長(zhǎng)沙壩、葫蘆口水庫(kù)聯(lián)合防洪調(diào)度與洪水利用探討

代北川

(四川省長(zhǎng)葫灌區(qū)管理局,四川 威遠(yuǎn),642450)

1 威遠(yuǎn)河流域概況

威遠(yuǎn)河發(fā)源于四川省威遠(yuǎn)縣境內(nèi)的連界場(chǎng)清風(fēng)寒,為長(zhǎng)江三級(jí)支流。分水嶺最高處海拔825m,流經(jīng)興隆場(chǎng)、長(zhǎng)沙壩水庫(kù)、葫蘆口水庫(kù)、威遠(yuǎn)縣城,在自貢市與旭水河匯合后稱釜溪河,在富順縣鄧關(guān)匯入沱江。威遠(yuǎn)河在威遠(yuǎn)縣城以上主河道長(zhǎng)71km,流經(jīng)山區(qū)、河流彎曲,河底坡降在4‰以上,河流下蝕切割較深,形成深溝峽谷地形。流域內(nèi)植被較好。

本流域徑流主要來(lái)源于降水,其次是地下水補(bǔ)給。河流的汛期為5月至9月,非汛期為10月至次年4月。興隆(二)站(長(zhǎng)沙壩入庫(kù)站)多年平均流量1.40m3/s,多年平均徑流深421.5mm,多年平均徑流模數(shù)13.3L/s.km2。葫蘆口水庫(kù)斷面多年平均徑流量9199×104m3,多年平均徑流深394.8mm,多年平均徑流模數(shù)12.5L/s.km2。

本流域洪水完全由暴雨形成,洪水發(fā)生季節(jié)與暴雨一致。年最大流量一般發(fā)生在6～9月,主要集中在7、8兩月。由于流域小,暴雨集中,土層較薄,流域及河流調(diào)蓄能力差,故洪水過(guò)程陡漲陡落,洪峰流量較大。從降雨至洪水起漲一般約3.5h,雨峰到洪峰僅約6h。單場(chǎng)暴雨形成約1～2d的單峰過(guò)程,洪峰持續(xù)時(shí)間一般僅半小時(shí)。兩場(chǎng)連續(xù)暴雨形成約2～3d的雙峰洪水過(guò)程。年最大流量年際變化較大,據(jù)興隆站1968年、1970～1979年和興隆(二)站1980～2001年資料統(tǒng)計(jì),年最大洪峰模數(shù)的最大值為5.87m3/s.km2(1974年8月8日),最小值為0.16m3/s.km2(1993年8月10日),前者是后者的36.69倍。

2 長(zhǎng)沙壩、葫蘆口水庫(kù)概況

長(zhǎng)沙壩、葫蘆口水庫(kù)(以下簡(jiǎn)稱長(zhǎng)葫水庫(kù))是二十世紀(jì)70年代建成的兩座中型水庫(kù),位于長(zhǎng)江三級(jí)支流威遠(yuǎn)河中上游,兩庫(kù)為梯級(jí)開發(fā)、多年調(diào)節(jié)、聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行。兩庫(kù)總庫(kù)容1.21億m3,正常蓄水位總庫(kù)容9843萬(wàn)m3,死庫(kù)容800萬(wàn)m3。

長(zhǎng)沙壩水庫(kù)于1971年10月建成,工程等級(jí)為三等三級(jí),按50年一遇洪水設(shè)計(jì),500年一遇洪水校核。壩址以上集雨面積145km2,主河道長(zhǎng)40.5km。正常蓄水位484.15m,正常庫(kù)容3623×104m3,死水位457.50m,死庫(kù)容310×104m3,設(shè)計(jì)洪水位487.03m,相應(yīng)庫(kù)容4278.1×104m3,校核洪水位487.92m,相應(yīng)庫(kù)容4518.4×104m3。

葫蘆口水庫(kù)位于長(zhǎng)沙壩水庫(kù)下游15km,1979年底建成,工程等級(jí)為二等二級(jí),按100年一遇洪水設(shè)計(jì),1000年一遇洪水校核。壩址以上集雨面積(包括長(zhǎng)沙壩水庫(kù))233km2。正常蓄水位406.00m,正常庫(kù)容6220×104m3,死水位375.00m,死庫(kù)容490×104m3;設(shè)計(jì)洪水位408.50m,相應(yīng)庫(kù)容6970×104m3;校核洪水位410.50m,相應(yīng)庫(kù)容7580×104m3。

