樂昌峽水利樞紐中小洪水調(diào)度研究

鄧彩瓊 ，操建峰

(1.廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣州 510635；2.廣東粵源工程咨詢有限公司，廣州 510635)

1 基本情況

1.1 工程概況

樂昌峽水利樞紐位于韶關(guān)樂昌市境內(nèi)、北江支流武江樂昌峽河段塘角火車站附近，下距樂昌市約14 km，韶關(guān)市81.4 km，壩址以上集水面積為4 988 km2。大壩設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，設(shè)計洪水位為162.2 m；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1 000年一遇，校核洪水位為163 m。正常蓄水位為154.5 m，死水位為141.5 m，防洪限制水位為144.5 m，總庫容為3.438 6億m3，興利庫容為1.037億m3，防洪庫容為2.113億m3[1]。

1.2 防洪工程體系及防洪標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《珠江流域防洪規(guī)劃》(2007年)[2]和《廣東省北江流域綜合規(guī)劃》(2010)[3]解決韶關(guān)市的防洪方案是采取武江樂昌峽水庫和湞江灣頭水庫與堤防結(jié)合的防洪體系。以庫為主，庫堤結(jié)合的防洪體系。樂昌縣城堤防工程按10年一遇設(shè)計，樂昌峽水庫與堤防工程相結(jié)合，使樂昌縣城的防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到50年一遇；韶關(guān)市區(qū)堤防按20年一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，通過樂昌峽水庫與湞江上的灣頭水庫和堤防工程聯(lián)合運行，使韶關(guān)市區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到100年一遇[2]。

1.3 防洪體系建設(shè)現(xiàn)狀及防洪能力

韶關(guān)市市區(qū)防洪工程分三期建設(shè)。其中小島、西河、韶南堤圍屬于第一期工程，已于2004年底建設(shè)完成，其中小島段堤防堤頂高程最低，最低為55.19 m，該水位時洪水流量為7 900 m3/s，相當(dāng)于10年一遇洪水。韶關(guān)市區(qū)二期防洪工程位于市區(qū)西聯(lián)的北江河段及東河的湞江河段范圍內(nèi)，河堤總長度為26.25 km，堤防按20年一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，但未完全達(dá)標(biāo)。

樂昌市城區(qū)堤防達(dá)標(biāo)加固分成一期、二期和三期，一期和三期堤防已完成達(dá)標(biāo)加固，二期堤防由于各種原因無法進(jìn)行達(dá)標(biāo)加固，目前該段堤防河道安全泄量為2 690 m3/s，相當(dāng)于5年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)。

2 北江上游洪水特性分析

2.1 暴雨特性

武江流域位于南嶺南麓，主要分布在樂昌以上武江的北邊，屬東亞季風(fēng)氣候區(qū)，所處地理位置及地形條件有利于暴雨形成。

我省暴雨分為前汛期暴雨和后汛期暴雨。一般認(rèn)為粵北地區(qū)受暴雨影響都以前汛期暴雨為主，而后汛期暴雨較少對粵北地區(qū)造成影響。事實上粵北地區(qū)在后汛期不僅受到我省登陸的臺風(fēng)影響，同時還會受到從福建沿海登陸后西行的臺風(fēng)影響。因此，粵北地區(qū)在后汛期同樣可能產(chǎn)生暴雨，甚至產(chǎn)生災(zāi)難性的暴雨。

2.2 洪水特性[4]

根據(jù)對歷年最大洪峰出現(xiàn)時間進(jìn)行的統(tǒng)計，出現(xiàn)次數(shù)最多的是5、6月，其次是4、7月，前汛期4—6月出現(xiàn)最大洪峰的次數(shù)占了73%。雖然7—9月洪峰出現(xiàn)次數(shù)較少，但根據(jù)歷史洪水調(diào)查資料，本流域1853年和1915年兩場特大洪水都發(fā)生在7月份，根據(jù)武江實測資料“2002.8.6”和“2006.7”大洪水是出現(xiàn)在7月。

2.3 中小洪水特性[5]

根據(jù)1958—2018年61 a的坪石站洪水資料分析，坪石站超2年一遇洪水(洪峰流量1 428 m3/s)有 32 a，占52.5%，場次有65場，年均1.07次，最多一年有4次。超5年一遇洪水(洪峰流量2 030 m3/s)有10 a，占所有已發(fā)生洪水的16.4%，超10年一遇洪水(洪峰流量2 490 m3/s)的占11.5%；超20年一遇洪水(洪峰流量2 940 m3/s)的洪水占8.2%。

