蓄滞洪水库在小流域山洪灾害防御中的应用研究

夏志东，胡琳琳，张玮玥

（1·衢州市柯城区水利局，浙江 衢州 324000；2·杭州定川信息技术有限公司，浙江 杭州 310020；3·浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020）

1 问题的提出

浙江省地处东南沿海，山地和丘陵占据75%左右，有“七山一水二分田”之说。近年来，由于全球气候变化，大范围梅雨、局地短时强降雨和台风暴雨频发，加之人类不合理活动影响，造成山洪灾害频繁发生，严重威胁山丘地区人民群众的生命财产安全，是当前水旱灾害防御工作的重大风险点。据统计，浙江省目前调查重要沿河村落11 500余个，危险区内影响人员达27.3万人。2010年以来，在水利部的统一部署下，浙江省持续开展山洪灾害防治项目建设，基本构建了专业监测预警与群测群防相结合的山洪灾害防御体系，取得了显著防灾减灾效果，有效避免了群死群伤事件的发生。

山洪灾害防御主要有工程措施和非工程措施两类[1-2]，工程措施包括病险水库除险加固、堤防护岸、清淤疏浚、堰坝整治、水土保持等，非工程措施包括构建天空地一体化监测体系、山洪灾害调查评价、智能化预警平台和群测群防体系建设等内容。在极端性气候条件下，单靠非工程措施难以有效减少山洪灾害损失，需采取必要的工程措施进行保护，与监测预警等非工程措施联合发挥减灾作用。本文主要通过探讨在山丘区小流域选择合适位置建设一种底孔开口式的防洪滞洪水库，可以在一定程度上削减洪峰流量，有效减轻下游山洪灾害，达到保护下游村庄及人员生命财产安全的目的。

2 蓄滞洪水库作用

众所周知，水库具有蓄洪、削峰、错峰等功能，通过控制运用和自然调蓄，能够在一定程度上减轻下游地区的洪水灾害[3]。水库削减洪水流量的原理是水量平衡方程，当出库流量小于入库流量，多余的水量就被滞留在水库内，蓄水量增加。因此水库防洪效益大小主要受防洪库容控制：防洪库容越大，削减洪峰、滞纳洪水的作用就越显著。因此，故通过在山丘区流域上游建设水库，能够快速提高下游保护对象的防洪能力，显著改善流域中下游地区的防洪现状。

对于山区小流域而言，通过建设水库来提升防洪能力受到多种因素制约：一是建设资金成本高，防洪库容大也会造成征地、移民等难以处理；二是受地形、地质条件的制约，也难以找到具有相当库容条件的坝址位置。防洪库容一般是水库汛限水位至防洪高水位之间的库容，要在山区充分利用小库容来发挥防洪效益，就是要尽量不设置正常库容，把有限的库容都用于洪水大流量时的防洪滞洪。因此，我们可以考虑在坝底设置泄流洞，泄流洞的尺寸根据下游河道的安全行洪能力而定。当来水量小于下游河道安全泄量时，洪水通过泄流洞自由无压泄流，随着来水量逐渐增大，库水位开始抬升，泄流洞下泄能力也随之增大，大于下泄流量的部分洪量在水库内滞蓄。若下游保护对象设防标准为20 a一遇，则遭遇20 a一遇以下洪水情况时，滞洪水库只通过泄流洞进行泄洪，最大下泄流量不超过河道安全泄量；当遭遇超过20 a一遇洪水，坝顶溢洪道开始溢流，下泄流量由泄流洞和溢洪道两部分组成，下游保护对象应进行提前预警并组织转移。

由于山溪性河道洪水暴涨暴落，汇流时间短，洪水峰型多为尖瘦形，洪水的冲击性和破坏性与峰值流量大小直接相关，因此通过设置一定的滞洪库容，将洪水过程顶部的部分洪量截留在水库内，削减洪峰流量，在一定程度上可提升下游地区的防洪能力。

3 蓄滞洪水库需考虑的问题

3.1 坝型和坝址选择

一般情况下，用于山洪灾害防御的蓄滞洪水库的库容不大。坝底设置泄流洞允许不影响下游安全的流量过流，坝顶要设置溢洪道承担超标准洪水情况下的泄洪任务，从结构上看只有重力坝和拱坝满足要求。采用拱坝时应根据坝址地形条件进行专项论证。在坝址选择上，应综合考虑坝址的地形地质条件、库容和上游淹没情况，坝址上游的集水面积不宜太大，否则要求的滞洪库容就大，直接造成政策处理难度和经济造价的上升，技术经济效益不显著。从防洪滞洪效果上看，离保护的对象越近，防洪滞洪效果就越好，因此坝址选择应尽量离保护对象近一些。

3.2 保护对象防洪标准

根据保护对象的类型及重要性，按照GB 50201—2014《防洪标准》[4]来确定保护对象的设防标准。对于山区小流域而言，保护对象一般为村庄人口集聚区和重点集镇，防洪标准一般为10~20 a一遇。考虑山洪灾害的破坏性及山洪发生时砂石杂物阻塞河道造成洪水位加剧抬升等因素，蓄滞洪水库对下游保护对象的保护标准不宜低于20 a一遇。

