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(長江水利委員會水文局 長江三峽水文水資源勘測局, 湖北 宜昌 443000)
柏臨河為長江左岸的一級支流,發(fā)源于宜昌市夷陵區(qū)別家大山的愈家老屋,干流依次流經(jīng)夷陵區(qū)小溪塔街道、龍泉鎮(zhèn)、伍家崗區(qū)伍家鄉(xiāng)、伍家崗街道和宜昌高新區(qū)生物產(chǎn)業(yè)園。柏臨河干流建有大量攔水壩,部分河段存在堤防欠高的問題,尤其是攔水壩附近河段過水斷面面積明顯不足,此外部分河道淤積明顯減小了河道行洪面積,威脅到河道兩岸居民的生命財產(chǎn)安全,流域水安全問題突出,因此亟需對流域防洪特性進行分析,并采取相應(yīng)的措施。
徐華[1]針對無資料地區(qū)采用推理公式法計算了山洪溝的設(shè)計洪水,并認為該方法計算精度較高。李磊[2]等認為推理公式法對土耳其小流域設(shè)計洪水的計算成果符合當?shù)貙嶋H情況。陶新紅[3]采用推理公式法求得設(shè)計洪水,結(jié)果較為合理。張松達[4]對無資料地區(qū)小流域的洪峰流量進行了推算。柏臨河屬山區(qū)性河流,河道坡降較大,干流建有3個水位站和1個水文站,但水文資料系列較短,無法通過實測資料進行設(shè)計洪水計算,本文擬采用推理公式法計算設(shè)計洪水。
采用一維水動力數(shù)學(xué)模型計算柏臨河干流水面線。吳樹煌[5]等提出了工程設(shè)計中天然河道水面線計算的方法及建議。陳瑞方[6]分析了傳統(tǒng)恒定流推算方法與非恒定流數(shù)學(xué)模型計算方法的差異。方神光[7]等基于一維數(shù)學(xué)模型對西江干流黔江段防洪特性進行了分析。何書會[8]等對天然河道洪水水面線推算中的技術(shù)問題及處理方法進行了研究。柏臨河干流上下游建有較多攔水壩,河道遭到連續(xù)性破壞,圣維南方程組的適用性受到限制,因此,計算過程中,在攔水壩處對河道進行分段處理,并采用堰流公式對壩址處水位進行控制,自下而上逐一計算沿程水面線。
河道最小生態(tài)需水量即維護河道基本生態(tài)功能以及維持河道內(nèi)水生生物生存所需的水量[9]。國外對河道內(nèi)生態(tài)需水量的研究起步較早,M.Falkenmark[10]等提出了“綠水”的概念,即同時滿足人類生存發(fā)展和河流生態(tài)所需的水量。P.D.Raskin[11]認為足夠的水量是維持河流、湖泊及濕地生態(tài)的前提。國內(nèi)關(guān)于生態(tài)需水量的研究始于20世紀70年代,湯奇成[12]首次提出了生態(tài)環(huán)境用水的概念,認為保護綠洲生態(tài)環(huán)境的用水即為生態(tài)環(huán)境用水。王芳[13]等探討了生態(tài)需水量的概念,指出生態(tài)需水量是用來恢復(fù)和保持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定、保證河流生態(tài)環(huán)境所需的水量。生態(tài)需水量的計算方法一般有水文學(xué)法和水力學(xué)法。水文學(xué)法包括Tennant法、Texas法、逐月頻率計算法;水力學(xué)法包括濕周法和R2-Cross法,此外還有生境模擬法和綜合法??紤]到其他方法要求較高,結(jié)合柏臨河流域的實際情況,本文擬采用Tennant法和濕周法計算流域生態(tài)需水量。
柏臨河發(fā)源于宜昌市夷陵區(qū)別家大山,在宋家咀以上分東西兩支,在宋家咀匯合后,經(jīng)龍泉鎮(zhèn)、水府廟、土門,在宜昌市城區(qū)東郊臨江溪匯入長江。流域呈扇形,主要支流從上至下依次有楊樹河、土門河、后河和花艷沖,楊樹河于水府廟匯入柏臨河干流,匯合口以上的柏臨河干流習(xí)慣稱龍泉河,土門河和后河均于徐家畈匯入柏臨河,花艷沖于張家坪匯入柏臨河干流。流域面積為478 km2,柏臨河主河道長54.3 km,河床平均坡降為5.5‰,河道坡降較大,屬山區(qū)性河流。柏臨河流域干支流分別建有稻花香(龍泉)水位站,水府廟水位站,臨江溪水位站、鳴鳳河(魏家畈)水文站和支流后河上的新場水位站,共4個水位站和1個水文站。流域水系及水文站點分布見圖1。