根據(jù)1955—2018年64 a的犁市站洪水資料分析，犁市站超2年一遇洪水(洪峰流量2 120 m3/s)有 38 a，占59.4%，場次有66場，年均1.03次，最多一年有5次。超5年一遇洪水(洪峰流量3 320 m3/s)有11 a，占所有已發(fā)生洪水的17.2%，超10年一遇洪水(洪峰流量4 160 m3/s)的占10.9%；超20年一遇洪水(洪峰流量4 970 m3/s)的洪水占7.8%。

樂昌峽水利樞紐從事水庫調(diào)度后共進(jìn)行了14場洪水的調(diào)度，其中洪峰流量在2 600 m3/s以上的洪水4場，占洪水總場次的28.6%；洪峰流量在3 220 m3/s以上洪水2場，占洪水總場次的14.2%。結(jié)合歷史及建庫以來實測洪水資料分析，水庫以洪峰流量小于等于3 820 m3/s的洪水作為中小洪水的判定標(biāo)準(zhǔn)。

3 調(diào)度方案

3.1 調(diào)度任務(wù)

樂昌峽水利樞紐中小洪水調(diào)度方案的調(diào)度任務(wù)是：在樂昌市堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)還未達(dá)到10年一遇、韶關(guān)市堤防的防洪標(biāo)準(zhǔn)還未達(dá)到20年一遇的情況下，為了保證樂昌市遭遇20年一遇以下洪水時不受淹，研究樂昌峽水利樞紐遭遇中小洪水時的調(diào)度方案，充分發(fā)揮樂昌峽水利樞紐的防洪效益。

3.2 安全泄量[6]

3.2.1樂昌河道安全泄量

樂昌市堤防達(dá)標(biāo)加固分為一期、二期及三期，一期和三期堤防已完成達(dá)標(biāo)加固，二期堤防由于各種原因無法進(jìn)行達(dá)標(biāo)加固，根據(jù)《樂昌市區(qū)防洪能力水文分析與計算報告》，樂昌市城區(qū)堤防河道安全泄量為 2 690 m3/s，相當(dāng)于5年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)。

樂昌市警戒水位為87.2 m。統(tǒng)計1951—2018年68 a洪水資料，超過警戒水位年份有49 a，占72%。

3.2.2韶關(guān)河道安全泄量

根據(jù)《韶關(guān)市防洪排澇規(guī)劃》，堤圍防御標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，韶關(guān)市一期堤圍已按20年一遇的洪峰流量標(biāo)準(zhǔn)興建。發(fā)生“06.7”洪水后，經(jīng)對洪水系列進(jìn)行復(fù)核后，重新確定20年一遇洪峰流量為8 900 m3/s，該成果已通過審查批復(fù)，比一期原設(shè)計堤防工程采用20年的洪峰流量8 700 m3/s水位提高了0.20 m。

目前韶關(guān)市二期堤圍已按20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，與其對應(yīng)的洪峰流量為8 900 m3/s。

現(xiàn)在市區(qū)堤防防洪能力達(dá)不到20年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)調(diào)查資料，當(dāng)韶關(guān)(二)水位站水位達(dá)到54.5 m，流量達(dá)到7 300 m3/s左右時，市區(qū)二中和武江市場附近河堤開始漫堤。

3.3 原兩庫聯(lián)合調(diào)度成果復(fù)核

3.3.1兩庫洪水調(diào)度原則

根據(jù)廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院編制的《廣東省樂昌峽水利樞紐工程初步設(shè)計報告》[1]和《廣東省仁化縣灣頭水利樞紐工程初步設(shè)計報告》[7]，為了充分發(fā)揮樂昌峽水庫的調(diào)節(jié)作用和充分利用灣頭水庫的防洪庫容，滿足下游樂昌、韶關(guān)兩市防洪區(qū)的防洪要求，兩庫聯(lián)合調(diào)洪，灣頭水庫采用湊泄的方式，樂昌峽水庫采用分段控泄方式。樂昌峽、灣頭水庫建好后兩庫調(diào)度原則如下：