長(zhǎng)葫水庫(kù)是自貢市、威遠(yuǎn)縣的重要水源,承擔(dān)著自貢市、威遠(yuǎn)縣60余萬(wàn)人的生活用水和400余家工礦企業(yè)用水,灌溉農(nóng)田2.16萬(wàn)hm2,并兼顧防洪、發(fā)電、航運(yùn)、養(yǎng)殖等多種經(jīng)濟(jì)效益,自建成以來(lái),為灌區(qū)工農(nóng)業(yè)的發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定作出了重要貢獻(xiàn)。隨著灌區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,城市規(guī)模的擴(kuò)大,人口的增多及生活水平的提高,灌區(qū)對(duì)水的需求量越來(lái)越大,同時(shí)城市的防洪也越來(lái)越顯得重要,長(zhǎng)葫水庫(kù)的興利防洪矛盾日益突出。長(zhǎng)葫水庫(kù)原渡汛方案于1992年編制。1997年、2001年流域內(nèi)發(fā)生過(guò)較大洪水,水文資源系列也增長(zhǎng),而且長(zhǎng)葫水庫(kù)防汛自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)已建立,能隨時(shí)提供可靠資料。為解決好長(zhǎng)葫水庫(kù)的興利防洪矛盾,充分發(fā)揮長(zhǎng)葫工程效益,進(jìn)一步深入探討長(zhǎng)葫水庫(kù)聯(lián)合防洪調(diào)度和洪水利用問(wèn)題是十分必要的。

3 長(zhǎng)沙壩、葫蘆口水庫(kù)聯(lián)合防洪調(diào)度優(yōu)化研究

3.1 長(zhǎng)沙壩、葫蘆口水庫(kù)防洪調(diào)度

3.1.1 調(diào)洪調(diào)度原則

根據(jù)長(zhǎng)葫水庫(kù)興利、防洪和下游城市的防洪要求,長(zhǎng)葫水庫(kù)渡汛方案的原則為:(1)20年一遇及以下洪水,以威遠(yuǎn)縣城防洪為主進(jìn)行水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度;(2)20年一遇以上洪水,以保證水庫(kù)大壩安全為主進(jìn)行水庫(kù)調(diào)度,并為下游錯(cuò)峰;(3)為提高興利作用,實(shí)行分期防洪限制水位。

長(zhǎng)沙壩、葫蘆口水庫(kù)自建成投入運(yùn)行,已分別運(yùn)行了31年和23年,為灌區(qū)工農(nóng)業(yè)的發(fā)展及威遠(yuǎn)縣、自貢市的防洪錯(cuò)峰作出了重要貢獻(xiàn)。長(zhǎng)沙壩水庫(kù)實(shí)測(cè)最大洪水發(fā)生在2001年8月19日,壩址洪峰流量580m3/s,達(dá)到20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn),長(zhǎng)沙壩溢洪道最大水深2.13m,最大下泄流量383m3/s,未超過(guò)設(shè)計(jì)洪水下泄流量615m3/s。葫蘆口水庫(kù)實(shí)測(cè)最大洪水發(fā)生在1988年9月1日,壩址洪峰流量845m3/s,達(dá)到葫庫(kù)壩址30年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)。最高水位406.43m,最大泄洪流量533m3/s。長(zhǎng)葫水庫(kù)在發(fā)生的各次洪水中,通過(guò)合理的調(diào)度,均為下游錯(cuò)了峰,保證了水庫(kù)大壩和下游的安全。

3.1.2 調(diào)洪演算成果分析

長(zhǎng)沙壩水庫(kù)為開敞式溢洪道自由溢流,溢洪道堰頂以下的放水設(shè)施只有一根φ1.0m的發(fā)電管道,發(fā)電引水流量4.75m3/s,放水設(shè)施泄水能力有限。初汛期正值灌區(qū)大量用水季節(jié),庫(kù)水位較低,故可不考慮本期的限制水位,若庫(kù)區(qū)突降暴雨,庫(kù)水位上漲至主汛期限制水位以上時(shí),則按主汛期調(diào)度方式調(diào)度。主汛期,如果將汛限水位定在溢流堰頂以下,在遇到兩場(chǎng)相連的洪水時(shí),無(wú)法保證第二場(chǎng)洪水來(lái)臨前將庫(kù)水位降到汛限水位,從而影響防洪安全,故原則上將汛期限制水位定為484.15m(溢流堰頂高程)。由于長(zhǎng)葫水庫(kù)是以灌溉、工業(yè)和生活用水為主的綜合利用水庫(kù),設(shè)計(jì)時(shí)未考慮下游防洪。根據(jù)長(zhǎng)沙壩、葫蘆口水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度成果和調(diào)度經(jīng)驗(yàn),擬定葫蘆口水庫(kù)的主汛期限制水位為:404.00m、404.50m、405.00m、405.50m、406.00m(正常蓄水位)、406.30m(閘門頂高程),經(jīng)調(diào)洪演算后確定。

