地下水庫(kù)汛期調(diào)度運(yùn)用及管理實(shí)例研究

孫 晨，李城涵

(1.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，山東 濟(jì)南 250013；2.山東水文水環(huán)境科技有限公司，山東 濟(jì)南 250014)

乳山河地下水庫(kù)位于乳山河流域下游，不僅可以緩解乳山市水資源緊缺狀況，滿(mǎn)足該區(qū)今后社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源的需求，提高水資源的利用效率，而且能防止海水入侵、水質(zhì)等問(wèn)題進(jìn)一步惡化。地下水庫(kù)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益顯著。地下水庫(kù)汛期調(diào)度根據(jù)各橡膠壩的位置、工程特性、汛期來(lái)水、塌壩流量，有計(jì)劃地進(jìn)行塌壩，滿(mǎn)足地下水庫(kù)的防洪安全[1]。

1 工程概況

乳山河地下水庫(kù)位于乳山河干流與支流司馬莊河上，分為上級(jí)庫(kù)工程與下級(jí)庫(kù)工程。上級(jí)庫(kù)工程包括上級(jí)庫(kù)地下截滲墻、于家莊橡膠壩工程；下級(jí)庫(kù)工程包括下級(jí)庫(kù)地下截滲墻、乳山寨橡膠壩、鳳臺(tái)頂橡膠壩等。其中乳山寨橡膠壩左岸設(shè)調(diào)節(jié)閘1處。

乳山市乳山河地下水庫(kù)上下級(jí)庫(kù)總庫(kù)容共2 197萬(wàn)m3，于2018年9月完成竣工驗(yàn)收，工程洪水標(biāo)準(zhǔn)按20 a一遇設(shè)計(jì)，50 a一遇校核。乳山河地下水庫(kù)的3座橡膠壩能夠最大限度攔蓄過(guò)境水量，為區(qū)域地下水補(bǔ)給、工農(nóng)業(yè)供水提供水源。因?yàn)檫@些攔河橡膠壩蓄水能力較大，如果調(diào)度不當(dāng)，會(huì)直接影響橡膠壩工程及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)的防洪安全。乳山河地下水庫(kù)下游河道為20 a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)，影響下游威青高速、S202省道等以及附近夏村鎮(zhèn)、乳山寨鎮(zhèn)、乳山口鎮(zhèn)等三個(gè)鎮(zhèn)的沿河村莊、耕地等。

2 汛期控制運(yùn)用指標(biāo)計(jì)算

2.1 洪水調(diào)度原則

乳山河地下水庫(kù)的3座橡膠壩組成了一個(gè)橡膠壩群(見(jiàn)圖1)，入汛后，橡膠壩工程首先要考慮的是防洪安全，其次才是興利、景觀需要，結(jié)合乳山河地下水庫(kù)前幾年的調(diào)度實(shí)況和省內(nèi)其他橡膠壩群調(diào)度運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，乳山河3座橡膠壩的調(diào)度要遵循以下6個(gè)原則：限蓄原則、洪水分級(jí)原則、峰小量大原則、泄量相當(dāng)原則、先蓄先泄原則、跟蹤預(yù)報(bào)原則[2]。

2.2 設(shè)計(jì)特征水位

設(shè)計(jì)特征水位主要包括橡膠壩的正常蓄水位和下游擋潮水位見(jiàn)表1。

表1 乳山河地下水庫(kù)主要特征水位指標(biāo)表 m

2.3 汛期限制水位

根據(jù)《山東省橡膠壩控制運(yùn)用導(dǎo)則(試行)》，汛限水位按汛初(6月1日—6月20日)、汛中(6月21日—8月31日)、汛末(9月1日—9月30日)三個(gè)階段設(shè)定。汛中限制水位取閘上1/2正常蓄水深對(duì)應(yīng)的水位，汛初和汛末限制水位可在汛中限制水位至正常蓄水位以下0.5 m之間合理確定。于家莊橡膠壩在乳山河干流上，為安全起見(jiàn)，汛初和汛末限制水位取正常蓄水位以下1 m；乳山寨橡膠壩是乳山河最后一級(jí)攔河壩，且承擔(dān)擋潮作用，防洪壓力較小，汛初和汛末限制水位取正常蓄水位以下0.5 m；鳳臺(tái)頂橡膠壩在支流司馬莊河上，防洪壓力較小，且承擔(dān)擋潮作用，汛初和汛末限制水位取正常蓄水位以下0.5 m。根據(jù)以上原則綜合確定的3座橡膠壩特征水位如表2所示。