1) 樂昌峽水庫

洪水期樂昌峽水庫調(diào)度原則如下：

① 當(dāng)樂昌峽來水小于3 190 m3/s；樂昌峽水庫按天然來量泄放。

② 當(dāng)樂昌峽來水大于3 190 m3/s且灣頭來水流量小于5 800 m3/s時：

a.當(dāng)樂昌峽來水大于3 190 m3/s且樂昌峽水庫水位小于148.33 m；水庫按3 190 m3/s泄放。

b.當(dāng)樂昌峽來水大于3 190 m3/s且樂昌峽水庫水位大于148.33 m小于158 m；水庫按2 200 m3/s泄放。

c.當(dāng)樂昌峽來水大于3 190 m3/s且樂昌峽水庫水位大于158 m小于162.2 m；水庫按3 000 m3/s泄放。

d.當(dāng)水庫水位超過防洪高水位162.2 m后，考慮水庫安全，按不大于天然來量泄放，以免加重下游防洪負(fù)擔(dān)。

③ 當(dāng)灣頭來水流量大于5 800 m3/s時，樂昌峽水庫放機組滿發(fā)流量，當(dāng)樂昌峽水庫水位超過162.0 m時，考慮水庫安全，按不大于天然來量泄放，以免加重下游防洪負(fù)擔(dān)。

樂昌峽水庫10月初開始回蓄至正常蓄水位154.5 m，直至供水期末(3月底)水庫水位回落至死水位141.5 m。

當(dāng)樂昌峽水庫汛后水位回蓄正常蓄水154.5 m，若遇到10月份出現(xiàn)大洪水時，為保證下游安全，可結(jié)合北江流域水情自動預(yù)報系統(tǒng)提供的實時雨情、水情預(yù)報為依據(jù)，事先按樂昌允許的安全泄量騰空部分庫容，以迎接大洪水的到來。

2) 灣頭水庫

洪水期灣頭水庫調(diào)度原則如下：

① 灣頭水庫視犁市實測流量加上區(qū)間預(yù)報洪水湊泄，滿足韶關(guān)市安全泄量的要求。

② 當(dāng)灣頭水庫水位超過防洪高水位70.85 m時按來多少泄多少。

③ 退水段，在滿足韶關(guān)安全泄量的前提下加大泄量，騰出庫容。

3.3.2兩庫現(xiàn)狀調(diào)洪成果復(fù)核

現(xiàn)狀由于韶關(guān)市城區(qū)堤防沒達(dá)到原來設(shè)計的20年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)狀堤防的安全泄量為7 300 m3/s，堤防達(dá)不到10年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)(10年一遇的洪峰流量為7 800 m3/s)，由于樂昌峽水利樞紐和灣頭水利樞紐已經(jīng)建成，樂昌峽水利樞紐的防洪庫容為2.113億m3，灣頭水利樞紐的防洪庫容為7 695萬m3，本次按照原來調(diào)度原則根據(jù)韶關(guān)市城區(qū)現(xiàn)狀堤防安全泄量重新復(fù)核樂昌峽水庫和灣頭庫聯(lián)合調(diào)度的調(diào)洪成果。

1) 同頻率法[8]

根據(jù)同頻率法選取“1994.6”，“2006.7”[9]及“1976.6” 三場洪水作為典型洪水進(jìn)行調(diào)洪計算，按照原來兩庫聯(lián)合調(diào)度原則，當(dāng)樂昌峽水庫水位超162.2 m時，水庫按來多少泄多少的原則(調(diào)洪成果見表1)。由于水庫遭遇50年一遇洪水時，如果按照韶關(guān)的安全泄量7 300 m3/s來控制，水庫水位就超過162.2 m，若將韶關(guān)50年一遇洪水降到現(xiàn)狀韶關(guān)堤防安全泄量7 300 m3/s，遭遇“1994.6”年型洪水時水庫水位將達(dá)到162.9 m，遭遇 “2006.7”年型洪水時，水庫水位將達(dá)到162.8 m。當(dāng)水庫遭遇100年一遇洪水時，如果要把韶關(guān)百年一遇洪水降到接近10年一遇的洪水，水庫水位超過167 m。

表1 同頻率法實際調(diào)洪成果 m3/s

2) 典型年法[8]