長(zhǎng)沙壩水庫(kù)為壩頂無(wú)閘控制開敞式溢洪道自由溢流,調(diào)洪從正常水位484.15m起調(diào),洪水來(lái)時(shí),自由泄洪。調(diào)洪演算成果見(jiàn)表1。

從表1可見(jiàn):通過(guò)水庫(kù)的調(diào)節(jié)作用,洪峰滯后,削峰比例為30%左右。基本上是洪水越大,洪峰滯時(shí)越小,削峰比例越大。500年一遇和50年一遇洪水水庫(kù)最高水位和最大下泄流量均低于設(shè)計(jì)值,水庫(kù)抗洪能力達(dá)到了設(shè)計(jì)的防洪要求。

表1 長(zhǎng)沙壩水庫(kù)調(diào)洪成果 單位:m,m3/s

葫蘆口水庫(kù)防洪調(diào)度方案為:從404.00m起調(diào),電站發(fā)電,當(dāng)庫(kù)水位超過(guò)405.00m,入庫(kù)量小于300m3/s,控泄100m3/s,入庫(kù)量超過(guò)300m3/s,控泄300m3/s;當(dāng)庫(kù)水位到達(dá)406.30m后,按照來(lái)多少泄多少直致五孔閘全開自由泄洪;當(dāng)水位回落到406.30m以下后,入庫(kù)流量介于100m3/s～300m3/s,按300m3/s控泄,入庫(kù)流量小于100m3/s時(shí),按100m3/s控泄,直至庫(kù)水位降到404.00m。調(diào)洪演算結(jié)果(見(jiàn)表2)表明,葫蘆口水庫(kù)以404.00m為汛限水位,當(dāng)發(fā)生20年一遇以上洪水時(shí),按此防洪調(diào)度方案,能夠保證水庫(kù)大壩泄洪安全。

表2 葫蘆口水庫(kù)調(diào)洪成果 單位:m,m3/s

3.2 長(zhǎng)沙壩水庫(kù)預(yù)泄部分水量到葫蘆口水庫(kù)的可能性分析

因長(zhǎng)沙壩水庫(kù)溢洪道以下泄水能力有限,無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)將水位下降到需要的位置,原則上將其汛限水位定為484.15m。但長(zhǎng)沙壩水庫(kù)集雨面積占長(zhǎng)葫水庫(kù)集雨面積的62%,長(zhǎng)葫水庫(kù)的主要來(lái)水在長(zhǎng)沙壩水庫(kù)。因此,可以在時(shí)間許可、保持兩庫(kù)總的防洪庫(kù)容不變的情況下,在兩場(chǎng)洪水間通過(guò)電站發(fā)電將長(zhǎng)沙壩水庫(kù)的部分水量預(yù)泄到葫蘆口水庫(kù)中,以減輕長(zhǎng)沙壩水庫(kù)的防洪壓力,充分發(fā)揮長(zhǎng)葫水庫(kù)的綜合效益,而又不影響葫蘆口水庫(kù)大壩和下游的安全。由于20年一遇以上洪水按最不利情況正常水位起調(diào),兩水庫(kù)大壩是安全的,而此種預(yù)泄情況起調(diào)水位均低于正常水位,故不需再作計(jì)算分析。對(duì)于20年一遇及以下洪水,需考慮兩庫(kù)大壩和下游安全,特作如下聯(lián)合防洪調(diào)度與洪水利用方案比較計(jì)算、分析。

3.2.1 長(zhǎng)沙壩水庫(kù)

對(duì)不同預(yù)泄水量方案,按以下水位起調(diào),調(diào)洪演算成果見(jiàn)表3:①預(yù)泄100×104m3,起調(diào)水位483.70m;②預(yù)泄200×104m3,起調(diào)水位483.20m;③預(yù)泄300×104m3,起調(diào)水位482.80m;④預(yù)泄400×104m3,起調(diào)水位482.30m;⑤預(yù)泄500×104m3,起調(diào)水位481.80m;⑥預(yù)泄600×104m3,起調(diào)水位481.30m。