表2 乳山河地下水庫(kù)汛限水位指標(biāo)表 m

2.4 橡膠壩過(guò)流計(jì)算

根據(jù)SL 227—98橡膠壩技術(shù)規(guī)范，橡膠壩泄洪能力，可按堰流基本公式計(jì)算：

其中，Q為過(guò)壩流量，m3/s；B為溢流斷面的平均寬度,m；h0為計(jì)入行進(jìn)流速水頭的堰頂水頭，一般情況下，行進(jìn)流速水頭較小，計(jì)算時(shí)常忽略，m；m為流量系數(shù)；σ為淹沒(méi)系數(shù)，可取寬頂堰的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，自由出流為1.0；ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)，與邊界條件有關(guān)。

橡膠壩的流量系數(shù)介于寬頂堰與曲線(xiàn)型實(shí)用堰之間，壩袋完全坍平時(shí)，可視作寬頂堰，流量系數(shù)m=0.33～0.36；壩袋充脹時(shí)，可視為曲線(xiàn)型實(shí)用堰，流量系數(shù)m=0.36～0.45。

通常情況下，橡膠壩壩袋在充滿(mǎn)狀態(tài)下，壩頂水深不宜大于50 cm，所以當(dāng)壩頂水深0.5 m時(shí)即要開(kāi)始塌壩泄洪。3座橡膠壩泄洪能力計(jì)算成果見(jiàn)表3～表6[3-5]。

表3 于家莊橡膠壩泄洪能力計(jì)算表

表4 乳山寨橡膠壩泄洪能力計(jì)算表

表5 乳山寨橡膠壩調(diào)節(jié)閘泄洪能力計(jì)算表

表6 鳳臺(tái)頂橡膠壩泄洪能力計(jì)算表

2.5 洪水調(diào)度計(jì)劃

汛期開(kāi)始，乳山河水庫(kù)3座橡膠壩均服從乳山河地下水庫(kù)管理所統(tǒng)一調(diào)度。一般次序是先下游后上游，必須保證各壩塌落總歷時(shí)最短，以保證最上游壩也是最早接到洪水的那個(gè)壩能在洪水來(lái)到前騰完庫(kù)迎接洪水，這是泄洪準(zhǔn)備工作，接下來(lái)就要根據(jù)來(lái)水大小各壩確定是否將橡膠壩塌落到底。

1)根據(jù)限蓄原則。

a.于家莊橡膠壩汛初執(zhí)行汛初限制水位(5.00 m)，6月21日前應(yīng)降至汛中限制水位(3.75 m)，9月1日起，恢復(fù)至汛末水位(5.00 m)。

b.乳山寨橡膠壩汛初執(zhí)行汛初限制水位(1.50 m)，6月21日前應(yīng)降至汛中限制水位(0.25 m)，9月1日起，恢復(fù)至汛末水位(1.50 m)。

c.鳳臺(tái)頂橡膠壩汛初執(zhí)行汛初限制水位(1.50 m)，6月21日前應(yīng)降至汛中限制水位(1.00 m)，9月1日起，恢復(fù)至汛末水位(1.50 m)。

各特征水位數(shù)值見(jiàn)表2。

2)根據(jù)洪水分級(jí)原則和泄量相當(dāng)原則，參考橡膠壩過(guò)流能力計(jì)算表3～表6，制定洪水分級(jí)表見(jiàn)表7。

表7 乳山河地下水庫(kù)3座橡膠壩洪水分級(jí)表 m3/s

因?yàn)橛诩仪f橡膠壩和乳山寨橡膠壩都在乳山河干流上，是上下游關(guān)系，所以以于家莊橡膠壩上游來(lái)水大小為準(zhǔn)。

a.當(dāng)于家莊橡膠壩上游來(lái)水小于70 m3/s，為小洪水，于家莊橡膠壩不塌壩，來(lái)水完全通過(guò)壩頂溢流，乳山寨橡膠不塌壩通過(guò)調(diào)節(jié)閘下泄。

b.當(dāng)來(lái)水為70 m3/s～800 m3/s時(shí)，為一般洪水，于家莊橡膠壩塌落1/3～1/2壩袋，乳山寨橡膠壩塌落1/3～1/2壩袋或通過(guò)調(diào)節(jié)閘泄洪(在來(lái)水流量小于300 m3/s時(shí)，乳山寨橡膠壩可以不塌壩調(diào)節(jié)閘泄洪，以實(shí)現(xiàn)其擋潮作用)。