典型年法選取了1994年6月、2006年7月、2002年8月、1968年6月、1993年5月、1976年6月、2002年10月、1998年3月共8場洪水進(jìn)行分析計算(成果見表2)。

表2 典型年法實際調(diào)洪成果 m3/s

3.3.3兩庫現(xiàn)狀調(diào)洪成果復(fù)核分析

根據(jù)韶關(guān)市的經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r、城市規(guī)模及其重要程度按照國家標(biāo)準(zhǔn)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》[10]及國家頒布的《城市防洪工程設(shè)計規(guī)范》[11]的規(guī)定，以及廣東省對市縣級防洪減災(zāi)的要求，韶關(guān)作為重要的中等城市，防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)達(dá)到100年一遇。從以上計算成果可知，現(xiàn)狀韶關(guān)堤防安全泄量為7 300 m3/s時，不到10年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)，樂昌峽水庫只能將韶關(guān)接近50年一遇的洪水降到7 300 m3/s，即經(jīng)過水庫調(diào)節(jié)后，現(xiàn)狀韶關(guān)市城市的防洪標(biāo)準(zhǔn)接近50年一遇。樂昌峽水庫和灣頭水庫聯(lián)合調(diào)度無法將韶關(guān)100年一遇的洪水降到不到10年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)水庫遭遇百年一遇的洪水時，在入庫流量為中小洪水時，水庫為了保證韶關(guān)市的防洪安全，水庫的防洪庫容在入庫洪峰流量未達(dá)到之前就已用盡，當(dāng)入庫流量繼續(xù)增加時，這時為了樞紐的安全，水庫只能按來多少泄多少的原則進(jìn)行泄放。

3.4 樂昌峽水利樞紐中小洪水調(diào)度方案[12]

3.4.1中小洪水調(diào)度原則

根據(jù)北江中上游中小洪水特性，結(jié)合樂昌市及韶關(guān)市區(qū)堤防實際情況，擬定樂昌峽水利樞紐中小洪水調(diào)度原則：

1) 在20年一遇以下洪水時，確保樂昌市城區(qū)的防洪安全。

2) 當(dāng)發(fā)生設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(20年一遇)以上洪水時，與灣頭水庫聯(lián)合調(diào)度，保障韶關(guān)市的防洪安全，超過水庫水位162.2 m時為了保證大壩安全，按來多少泄多少的原則。

3) 當(dāng)發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水時，合理調(diào)度洪水，確保重點，兼顧一般，盡最大可能減輕災(zāi)害損失。

4) 在確保工程安全的前提下，充分發(fā)揮樂昌峽水庫攔洪錯峰作用。

3.4.2中小洪水調(diào)度方案

按上述中小洪水調(diào)度原則，擬定樂昌峽水利樞紐中小洪水調(diào)度方案如下。

漲水階段：

1) 當(dāng)預(yù)報入庫流量小于或等于2 200 m3/s時，控制出庫流量小于等于入庫洪峰流量；

2) 當(dāng)預(yù)報入庫流量小于或等于2 600 m3/s且大于2 200 m3/s時，與灣頭水庫湊泄，控制出庫流量不大于2 200 m3/s運行；

3)當(dāng)預(yù)報入庫流量小于或等于3 220 m3/s且大于2 600 m3/s

① 當(dāng)水庫水位低于或等于防洪高水位148.33 m時，與小區(qū)間湊泄，逐步加大出庫流量，控制總出庫流量不小于2 200 m3/s。

② 當(dāng)水庫水位超過防洪高水位148.33 m時，水庫按不大于2 600 m3/s與小區(qū)間湊泄(樂昌(二)過流不大于2 690 m3/s)，水庫水位控制在152 m以下運行。

當(dāng)湞江灣頭水庫遭遇大洪水時，與灣頭水庫湊泄。

4) 當(dāng)入庫流量小于或等于3 820 m3/s大于3 220 m3/s時，控制總出庫流量不大于2 600 m3/s與灣頭水庫湊泄，控制水位在157 m以下運行。

5) 當(dāng)入庫流量大于3 820 m3/s時，與灣頭水庫湊泄，當(dāng)水庫水位超過162.2 m時，按來多少泄多少泄放。

退水階段：

在不影響上、下游防洪安全的前提下，按總出庫流量不超過漲水段最大出庫流量的原則，逐步調(diào)整下泄流量，汛期使水庫水位盡快降至144.5 m，然后水庫水位按144.5 m控制運行，非汛期降至154.5 m或以下運行。

