不同调度方案下清河水库坝下河道淹没损失分析

王 莉

(辽宁省水利水电科学研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110003)

水库是调节洪水的重要水利工程，对洪水调节作用十分明显。当水库入库发生较大洪水时，经过调洪后，水库下泄水量对下游河道淹没范围内的影响有所不同，尤其出现超标准洪水时候，需要水库进行科学调度，在尽量进行拦洪削峰措施下，也最大程度减少对下游河道淹没范围的经济损失。为科学调度水库，需要对水库不同调度方案下的淹没范围进行分析，从而降低水库调洪泄水对区域内淹没损失。近些年来，对于河道不同洪水条件下的淹没损失分析取得一定研究成果，这些研究成果中大都结合水力学模型，通过洪水淹没范围模拟，对淹没范围内的经济损失、影响人口进行分析，从而为防汛决策提供依据。但是在水库不同调度方案下对下游河道淹没损失分析的研究成果还较少。为此本文以清河水库为具体实例，以防汛科学调度实际需求为背景，结合水力学模型对清河水库不同调度方案下对下游河道淹没范围进行具体分析，采用下游河道淹没范围内调查数据以及遥感数据对其淹没损失进行定量分析，研究成果对于水库防洪措施下的科学调度具有重要参考价值。

1 研究区域概况

清河水库是辽河流域的重要水利枢纽工程之一，位于清河干流上，控制面积2376km2，占清河流域总面积的49%，总库容9.71亿m3，为大Ⅱ型水库，坝址距下游长大铁路桥和开原县城约13km。坝址处1956—2007年多年平均径流量5.08亿m3。清河水库坝址以上河长122km，河道宽度为30～160m，平均比降2.03‰，滩槽由砾石、粗砂组成。清河水库以下至河口段是辽河左岸较大的支流。清河上游有南北两支，南支为主流，发源于清原县英额门镇老虎顶山，流至开原市与发源于西丰县的碾盘河在耿王庄汇合，在老城镇接纳寇河，于业民镇大高力屯注入辽河。清河全长159km，流域面积为5150km2，流经抚顺市的清原县、铁岭市的开原市和清河区。本文计算范围为清河水库坝下清河河道，本河段长约38km，清河水库下游清河河道主要为开原市和清河区。期间主要支流包括小清河、寇河、金线河、马仲河。清河水库以下部分河道为滩槽较分明的复式河槽，清河区段主槽平均宽200～300m，开原段主槽宽300～500m，河床以细砂、粗砂为主。

2 研究方法

2.1 不同流量条件下的淹没范围计算

主要采用水力学模型对水库不同出流条件下的下游河道淹没范围进行分析，其水流控制计算方程为：

(1)

其中水平和垂向方向上的水动力计算方程分别为：

(2)

(3)

式中，h—计算水深，m；d—河床高程，m；ξ—计算断面水位，m；p、q—不同方向水流计算单宽流量，m3/(s/m)；C—谢才系数；g—重力加速度，m/s2；τxx—水流水平方向剪切应力的分量；τxy—垂直水流方向的剪切应力分量；ρw—水体密度，g/cm3；Ω—科氏力学系数；w—地球自转的角速度，(°)/s；t—计算时刻，h；Pa—大气压差，kPa；f(v)—风摩擦系数；x—水平方向坐标；y—水流垂向坐标；V—风速，m/s；Vx—水平方向流速分量，m/s；Vy—垂直方向流速分量，m/s。

本文建立的二维水力学模型采用双向隐格式算法进行数值计算，方程采用双向DS消除方法进行求解。

2.2 模型计算条件

结合水库不同调度方案下的流量以及水位作为二维水力学模型的上边界输入，结合下游河道野外测量地形数据以及区域数字高程数据作为模型地形输入数据，对水库不同调度方案下的淹没范围进行演算，本文以清河水库为实例，结合其下游清河水文数据以及水库设计资料对模型糙率区间进行确定。以下游八棵树水文站水位流量关系作为其计算下边界。采用三角网格对水库下游河道进行空间剖分，对于部分冲淤变化较大的区域，对其计算网格进行加密处理，本次模型计算划分的网格个数为16850个。

3 模型计算

3.1 河道糙率及断面处理

3.1.1糙率确定及模型验证

通过不断调整模型中的糙率，充分考虑包括滩槽划分、地形(包括鱼塘、沙坑、滩地构筑物等)等诸多影响因素，参考2019年实测河底及平面地形等因素，结合对比沿程水文、水位站的2019年实测水位流量关系，最终复核得到与洪水期较为接近的数学计算模型成果。综合糙率为0.025～0.032。计算结果与洪痕的差值除个别点在0.2m以外，基本都在0.1m以内，如图2所示，表明构建的水力学模型计算结果较为合理。