c.當(dāng)來(lái)水為大于800 m3/s時(shí)，為中高洪水，于家莊橡膠壩和乳山寨橡膠壩全部塌壩泄洪。

鳳臺(tái)頂橡膠壩位于支流司馬莊河上，相對(duì)獨(dú)立：

a.當(dāng)鳳臺(tái)頂橡膠壩上游來(lái)水小于30 m3/s，為小洪水，鳳臺(tái)頂橡膠壩不塌壩，來(lái)水完全通過(guò)壩頂溢流。

b.當(dāng)來(lái)水為30 m3/s～250 m3/s時(shí)，為一般洪水，鳳臺(tái)頂橡膠壩塌落1/3～1/2壩袋。

c.當(dāng)來(lái)水為大于250 m3/s時(shí)，為中高洪水，鳳臺(tái)頂橡膠壩全部塌壩泄洪。

3)根據(jù)峰小量大原則，橡膠壩塌壩必須在洪水到來(lái)之前完成。橡膠壩設(shè)計(jì)塌壩時(shí)間一般在1 h～3 h左右(于家莊橡膠壩1 h～1.9 h，乳山寨橡膠壩1.2 h～2.4 h，鳳臺(tái)頂橡膠壩50 min～1.7 h)。在汛限水位下塌壩，時(shí)間比設(shè)計(jì)水位下塌壩時(shí)間略短，為安全起見(jiàn)，汛限水位下塌壩時(shí)間仍取設(shè)計(jì)蓄水位下的最大塌壩時(shí)間，即于家莊橡膠壩1.9 h，乳山寨橡膠壩2.4 h，鳳臺(tái)頂橡膠壩1.7 h。因?yàn)楹樗鲆?jiàn)期有限，得到氣象部門(mén)大雨預(yù)報(bào)后，必須提前6 h塌壩運(yùn)行，恢復(fù)原河床斷面，宣泄洪水。

4)根據(jù)先蓄先泄原則，梯級(jí)橡膠壩無(wú)論是塌壩泄水騰空庫(kù)容還是充水?dāng)r蓄洪水尾部均應(yīng)按照先下游后上游的次序進(jìn)行。為錯(cuò)峰，塌壩時(shí)，先從乳山寨橡膠壩開(kāi)始，然后再鳳臺(tái)頂橡膠壩，最后于家莊橡膠壩。各橡膠壩塌壩開(kāi)始時(shí)間可分別向后錯(cuò)開(kāi)10 min。蓄水時(shí)，亦先從乳山寨橡膠壩開(kāi)始，待乳山寨橡膠壩蓄至汛限(汛末)水位時(shí)，再依次將鳳臺(tái)頂橡膠壩、于家莊橡膠壩蓄至汛限(汛末)水位。

5)根據(jù)跟蹤預(yù)報(bào)原則，乳山市水利局氣象局應(yīng)建立重要天氣及時(shí)報(bào)告制度，當(dāng)乳山河流域有較大降雨可能時(shí)，應(yīng)提前1 d～3 d通知市防辦和有關(guān)單位。當(dāng)乳山河上游發(fā)生較大降雨時(shí)，乳山市水利局駐市防辦水情值班人員應(yīng)根據(jù)乳山河上游的龍角山水文站、中游臺(tái)依雨量站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，快速預(yù)報(bào)出乳山河干流上游來(lái)水的洪峰流量、洪水過(guò)程，依此來(lái)決定橡膠壩的調(diào)度方式。乳山市防辦、威海市水文局和地下水庫(kù)管理所應(yīng)密切配合，汛情傳遞要暢通，預(yù)報(bào)手段也要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化。

6)防止海水入侵：在保證完成防洪任務(wù)的情況下，鳳臺(tái)頂橡膠壩和乳山寨橡膠壩還應(yīng)承擔(dān)防止海水入侵的任務(wù)，在遇到洪水需要泄洪時(shí)，必須等到壩上洪水位高于壩下潮水位才能泄洪。否則延遲泄洪，待洪水位超過(guò)壩下潮水位時(shí)再泄洪。當(dāng)洪水過(guò)去后，及時(shí)立壩發(fā)揮擋潮作用。

2.6 工程險(xiǎn)情處置及搶護(hù)

當(dāng)橡膠壩發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)，險(xiǎn)情處置流程如下：

1)乳山河地下水庫(kù)管理所加強(qiáng)對(duì)橡膠壩工程的監(jiān)測(cè)和巡視檢查，動(dòng)態(tài)跟蹤水位和工程險(xiǎn)情發(fā)展變化，做好信息匯總與傳遞，定時(shí)續(xù)報(bào)相關(guān)情況，為處置提供支撐。