圖1 柏臨河流域水系及水文站點分布
柏臨河流域水位觀測始于2012年,水文資料系列不足7 a。鳴鳳河水文站于2016年設(shè)立,是流域內(nèi)唯一的水文站點,實測資料系列較短,無法根據(jù)實測資料進行設(shè)計洪水計算,故該流域?qū)倩緹o水文資料地區(qū)。各站觀測情況統(tǒng)計見表1。
表1 柏臨河干流水文站網(wǎng)及水文項目觀測情況統(tǒng)計
3.1.1 推理公式法
柏臨河流域位于湖北省水文氣象分區(qū)第Ⅷ區(qū),設(shè)計洪水計算采用湖北省暴雨統(tǒng)計參數(shù)圖集中的推理法公式法計算[14]?;谒圃和评砉椒?,根據(jù)新編的暴雨參數(shù)和設(shè)計暴雨特點,結(jié)合具體情況進行了改進,計算公式為
(1)
(2)
式中,K1、K2、K3、K4為暴雨遞減指數(shù)n的函數(shù),已制成表格供計算時查用;θ=L/J1/3,L為河流長度,km;J為河道比降,‰;S為雨力,mm;F為流域面積,km2;u為產(chǎn)流期平均損失率,mm/h;m為匯流參數(shù),按流域所在分區(qū)并結(jié)合H24點的值選用相應(yīng)公式計算。
3.1.2 一維數(shù)學(xué)模型
一維數(shù)學(xué)模型根據(jù)圣維南方程組計算沿程水面線,采用簡化的四點隱式格式對圣維南方程組進行離散,將離散結(jié)果代入到連續(xù)性方程與動量方程中,再通過迭代求解Q和Z。編號j和j+1相鄰兩斷面的水位流量關(guān)系為
(3)
(4)
式中,Q為流量,m3/s;Z為水位,m;Cj、Dj、Ej、Fj、Gj、Фj需要內(nèi)部迭代求解。
模型上邊界采用流量進行控制,下邊界采用水位進行控制;柏臨河支流楊樹河、土門河、后河和花艷沖以支流入?yún)R的形式參與水面線計算。
3.1.3 堰流公式控制攔水壩處水位
柏臨河干流分布的攔水壩堰坎厚度較小,δ/H也較小,無側(cè)收縮,可按薄壁堰處理,薄壁堰堰流公式為
(5)
式中,Q為流量,m3/s;mo為堰流流量指數(shù),與堰的進口尺寸和δ/H有關(guān);b為堰寬,m;H為堰上水頭,m 。根據(jù)斷面流量、堰的尺寸和高程,通過式(5)可推算攔水壩處水位。
3.2.1 推理公式的可靠性
采用推理公式法分別計算柏臨河流域干支流不同頻率設(shè)計洪水,將計算成果與《湖北省宜昌市城區(qū)防洪規(guī)劃(北部區(qū)域)》進行對比,見表2。
表2 柏臨河流域設(shè)計洪水計算成果與宜昌市防洪規(guī)劃計算成果比較
由表2分析可知,推理公式法計算值與防洪規(guī)劃值差值較小,相對誤差小于2%,在允許范圍內(nèi),計算成果可靠。從工程安全角度考慮,在水面線計算時各斷面不同頻率設(shè)計洪水取兩種計算成果中的較大值。
3.2.2 一維水動力學(xué)模型糙率取值
柏臨河屬無資料地區(qū),無法通過實測資料進行糙率率定?;萦黾椎萚15]對奉節(jié)至香溪河段糙率系數(shù)進行了計算與分析。田景環(huán)等[16]對天然一維河道一維數(shù)模中綜合糙率的確定方法進行了研究,提出了天然河道一維水力計算時糙率系數(shù)的確定方法,并通過實驗對該方法進行了驗證,認為該方法對缺乏實測資料地區(qū)同樣適用。朱馬別克·努爾合買提[17]對西北山區(qū)天然河道糙率系數(shù)進行了分析,指出反演算法在近似確定糙率的過程中準確度較高。綜上,本文柏臨河干流糙率n取值為 0.032。
根據(jù)表2的設(shè)計洪水成果,分別計算了不同方案干支流的來水量。各方案計算條件見表3。
表3 不同計算方案邊界條件