從表3可見(jiàn),隨著預(yù)泄水量的增加,起調(diào)水位的降低,水庫(kù)的滯洪削峰作用越強(qiáng),出庫(kù)峰值越小,峰現(xiàn)時(shí)間越滯后,水庫(kù)最高洪水水位越低,對(duì)長(zhǎng)沙壩水庫(kù)防洪有利。

表3 長(zhǎng)沙壩水庫(kù)不同方案各頻率調(diào)洪成果單位:m、m3/s

3.2.2 葫蘆口水庫(kù)

按長(zhǎng)庫(kù)不同預(yù)泄水量組合成以下方案進(jìn)行調(diào)洪演算,其成果見(jiàn)表4:①長(zhǎng)沙壩水庫(kù)預(yù)泄100×104m3到葫蘆口水庫(kù),保持總的防洪庫(kù)容不變。葫蘆口水庫(kù)從404.33m起調(diào),調(diào)度方案同主汛期;②長(zhǎng)沙壩水庫(kù)預(yù)泄200×104m3到葫蘆口水庫(kù),保持總的防洪庫(kù)容不變。葫蘆口水庫(kù)從404.67m起調(diào),調(diào)度方案同主汛期;③長(zhǎng)沙壩水庫(kù)預(yù)泄300×104m3到葫蘆口水庫(kù),保持總的防洪庫(kù)容不變。葫蘆口水庫(kù)從405.00m起調(diào),調(diào)度方案同主汛期;④長(zhǎng)沙壩水庫(kù)預(yù)泄400×104m3到葫蘆口水庫(kù),保持總的防洪庫(kù)容不變。葫蘆口水庫(kù)從405.33m起調(diào),調(diào)度方案同主汛期;⑤長(zhǎng)沙壩水庫(kù)預(yù)泄500×104m3到葫蘆口水庫(kù),保持總的防洪庫(kù)容不變。葫蘆口水庫(kù)從405.67m起調(diào),調(diào)度方案同主汛期;⑥長(zhǎng)沙壩水庫(kù)預(yù)泄600×104m3到葫蘆口水庫(kù),保持總的防洪庫(kù)容不變。葫蘆口水庫(kù)從406.00m起調(diào),調(diào)度方案同主汛期。

從表4、表5可見(jiàn),發(fā)生20年一遇及以下的洪水,葫蘆口水庫(kù)采用①、②、③、④、⑤、⑥方案調(diào)度,均能保證20年一遇洪水下橋水位不超過(guò)保證水位線,5年一遇洪水下橋水位不超過(guò)警戒水位線,也能保證兩庫(kù)大壩安全。因此,主汛期長(zhǎng)沙壩水庫(kù)以484.15m、葫蘆口水庫(kù)以404.00m為汛限水位,在保持兩庫(kù)總的防洪庫(kù)容不變的情況下,可將長(zhǎng)沙壩水庫(kù)的水通過(guò)電站發(fā)電預(yù)泄600×104m3以內(nèi)到葫蘆口水庫(kù)。但考慮到面均雨量50mm長(zhǎng)沙壩水庫(kù)來(lái)水量約300×104m3,為使普通洪水或長(zhǎng)葫區(qū)間洪水不致過(guò)大而增加葫蘆口水庫(kù)的防洪壓力,實(shí)際調(diào)度以預(yù)泄300×104m3以內(nèi)為宜。

綜上所述,在主汛期,長(zhǎng)沙壩水庫(kù)汛限水位為484.15m,葫蘆口水庫(kù)汛限水位為404.00m。在汛末期,長(zhǎng)沙壩水庫(kù)汛限水位為484.15m,葫蘆口水庫(kù)汛限水位為405.50m。主汛期在保持兩庫(kù)總的防洪庫(kù)容不變的前提下(保持兩庫(kù)實(shí)際總蓄水量在9243×104m3以下),長(zhǎng)沙壩水庫(kù)可通過(guò)電站預(yù)泄300×104m3以內(nèi)到葫蘆口水庫(kù),即長(zhǎng)沙壩水庫(kù)主汛期汛限水位為482.80m～484.15m,葫蘆口水庫(kù)主汛期汛限水位相應(yīng)為405.00m～404.00mm。

表4 長(zhǎng)沙壩水庫(kù)預(yù)泄情況葫蘆口水庫(kù)調(diào)洪成果水位單位:m流量單位:m3/s

表5 長(zhǎng)沙壩水庫(kù)預(yù)泄情況葫蘆口水庫(kù)調(diào)洪成果水位單位:m流量單位:m3/s

4 梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合防洪調(diào)度與洪水利用問(wèn)題探討