樂昌峽中小洪水調(diào)度方案具體見表3。

表3 樂昌峽水利樞紐中小洪水調(diào)度方案

3.4.3調(diào)洪計算成果

本次選取了1994年6月、2006年7月、2002年8月、1968年6月、1993年5月、1976年6月、2002年8月、2002年10月、1998年3月，2016年3月，2019年6月共10場洪水進(jìn)行分析計算，樂昌峽水利樞紐中小洪水時按照上述中小洪水調(diào)度原則，中小洪水時確保樂昌城區(qū)安全，大洪水時采用兩庫聯(lián)合調(diào)度原則。分別按同頻率法和典型年法[5]放大的洪水過程線及實際發(fā)生的洪水過程進(jìn)行調(diào)洪，計算了中小洪水調(diào)洪成果，并復(fù)核了在中小洪水調(diào)度方案情況下來大洪水時的調(diào)洪成果，具體見表4～表6。

表4 同頻率法調(diào)洪計算成果 m

表5 典型年法調(diào)洪計算成果

表6 實際洪水過程調(diào)洪計算成果

3.4.4中小洪水調(diào)度成果分析

根據(jù)上述中小洪水調(diào)度原則將同頻率法和典型年法(見表3 ～表4)放大的洪水過程線及實際發(fā)生的洪水過程線進(jìn)行調(diào)洪計算的成果，與現(xiàn)狀韶關(guān)7 300 m3/s的安全泄量情況下按原調(diào)度原則調(diào)洪成果(見表1～表2)進(jìn)行對比可知，為了保證現(xiàn)狀樂昌市在20年一遇以下城區(qū)的防洪安全，且在韶關(guān)市城區(qū)堤防的防洪標(biāo)準(zhǔn)不到10年一遇的情況下，按照新的調(diào)度原則進(jìn)行調(diào)度后，當(dāng)遭遇甲種洪水時，樂昌峽水庫20年一遇的洪水位比現(xiàn)狀韶關(guān)河道安全泄量為7 300 m3/s情況下20年一遇洪水位高2 m左右，當(dāng)發(fā)生同等標(biāo)準(zhǔn)洪水時，水庫現(xiàn)有的調(diào)度方式會占用原有的同等洪水標(biāo)準(zhǔn)以上的防洪庫容，因此為了確保來更大洪水時韶關(guān)市的防洪安全，超過20年一遇洪水時需加大水庫安全泄量與灣頭水庫湊泄，不能按原來水庫調(diào)度原則(即水位超過148.33 m小于158 m時，水庫按2 200 m3/s泄放)進(jìn)行泄放。

4 結(jié)語

1) 本中小洪水調(diào)度方案是在樂昌市城區(qū)堤防未達(dá)到10年一遇，韶關(guān)市城區(qū)堤防未達(dá)到20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)時的調(diào)度方案，若以后條件成熟了，樂昌市及韶關(guān)市城區(qū)堤防達(dá)標(biāo)后還是按原來設(shè)計的兩庫聯(lián)合調(diào)度方案進(jìn)行調(diào)度。

2) 為了保證現(xiàn)狀樂昌市在20年一遇以下城區(qū)的防洪安全，且在韶關(guān)市城區(qū)堤防的防洪標(biāo)準(zhǔn)不到10年一遇的情況下，按照新的調(diào)度原則進(jìn)行調(diào)度后，當(dāng)遭遇甲種洪水時，樂昌峽水庫20年一遇的洪水位比現(xiàn)狀韶關(guān)河道安全泄量為7 300 m3/s情況下20年一遇洪水位高2 m左右，當(dāng)發(fā)生同等標(biāo)準(zhǔn)洪水時，水庫現(xiàn)有的調(diào)度方式會占用原有的同等洪水標(biāo)準(zhǔn)以上的防洪庫容。

3) 為了確保來更大洪水時韶關(guān)市的防洪安全，超過20年一遇洪水時需加大水庫安全泄量與灣頭水庫湊泄，不能按原來水庫調(diào)度原則(即水位超過148.33 m小于158 m時，水庫按2 200 m3/s泄放)進(jìn)行泄放。