三峽工程建成后,依據(jù)三峽水庫防洪調(diào)度方案,100 a一遇及其以下洪水,枝城流量控制在56 700 m3/s,宜昌至枝城河段按56 700m3/s的流量設(shè)防。《湖北省宜昌市城區(qū)防洪規(guī)劃(北部區(qū)域)》給出了56 700m3/s流量下宜昌段各斷面設(shè)計洪水位,本文直接引用柏臨河設(shè)計洪水位為50.63 m。
分別計算得到柏臨河干流P=10%、P=5%、P=2%的沿程水面線,根據(jù)宜昌市城區(qū)防洪規(guī)劃要求,龍泉古鎮(zhèn)稻花香廠區(qū)至后河入河口防洪標準為20 a一遇,后河入河口至臨江溪入江口防洪標準為50 a一遇,而龍泉古鎮(zhèn)上游主要為人口較少的農(nóng)村地區(qū),防洪標準較低,可按10 a一遇考慮。各河段根據(jù)其不同的防洪標準,得到羅家畈至臨江溪沿程防洪水面線,見圖2。
圖2 柏臨河干流沿程防洪水面線
參照GB 50286-2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》[18],對于10 a一遇、20 a一遇洪水和50 a一遇洪水,對應(yīng)的安全超高分別為0.7 ,0.8 m和0.9 m。結(jié)合計算的柏臨河干流沿程水面線,得到柏臨河羅家畈至臨江溪設(shè)計堤頂高程,再根據(jù)沿程現(xiàn)狀堤頂高程,分析柏臨河干流防洪現(xiàn)狀。柏臨河干流沿程設(shè)計堤頂高程與現(xiàn)狀堤頂高程見圖3。
圖3 柏臨河干流沿程設(shè)計堤頂高程與現(xiàn)狀堤頂高程
分析羅家畈至臨江溪設(shè)計堤頂高程與現(xiàn)狀堤頂高程的關(guān)系可知,河段上游雷家畈攔水壩、宋家咀攔水壩處堤防欠高明顯,欠高達到1.4 m和2.3 m,其他河段堤防能滿足防洪要求。河段中游龍泉古鎮(zhèn)建有關(guān)公坊酒廠攔水壩、稻花香賓館攔水壩、龍泉古鎮(zhèn)攔水壩和151攔水壩,攔水壩附近河段堤防欠高分別為0.7,0.5,0.8 m和0.8 m。下游河段堤防高程基本能滿足防洪要求。
考慮到攔水壩上游一般建有取用水設(shè)施,為兩岸居民提供生產(chǎn)、生活用水,因此攔水壩改造過程中以拆壩、降低壩頂高程為主,結(jié)合河道疏浚,新建堤防護岸,保證河道行洪安全。
表5 柏臨河流域最小生態(tài)需水量計算成果
Tennant法也稱蒙大拿法,該方法以預(yù)先確定的多年平均流量百分數(shù)為基礎(chǔ),將保護水生態(tài)和水環(huán)境的河流流量推薦值分為最大允許極限值、最佳范圍值、極好狀態(tài)值、很好狀態(tài)值、良好狀態(tài)值、一般或較差狀態(tài)值、差或最小狀態(tài)值和極差狀態(tài)值等1個高限標準、1個最佳范圍標準和6個低限標準。水生生物對環(huán)境的季節(jié)性要求不同,4~9月為魚類產(chǎn)卵育肥期,10月至翌年3月為一般用水期?;谠摲椒ń⒘怂?、河流景觀、娛樂和河流流量之間的關(guān)系標準,見表4。濕周法主要是通過確定濕周-流量關(guān)系,結(jié)合實測流量和河道參數(shù),從而得到相應(yīng)濕周-流量數(shù)據(jù)。
表4 保護魚類、野生動物、娛樂和相關(guān)環(huán)境資源的河流流量狀況
注:*表示多年平均流量百分數(shù)%。
對于柏臨河流域生態(tài)需水量計算,Tennant法確定的年內(nèi)較枯時段、較豐時段生態(tài)需水量分別采用多年平均天然流量的20%和40%。濕周法采用冪函數(shù)來擬合濕周-流量關(guān)系,對“V”型斷面和“U”型斷面效果較好,各方法計算的生態(tài)需水量成果見表5。
計算表明,Tennant法和濕周法計算的最小生態(tài)需水量相差不大。對Tennant法計算的成果進行分析,柏臨河上段(龍泉河)最小生態(tài)需水量為0.641億m3,柏臨河下段最小生態(tài)需水量為1.716億m3;楊樹河段最小生態(tài)需水量為0.442億m3;土門河最小生態(tài)需水量為0.129億m3;后河河段最小生態(tài)需水量為0.367億m3;花艷沖最小生態(tài)需水量為0.032億m3。
