上游梯级水库存在安全隐患时对城市防洪影响的评估

摘要：随着国民经济的快速发展，越来越多的中小城市均在制作相应的防洪规划，本文以湖南省新晃县县城防洪规划为例，阐述上游水库存在安全隐患时对城市防洪规划的影响，为科学规划城市防洪工作提供理论依据。

关键词：防洪水位、溃坝、城市防洪、水量平衡

1、防洪工程概述

新晃县城位于湖南省最西部的新晃县县域北部，区域面积2.5km2，人口近3万，是全县的经济、文化中心。沅水一级支流舞水自西向东，呈“Ω”型切城而过。城区以上11km处的舞水干流上建有鱼市水库，该水库控制面积6600km2，正常高水位327.00m，相应库容880×104m3。该水库至今已运行30多年，安全检查发现溢流坝表面混凝土多处剥落，下游坝基冲刷严重。实测资料表明1995年坝基冲刷1.55m，到2000年达2.19m之多，呈逐年上升之势，存在严重的安全隐患。在鱼市水库以下，县城以上0.5km处建有狮子岩水库，该水库1987年投入运行，集水面积6717km2，正常高水位314.00m，相应库容600×104m3。8年来，9扇弧形钢闸门共计5400m2面积部分长期处于水下运行，锈蚀严重，锈蚀深度已达2—4mm，多次出现闸门启吊困难，造成钢缆断裂，闸门滑落事故。县城地势低洼，三面临水，洪灾威胁严重。

2、城市防洪工程规划及溃坝工程对城市防洪影响的评估

2.1 工程防洪标准

依据国家《防洪标准》（GB50201-94）确定新晃县城城区防洪标准等级为四级，即防洪标准为近期20年一遇。

2.2 设计洪水分析

利用县城上游玉屏水文站和下游芷江水文站的水文资料采用P-III型曲线进行频率计算，求得城区各种频率下的设计洪峰流量，根据新晃县城区新晃水位站的实测水位流量关系资料，求得相应频率下的设计洪峰水位，经与城区洪调成果及实测历年最高水位对比，成果合理、可靠，县城城区设计洪水分析成果见表1。

表1、新晃县城城区设计洪水分析成果表

设计频率（％） 5（20年一遇） 设计洪峰流量（m3/s） 4820 设计洪峰水位（m） 314.94

设计频率（％）

5（20年一遇）

设计洪峰流量（m3/s）

4820

设计洪峰水位（m）

314.94

2.3 狮子岩水库闸门故障对新晃县城和自身防洪的影响

由于狮子岩水库闸门无检修门，闸门严重锈蚀，出现启闭困难，严重导致闸门打不开，影响泄洪，现根据净库容水量平衡原理（不考虑库面蒸发和水库渗漏等损失），采用试算搜索法求解，对5%频率设计洪水进行调洪演算。

2.3.1 调洪演算原理

调洪演算时一般给定库水位上（下）限，当调洪演算水位越上（下）限时，判断可用操作区，根据调度规程开启（关闭）闸门。下面以狮子岩水库常规调度过程说明一次闸门操作的演算过程：

①计算越限时段初出入库平衡泄量变化量Q平：

Q平＝|Q入-Q出|

式中：Q入为越限时段初入库流量；Q出为越限时段初出库流量。

② n=1。

③计算闸门启闭流量变化量(Q泄= Q平+100×n)和最低（高）库水位H。

④ 若H超出库水位下（上）限，则取Q泄= Q平+100×（n-1），跳出循环。

⑤ 若T≥最长动门时间，则取Q泄= Q平+100×n，跳出循环。

⑥ n=n+1，转至③。

2.3.2调洪演算结果及不同闸门开启情况时对下游新晃县城的影响

根据上述原理进行程序试算得出狮子岩水库的演算成果见表2：

表2、20年一遇洪水狮子岩水库调洪演算成果表

闸门启闭情况 最高库水位(m) 水位抬高值(m) 正常 316.04 0.00 2扇不能打开 317.09 1.05 4扇不能打开 318.05 2.01 全部不能打开 320.41 4.57