3.3 泄流洞规模

根据下游保护对象所在河道的位置、断面形状及比降等，采用谢才公式①谢才公式：通过坡降、水力半径来计算明渠和管道均匀流平均流速的公式，1769年由法国工程师A·de谢才提出。计算断面水位流量关系，从而得到河道安全泄量。洪水前期，泄流洞为无压流状态，随着水位上涨，洞内流态由无压流向有压流过渡，泄流能力也随着水头抬升而增加。假定不同的泄流洞尺寸计算其泄流能力，根据下游设防标准的设计洪水、库容曲线等，通过调洪演算得到最高库水位、最大下泄流量及滞洪库容等，综合考虑库容因素及下游河道安全泄量，确定泄流洞规模。

3.4 大坝防洪标准

对于超过下游设防标准的洪水，由坝顶溢洪道参与联合泄洪，水库将转为保坝为主，溢洪道规模应满足设计、校核洪水的下泄要求。根据GB 50201—2014《防洪标准》，按照水库总库容确定大坝的防洪标准，并考虑波浪爬高、安全加高等确定坝顶高程。

4 应用案例

鄣吴溪小流域位于浙江省安吉县西北部，其中里庚溪支流山高坡陡，河道比降大，河道受两侧山体控制走向蜿蜒，缺少开阔地，坝址条件良好但库容条件较差。外庚以下地势趋平缓，两岸村庄防洪能力不足10 a一遇。知青坝位于里庚溪里庚村下游约1 km处，位于两山之间峡谷地带，于1966年由下乡知青所建。坝址以上集水面积仅3.1 km2，河道比降73‰，预制混凝土拱坝。坝顶高程173.00 m，最大坝高约15 m，坝顶长约50 m，坝体中间为溢流坝段，溢流段顶高程170.00 m，相应库容仅5万m3，溢流净宽15 m，坝底正中设有直径2.8 m的自流式溢洪洞，是较为典型的蓄滞洪水库（见图1）。

图1 底孔式防洪坝图

因设计资料缺失，无法知晓其设计防洪标准。根据GB 50201—2014《防洪标准》，该滞洪水库参照小（Ⅱ）型水库等级，结合其下游防护对象和防护要求，采用设计洪水标准20 a一遇，校核洪水标准100 a一遇。通过暴雨洪水计算，坝址10 a一遇洪峰流量为69 m3/s，20 a一遇洪峰流量为84 m3/s。经过行洪能力复核，下游景坞村安全泄洪能力约为60 m3/s。

泄流洞按有压短洞公式计算泄流能力，坝顶溢洪道按实用堰公式计算，泄流能力见表1。为比较设置底孔泄流洞的防洪效果，本次调洪计算按考虑泄流洞和不考虑泄流洞两种情况计算，见表2。

表1 水位-泄流能力关系表

表2 知青坝调洪计算成果表

根据调洪计算成果，在不考虑泄流洞情况下，由于该水库滞洪库容很小，对各频率洪峰流量只削减了1~2 m3/s，几乎没有调蓄滞洪作用。如在坝底设置泄流洞，水库自动拦蓄超过下游安全泄量的部分洪水，10 a一遇洪水削减洪峰流量12 m3/s，20 a一遇洪水削减洪峰流量9 m3/s，该滞洪坝将下游景坞村的防洪能力从略高于5 a一遇提高到10 a一遇以上，但随着洪水重现期增大，库水位在洪峰到来前就已升至溢洪道高程，故对50 a一遇以上洪水几乎没有调蓄滞洪作用。由此可见，蓄滞洪水库具有良好的削峰滞洪作用，对于山洪灾害防御能够发挥一定作用，但良好的库容条件是影响蓄滞洪水库发挥效益的重要因素。

5 结 语

对于山洪灾害防御而言，蓄滞洪水库是一种较为有效的工程措施方式，既可以通过工程措施削减下游洪峰流量，提升下游防洪能力，也可以根据蓄滞洪水库的水位上涨情况设置报警水位阈值。通过安装自动水位监测设备，当库水位即将达到溢洪道高程时，采用物联网技术联动村庄里的预警设备，提醒下游群众立即撤离，较之以往采用雨量预警的方式准确性更高。同时，在地质灾害风险较高的地区建设蓄滞洪水库，可以拦截滑坡、泥石流等土体，能够有效降低下游地区地质灾害风险。

由于建设水库的工程费用较高，选址时一定要充分考虑地形地质条件，要具有一定的库容条件且上游淹没的政策处理费用小，则是比较经济合理的做法。在受到地形条件制约时，也可选择梯级水库形式建设，充分利用滞洪库容。为减轻政府资金压力，将蓄滞洪水库项目结合新农村开发，引入社会资本开展山区漂流项目建设，在主汛期气象预报有暴雨时，预先腾空水库保证泄流洞敞开发挥防洪滞洪作用。