图2 计算水位与洪痕对比图

3.1.2断面处理

清河水库以下河道共40个大横断面，从辽河管理路桥起至清河水库止。对部分高程低于水位的断面进行了补测，断面长度满足要求。清河水库以下又划分成清河水库至寇河汇入清河段、清河支流寇河汇入口至清河闸段和清河闸至清河口段3段。清河水库以下至寇河汇入口段，由于没有较大支流汇入，所以设计洪水采用清河水库1995年典型枢纽洪水调节计算成果；清河支流寇河汇入口至清河闸段设计洪水成果采用清河水库泄洪后的开原洪水组合成果；清河闸以下至清河口段设计洪水，由于有马仲河汇入，所以设计洪水是在开原站洪水组合成果基础上，考虑马仲河洪水汇入后的成果。各段计算频率及流量见表1。

表1 清河水库以下河道各河段计算频率、流量

3.2 起点水位的确定

根据河道流量及沿河建筑物情况，将计算河段分为清河水库至城郊拦河坝段、城郊拦河坝至清河闸段、清河闸至辽河回水末端3段。

清河水库至城郊拦河坝段：起点水位根据城郊拦河坝坝上水位流量关系曲线，50年一遇流量对应的起点水位91.43m，20年一遇流量对应的起点水位90.52m。

城郊拦河坝至清河闸段：起点水位根据清河闸闸上水位流量关系曲线，50年一遇流量对应的起点水位80.64m，20年一遇流量对应的起点水位79.53m。

清河闸至辽河回水末端段：起点水位根据辽河回水末端辽河管理路桥上水位流量关系曲线，50年一遇流量对应的起点水位65.6m，20年一遇流量对应的起点水位64.6m。

3.3 清河水库下游河道外业调查结果

通过调查统计清河水库坝下清河河道行洪面积约3287.16hm2，河道主槽面积792.62 hm2，滩地2494.54 hm2。其中，坝下荒地75.63 hm2，旱地1941.65 hm2，水田87.28 hm2，林地44.09 hm2，鱼塘4.02 hm2，河滩地7.88 hm2，大棚1.69 hm2，市政绿化用地243.02 hm2，其他地类89.28 hm2，清河水库坝下清河河道面积及地类面积等详见表2。另外，经水位核实及村屯新测量地图可知，新测量的6个村屯中有4个村屯在设计流量情况下存在不同程度的淹没，分别为小四寨子、业民村(大四寨子)、三家子村(合并至新兴村)、郎家屯。业民村(大四寨子)、小四寨子属开原市。小四寨子、业民村(大四寨子)位于清河左岸。三家子村(合并至新兴村)、郎家屯属于清河区，均位于清河右岸。

表2 清河水库坝下清河河道外业调查综合结果 单位：hm2

3.4 淹没损失分析

以清河水库调度规则，经调洪演算方程推求其不同调度方案的下泄流量及前述各河段起点水位作为二维水力学模型输入上边界，通过水力计算并综合河道大横断面测量资料、平面地形图、航片影像图及新测分界堤、村屯等资料对清河水库下游各河段行洪淹没范围进行分析，结合清河水库坝下河道行洪面积、主槽面积及河道内各县区地类分布情况对清河水库不同调度方案下3个计算河段淹没损失进行统计，成果见表3—5。

不同流量下淹没面积为包含关系，即大流量淹没面积包含小流量淹没面积，区间流量增加淹没面积为二流量下淹没面积差值。由表3可知，清河水库至城郊拦河坝段滩地在1500m3/s流量时受淹没影响，当达到50年标准流量(4690m3/s)时淹没达到最大；由表4可知，城郊拦河坝至清河闸段段滩地在2100m3/s流量时受淹没影响，当达到50年标准流量(4393m3/s)时淹没面积达到最大。由表5可知，清河闸至辽河回水末端段滩地在800m3/s流量时受淹没影响，当达到50年标准流量(1480m3/s)时淹没面积达到最大。表3—5中流量大于50年标准流量的淹没面积为淹没线与堤防之间的淹没面积。

表3 清河水库坝下清河河道不同流量下的淹没损失成果表(清河水库至城郊拦河坝段)

表4 清河水库坝下清河河道不同流量下的淹没损失成果表(城郊拦河坝至清河闸段)

表5 清河水库坝下清河河道不同流量下的淹没损失成果表(清河闸至辽河回水末端)

4 主要结论

(1)结合清河水库坝下清河河道不同流量下的淹没损失成果可以为清河水库科学调度提供重要依据，当水库按50年一遇标准进行调洪时，下游河道淹没范围将达到最大，当水库需要按50年一遇标准进行泄洪时，应及时做好下游人员转移工作，尽量降低泄洪产生的人员和财产损失。

(2)若水库下游河道沿程有跨河水工建筑物如拦河闸坝，建议进行分段建模，从而提高淹没范围的计算精度，以水工建筑物闸前或坝前水位流量关系作为上边界条件进行分段计算。

(3)本文只对水库不同调度方案下水库淹没损失进行了统计分析，而对于如何定量评估其经济损失还未进行深入研究，在后续研究中还应对其淹没的经济损失进行定量评估，从而对于后续经济损失评估提供依据。