闸门启闭情况

最高库水位(m)

水位抬高值(m)

正常

316.04

0.00

2扇不能打开

317.09

1.05

4扇不能打开

318.05

2.01

全部不能打开

320.41

4.57

演算结果表明，狮子岩水库若在大洪水时遇闸门不能开启情况，对水库本身的防洪有重大影响。如闸门全部不能打开，库水位比闸门正常启闭时将升高4m以上，严重危及大坝安全，给下游500m新晃县城的人民生命财产亦将造成灭顶之灾。

2.4 鱼市水库溃坝对新晃县城防洪的影响

2.4.1 溃坝峰值流量的推求

鱼市水库大坝基脚严重淘蚀可能发生溃坝。溃坝使水库上、下游水力学因素发生巨大变化，特别对坝下而言，溃坝形成涌波，瞬时巨大流量对下游承溃区将造成极大灾害。

溃坝水流是一种非恒定不连续波运动，除受圣·维南非恒定流方程组的控制外，还要爱涌波（即不连续波）运动规律的控制。考虑鱼市水库的实际情况，坝下为非恒定流，采用正负波相交法进行最大溃坝流量推求。

假定发生溃坝时刻为入库流量最大时刻，根据圣·维南方程进一步概化河槽断面面积为：

ω=khm=Bh/m

其中

k为常用系数，B为水面宽，m为河槽断面形状系数。

依据特征线理论和不连续波基本方程式推导出向坝址上、下游传播的逆负连续波和不连续涌波方程为：

式中：

V ——溃坝初顷时刻坝址断面上的平均流速；

h ——与初顷相应的坝址水深；

H0——溃坝前的坝前水深；

V0——溃坝前坝址上游水深为H0的断面流速；

h2——溃坝前下游原河槽恒定流水深；

V2——其相应的断面平均流速；

m——河槽断面形状指数。

溃坝初顷，在坝址上产生着向上游传播的逆负波和向下游传播的不连续涌波的衔接。联解（1）（2）两式，求得坝址上的水深h和流速v，从而瞬时溃坝最大流量为：

Qmax=vBh

峰值流量成果见表3：

表3、 鱼市水库最大溃坝流量成果表

来水频率P 5% 来流量较小时 来水洪峰流量 4820 100 溃坝时刻坝上水位 335.75 327 溃坝时刻坝下水位 326.8 312 计算溃坝最大流量 9990 4530 附注 来流量较小指上游来水量相对于溃坝洪水可忽略不计

来水频率P

5%

来流量较小时

来水洪峰流量

4820

100

溃坝时刻坝上水位

335.75

327

溃坝时刻坝下水位

326.8

312

计算溃坝最大流量

9990

4530

附注

来流量较小指上游来水量相对于溃坝洪水可忽略不计

2.4.2 溃坝流量过程的推求

水库总出库流量过程是水库蓄水和入库流量共同作用的结果，采用水文蓄量法来推求水库总出库流量过程如下:

I-Q=ds/dt

式中I为入库流量；Q为总出库流量；ds/dt为水库蓄量随时间变化率。

将上述方程用有限差分法离散可得

（Ii+Ii+1）/2-（Qi+Qi+1）/2 =△s/△t

其中上标i和i+1分别表示t和t+△t时刻变量的值。

△s=（ASi+1+ASi）（hi+1-hi）/2

代入有关公式得到总的离散方程为

（ASi+1+ASi）（hi+1-hi）/△t+ C1(h－hb)1.5+C2(h－hb)2.5+ CsLs(h-hs)1.5+ CgAg(h-hg)0.5+CdLd(h-hd)1.5+Qt+Qi-Ii+1-Ii=0