如上所述,在主汛期保持兩庫(kù)防洪庫(kù)容不變的前提下,長(zhǎng)沙壩水庫(kù)可通過(guò)電站發(fā)電預(yù)泄300×104m3以內(nèi)到葫蘆口水庫(kù),在洪水來(lái)到后,又重新蓄滿。這樣,既有蓄洪滯洪作用,同時(shí)在不影響兩庫(kù)聯(lián)合防洪調(diào)度的情況下,又可增加下游葫蘆口水庫(kù)的發(fā)電量:

式中,η為效率系數(shù),H為發(fā)電水頭(m),Q為預(yù)泄增加的發(fā)電流量(m3/s),t為預(yù)泄時(shí)間(s),W=Qt則為上游水庫(kù)預(yù)泄水量(m3)。

以長(zhǎng)沙壩、葫蘆口水庫(kù)為例,若取η=0.8,長(zhǎng)沙壩一次預(yù)泄水量約300×104m3水量,葫蘆口水庫(kù)可利用洪水多發(fā)電:

以此累推,流域若有多級(jí)水庫(kù)(N級(jí)),其中上游的1、2、3……M級(jí)分別預(yù)泄W1、W2、W3……WM,下游的M+1級(jí)……N級(jí)電站的發(fā)電水頭分別為:HM+1……HN,則下游各梯級(jí)電站利用洪水多發(fā)電:

當(dāng)然,流域梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度和洪水利用是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題,這里僅是一種簡(jiǎn)化的概念性計(jì)算方法,但反映了流域梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度和洪水利用的本質(zhì)。

綜上所述,在不影響梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合防洪調(diào)度的情況下,通過(guò)流域梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合防洪優(yōu)化調(diào)度,采用上游水庫(kù)預(yù)泄的方式,既滿足了梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合防洪的作用,又能充分利用洪水資源增加發(fā)電效益。

5 結(jié)論

5.1 在主汛期保持兩庫(kù)防洪庫(kù)容不變的前提下,長(zhǎng)沙壩水庫(kù)可通過(guò)電站發(fā)電預(yù)泄300×104m3以內(nèi)到葫蘆口水庫(kù),洪水時(shí)重新蓄滿;這樣,既有蓄洪作用,同時(shí)在不影響兩庫(kù)聯(lián)合防洪調(diào)度的情況下,又可增加下游葫蘆口水庫(kù)的發(fā)電效益。

5.2 在滿足流域防洪調(diào)度要求的前提下,通過(guò)流域梯級(jí)聯(lián)合防洪調(diào)度,采用上游梯級(jí)水庫(kù)預(yù)泄的方式,可達(dá)到有效利用洪水資源增加工程效益。

5.3 梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合防洪調(diào)度對(duì)江河防洪具有突出的作用,是減少江河洪水災(zāi)害損失的有效措施之一;而科學(xué)利用洪水資源增加工程效益是流域管理面臨的一項(xiàng)新的重要內(nèi)容,值得進(jìn)一步深入研究。

〔1〕胡 明.考慮預(yù)報(bào)情況下古田溪梯級(jí)水庫(kù)防洪調(diào)度方法研究.水電能源科學(xué),2000,(4).

〔2〕肖 燕.梯級(jí)水庫(kù)防洪調(diào)度功能需求分析.水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè),2009,(4).

〔3〕馬軍建.王春霞,董增川.復(fù)雜防洪體系聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度理論與方法研究進(jìn)展.水力發(fā)電,2005,(3).

〔4〕胡四一.宋德敦,吳永祥,崔信民,鄒 鷹,沈福新,王銀堂,戴 星.長(zhǎng)江防洪決策支持系統(tǒng)總體設(shè)計(jì).水科學(xué)進(jìn)展,1996,(4).

〔5〕程春田.歐春平,王本德.水庫(kù)洪水調(diào)度系統(tǒng)的集成管理,水利學(xué)報(bào),2001,(3).

〔6〕劉卓也,蘆曉峰,魏玉成.水庫(kù)防洪調(diào)度研究,安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2007,(3).

〔7〕郭 方.海河流域洪水資源化利用初析.海河水利,2007.

〔8〕許繼軍,吳道喜,霍軍軍,長(zhǎng)江流域洪水資源利用途徑與措施初步探討.人民長(zhǎng)江,2008,(15). ■