2)發(fā)生險(xiǎn)情后，乳山河地下水庫(kù)管理所立即組織搶險(xiǎn)隊(duì)進(jìn)行應(yīng)急處置，同時(shí)向市水利局和市防辦報(bào)告。

3)乳山市水利局接到險(xiǎn)情報(bào)告后，應(yīng)立即派出專(zhuān)家組趕赴現(xiàn)場(chǎng)，組織、指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)搶險(xiǎn)工作；同時(shí)調(diào)度搶險(xiǎn)隊(duì)伍和搶險(xiǎn)物資赴現(xiàn)場(chǎng)待命支援。

4)當(dāng)險(xiǎn)情持續(xù)發(fā)展，搶險(xiǎn)隊(duì)伍或物資不能滿(mǎn)足搶險(xiǎn)需求時(shí)，應(yīng)立即報(bào)告市防辦請(qǐng)求支援，并說(shuō)明需要的人員數(shù)量及搶險(xiǎn)物資種類(lèi)與數(shù)量、到達(dá)的時(shí)間與地點(diǎn)。

結(jié)合乳山河地下水庫(kù)工程基本情況及自然地理位置，對(duì)可能發(fā)生的橡膠壩險(xiǎn)情提出基本的搶險(xiǎn)措施：

1)自動(dòng)化控制系統(tǒng)損壞和斷電都是充排設(shè)備無(wú)法正常工作的原因。如果是自動(dòng)化控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，搶險(xiǎn)隊(duì)員應(yīng)該手動(dòng)操作按鈕開(kāi)關(guān)進(jìn)行充排操作；外用電網(wǎng)停電時(shí)，應(yīng)該第一時(shí)間利用發(fā)電機(jī)組發(fā)電帶動(dòng)設(shè)備正常運(yùn)行。

2)建筑物的岸墻、翼墻、邊墩、護(hù)坡等混凝土或砌體與堤防土壩結(jié)合部位，由于土料回填不實(shí)，建筑物與堤壩承受的荷載不均勻，或結(jié)合面處理不好，很容易引起裂縫。一旦臨水面水位升高或遇降雨地面徑流侵入，沿岸墻、翼墻、邊墩與堤壩結(jié)合裂縫流動(dòng)，可能造成集中滲漏。嚴(yán)重時(shí)，在建筑物下游造成管涌、流土等險(xiǎn)情，危及建筑物及橡膠壩安全。滲水漏洞搶護(hù)的原則：臨水截滲，背水導(dǎo)滲。大汛期、遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水或平時(shí)高水位時(shí)，水壓力、流速和風(fēng)浪加大，翼墻可能出現(xiàn)裂縫、塌坡、潰決等險(xiǎn)情，必須緊急搶護(hù)，避免失事。

2.7 運(yùn)行管理建議

1)在實(shí)際應(yīng)用中，地下水庫(kù)橡膠壩技術(shù)人員要和當(dāng)?shù)厮臍庀蟛块T(mén)密切配合，做好洪水預(yù)報(bào)，以指導(dǎo)實(shí)時(shí)調(diào)度，加強(qiáng)防洪措施。如果在調(diào)度過(guò)程中出現(xiàn)異常情況，應(yīng)針對(duì)問(wèn)題積極采取相應(yīng)的措施，提高防洪調(diào)度的主動(dòng)性。

2)建議加強(qiáng)橡膠壩高水位運(yùn)行時(shí)的工程監(jiān)測(cè)，及時(shí)對(duì)工程運(yùn)行狀況進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

3)乳山河地下水庫(kù)處在乳山河最下游，汛期調(diào)度要結(jié)合乳山河整體進(jìn)行調(diào)度，與潮水位結(jié)合，防止海水入侵。

3 結(jié)語(yǔ)

地下水庫(kù)是通過(guò)地下截滲墻和地上的橡膠壩群共同攔蓄水源進(jìn)行蓄水。其橡膠壩群在汛期要考慮防洪調(diào)度，在興利的基礎(chǔ)上保證防洪安全。通過(guò)對(duì)塌壩流量的計(jì)算，結(jié)合來(lái)水大小、擋潮作用等，對(duì)橡膠壩群進(jìn)行科學(xué)合理調(diào)度，提出了汛期發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)的處置及搶護(hù)措施以及運(yùn)行管理建議，保障地下水庫(kù)汛期安全運(yùn)行。