上述方程可用Newton—Raphson迭代法求解，得到溃坝时水库的下泄流量过程。

2.4.3 溃坝洪水向下游的演进

采用圣维南方程来描述洪水波向下游的传播，其方程形式如下

连续方程

动量方程

式中A为有效过流面积；A0为非有效过流面积（滩地蓄水面积）；q为沿河道单位距离的侧向入流或出流（“+”表示入流，“—”表示出流）；Sf为摩阻比降；由曼宁公式求出：Sf=n2|Q|Q/2.21A2R4/3;Se为局部损失（扩散—收缩）比降；Se=K△(Q/A)2/2g△x。圣维南方程为双曲型偏微分方程组，目前尚无法求出其解析解。应用中通常将其离散为代数方程，然后求出其数值解。变量的时间差分采用中心差

分，即 变量的空间差分采用有加权系数θ的向前差分，即为:

将上述离散式代入圣维南方程中，得到两个非线性方程。对N个断面的河道，有（N-1）个河段，可建立（2N—2）个方程。给定上、下游边界，共同组成2N个非线性方程，利用NewtonRaphson法迭代求解方程组，可求出任意时刻各断面有关的水力要素。

2.4.4 溃坝洪水对下游防洪的影响 在狮子岩水库闸门正常运行的前提下，溃坝洪水对狮子岩水库的影响主要是由于入库洪水剧增，抬高了狮子岩水库的库水位，演算结果表明：对于P=5%的设计洪水，若鱼市水库溃坝，狮子岩水库坝前水位在调度及时的情况下，仍将抬高2.58m之多。鱼市水库溃坝对新晃县城的影响主要是提高了洪水遭遇，洪峰流量增大、水位抬高，加大了对两岸堤防的压力。 2.5 鱼市水库溃坝遭遇狮子岩水库闸门不能打开对新晃县城防洪的影响 当鱼市水库发生溃坝而狮子岩水库闸门又不能打开时，这种最恶劣组合将对狮子岩水库及新晃县城的防洪造成巨大的威胁，现将演算结果见表4： 表4、20年一遇鱼市水库溃坝洪水狮子岩水库调洪演算表

闸门启闭情况

最高库水位(m)

最大下泄流量(m3/s)

正常

318.62

6800

2扇不能打开

319.61

6830

4扇不能打开

320.51

6850

全部不能打开

322.48

7000

由于本河段坡降较大，河道窄深，洪水流量衰减小，且狮子岩水库坝址距新晃县城仅500m，因此溃坝洪水传播速度快，传播时间短，相应的预见期很短，从表4的演算结果表明， 20年一遇洪水在鱼市水库发生溃坝，狮子岩水库闸门全部不能及时打开的最不利因素组合下，新晃县城河段水位将平均抬高2.7m，防汛形势十分紧张。

3、结论

对于上游有梯级水库且存在不同程度的安全隐患时，形势往往比较复杂，牵一发而动全局，城市防洪影响评估考虑各种组合结果截然不同。在制作防洪规划时，应积极地考虑各种不利因素的组合，不可回避，因此应该从以下三个方面采取预防措施：

（1）、采取各种可行的工程措施，一方面积极排险加固，做到未雨绸廖，另一方面，根据演算结果，建立较为完整的防洪体系，使城市防洪的风险降到最小。

（2）、水库运行时，应加强大坝管理、监测和检查，对大坝不安全部位发现问题及时汇报，并采取相应工程处理措施。

（3）、建立警报系统，以便一旦出现紧急情况及时向主管部门和当地政府报告，将大坝管理人员撤离至安全地带，当地政府组织居民群众安全撤离，将损失降到最小程度。

Influence Assessment on Safety Issue of Upstream Step Reservoirs

in City Flood Control.

Abstract: Along with the economic development， the flood control plans are getting more to be made for middle and small size cities. As a case study of the flood control plan for Xinfan county in Hunan Province， the influence assessment and necessary discussion on safety issue of upstream step reservoirs in city flood control were presented in the paper，supplying theoritical proves for scientifical city flood control.

Keywords: Flood control water level; Dan breach; City flood control; Water quantity balance.