、灌区农村人畜用水及生态用水要求的综合利用水利工程。工程建成后，对健全区域灌溉系统，提高灌区灌溉保证率，增加粮食及周边乡镇供水意义重大。

2)乌巢河与长潭岗水库联合调度，当洪水以乌巢河水库上游为主时，可将老城区的防洪标准提高至25年一遇；当洪水以乌巢河水库～凤凰县城为主时，乌巢河水库对下游防洪作用不明显。

3)乌巢河水库位于峡谷地区，最大坝高为 76.5 m，校核水位为525.10 m时，最大溃坝流量达45 086 m3/s。不考虑乌巢河～长潭岗区间洪水时，溃坝洪水至长潭河坝址洪峰流量为4 846 m3/s，长潭河水库库水位可以控制在防洪高水位以下，大坝不漫顶。

4)乌巢河水库地处峡谷地带，下游有长潭岗水库及凤凰县城。工程建设及运行期，须保证工程质量及大坝安全检测系统、水文自动测报系统正常运行，保证水库科学调度、安全运行。