經(jīng)計算得到95%保證率條件下柏林河干支流來用水(見表6)。具體情況如下:①柏臨河上段在保證率為95%條件下多年平均來水量為0.922億m3,多年平均用水量為0.219億m3,剩余水量約0.438億m3。②柏臨河上段最小生態(tài)需水量為0.641億m3,缺水量約0.203億m3,表明柏臨河上段在保證率為95%條件下水資源量不能滿足河道最小生態(tài)用水的要求。③柏臨河下段在保證率為95%條件下多年平均來水量為6.628億m3,多年平均用水量為3.835億m3,剩余水量約 2.793億m3。④柏臨河干流下段最小生態(tài)需水量為1.716億m3,約占剩余水量的61.4%,表明柏臨河干流下段在保證率為95%條件下多年平均水資源量基本能滿足河道最小生態(tài)用水的要求。
同理,支流楊樹河、土門河、后河和花艷沖在95%保證率條件下來用水量情況見表6。
上述分析表明,在保證率95%來水條件下,除柏臨河下段、楊樹河外,柏臨河干流上段、土門河、后河和花艷沖均不能滿足河道最小生態(tài)需水量的要求,需對其進行生態(tài)補水。
(1)龍泉河補水方案。生態(tài)補水缺口最大的是龍泉河,其最小生態(tài)需水量0.641億m3,缺水量為0.203億m3,約占流域生態(tài)缺水總量的80.6%,故流域生態(tài)用水的主要供需矛盾在龍泉河。楊樹河在保證率95%來水條件下,河道剩余水量約1.414億m3,最小態(tài)需水量為0.442億m3,仍有0.972億m3水量富余,可考慮將其水資源量一部分引入鄰近的柏臨河上段(龍泉河)。
表6 95%保證率條件下柏臨河干支流來用水量情況 億m3
(2)土門河、花艷沖的補水方案?;ㄆG沖、土門河等河流水資源量較為匱乏,但生態(tài)補水總量不大,僅0.016億m3。在優(yōu)先滿足城鎮(zhèn)生產(chǎn)生活用水、灌溉用水的前提下,應(yīng)充分利用東風(fēng)干、支渠的連通作用,適時向周家嘴、花艷沖水庫補水。保證周家嘴、花艷沖水庫有足夠的下泄流量,以滿足下游河道的生態(tài)用水需求。
(3)后河河段的補水方案。在正常年份,后河河段河道水資源量基本可以滿足河道最小生態(tài)需水量需求。但在保證率95%來水條件下,河道最小生態(tài)需水量仍缺0.023億m3,約占最小生態(tài)需水量的6.3%。后河流域水庫眾多,水庫儲水能力也較強,只要統(tǒng)籌規(guī)劃,充分發(fā)揮后河流域水庫群的綜合調(diào)節(jié)作用,合理安排各水庫的下泄流量,后河河道的生態(tài)用水要求亦可得到滿足。
(1)采用推理公式法計算柏臨河流域設(shè)計洪水,計算值與《湖北省宜昌市城區(qū)防洪規(guī)劃(北部區(qū)域)》成果相對誤差在2%以內(nèi),計算成果可靠。
(2)柏臨河干流存在多座攔水壩,破壞了河道的縱向連續(xù)性,在攔水壩處采用堰流公式推算壩址處水位,分段從下游至上游推算沿程水面線,計算結(jié)果滿足精度要求。
(3)根據(jù)計算的柏臨河干流P=10%、P=5%和P=2%沿程水面線,得到了沿程設(shè)計堤頂高程。結(jié)合現(xiàn)狀堤頂高程分析了柏臨河干流防洪特性,結(jié)果表明:柏臨河上游的雷家畈攔水壩、宋家咀攔水壩處堤防欠高明顯,龍泉古鎮(zhèn)的關(guān)公坊酒廠攔水壩、稻花香賓館攔水壩、龍泉古鎮(zhèn)攔水壩和151攔水壩堤防高程欠高,其他河段基本能滿足防洪要求。對于堤防欠高的幾座攔水壩,建議將其改造為翻板壩,保證行洪安全。
(4)分別計算了柏臨河干支流最小生態(tài)需水量,并對流域生態(tài)需水量進行了評估,計算表明在保證率95%來水條件下,除柏臨河下段、楊樹河能滿足河道最小生態(tài)需水量外,其他河段不能滿足河道最小生態(tài)需水量的要求。