石堤河防倒灌工程調(diào)度和運行分析

譚 強

（陜西省三門峽庫區(qū)華州河務(wù)中心,陜西 渭南 714100）

1 工程基本概況

陜西渭南華縣境內(nèi)5 條南山支流由南向北穿境而過匯入渭河,南山支流堤防把華縣防護區(qū)分割成為四個封閉的獨立區(qū)域,支流堤防成為華縣防護區(qū)最后的防洪屏障。受渭河歷年洪水倒灌淤積影響,支流河道也發(fā)展成為地上“懸河”,渭河“03.8”洪水就是因為渭河洪水倒灌南山支流,多處支流堤防出險決口,造成重大經(jīng)濟損失。為防止南山支流決口后渭河洪水倒灌,減輕支流河道因倒灌淤積,加重“懸河”這一問題,2012 年陜西省在石堤河入渭口建設(shè)了第一座防御渭河洪水倒灌工程,該工程為全國首例以橡膠壩作為堤壩攔擋河口洪水的水利工程。石堤河防倒灌工程建設(shè)在南山支流石堤河與渭河防洪堤交匯處,工程按照攔擋渭河50 年一遇洪水標準設(shè)計,下游消能防沖設(shè)施按南山支流20 年一遇洪水標準設(shè)計。工程由橡膠壩袋（全長74 m,充壩最大高度4.5 m）,泄洪閘（孔口尺寸6 m×4 m）、壩肩平臺、充排水系統(tǒng)、房屋建筑等部分組成。按工程特性可分為四類：橡膠壩袋、洪洪閘門、機電設(shè)備、水工建筑物。

2 工程運行現(xiàn)狀

2.1 防倒灌工程建設(shè)原因

渭河和南山支流入渭口建設(shè)防倒灌工程,是因為它們之間存在著渭河水頂托南山支流來水下泄、倒灌南山支流的關(guān)系,防倒灌工程就是為了預(yù)防這種關(guān)系而產(chǎn)生的。頂托是一種地理現(xiàn)象,指支流水流被干流高水位所阻,形成雍水現(xiàn)象；倒灌是雍水以后,干流水位高于支流水位,干流來水從河口流入支流的現(xiàn)象。渭河下游二華（華州、華陰）南山支流受渭河洪水頂托、倒灌現(xiàn)象非常明顯,南山支流來水,受渭河水位上漲頂托,不易下泄,渭河水位上漲高于支流來水水位,形成倒灌。受倒灌影響的南山支流河床逐年形成淤積,使支流堤防臨背差不斷擴大,石堤河堤防最大臨背差在3.0 m以上,遇仙河、赤水河堤防最大臨背差超過4.0 m。南山支流發(fā)生倒灌產(chǎn)生雍水,支流堤防出險機率增加,防汛壓力增大,支流堤防一旦決堤,渭河洪水從支流入渭口灌入,后果不堪設(shè)想。經(jīng)過渭河綜合治理,支流河口防倒灌工程建成,將支流出險和決堤造成的重大險情機率降低,把南山支流決堤帶來的經(jīng)濟損失減輕,成為渭河下游南山支流防汛安全的一道重要屏障。這樣一來支流入渭口的防倒灌工程合理啟用、科學調(diào)度、精準運行就非常重要。

2.2 工程運行情況

石堤河防倒灌工程2013 年建成,運行管理單位預(yù)案設(shè)定啟用標準為預(yù)報華縣站流量4000 m3/s,該工程在渭河華縣水文站上游5 km 渭河右岸。2021 年以前,工程建成7 年未遭遇啟用量級洪水,工程無啟用運行的水文數(shù)據(jù),對工程啟用充壩高度、防御渭河洪水和支流來水調(diào)節(jié)運行,我們無法通過實踐進行檢驗。2021 年9 月～10 月渭河發(fā)生了4 次洪水,其中3 次達到編號量級,2 次洪水石堤河防倒灌工程啟用,通過對渭河華縣站洪水信息分析,與石堤河防倒灌工程水文數(shù)據(jù)對比,得出相對可靠的數(shù)據(jù)信息,可為石堤河防倒灌工程科學調(diào)度、精準運行和工程防洪預(yù)案修編提供一定的依據(jù)。

3 工程調(diào)度和運行分析結(jié)論

3.1 渭河典型洪水特性分析

把渭河2021 年2 號洪水3 號洪水華縣站水文特征和石堤河防倒灌工程水文信息進行對比分析,得出石堤河防倒灌工程調(diào)度、運行相關(guān)數(shù)據(jù),這為今后防倒灌工程調(diào)度、運行提供了一定的依據(jù)。

渭河2021 年2 號洪水是典型的渭河、黃河、南山支流洪水遭遇,9 月28 日渭河華縣站出現(xiàn)洪峰4860 m3/s,對應(yīng)黃河潼關(guān)站流量7480 m3/s,南山支流石堤河入渭口水位頂托雍高超渭河水位0.32 m,2 號洪水華縣站最高水位341.91 m,為該站建站以來實測最高洪水位,因此取該典型年份洪水進行分析。

渭河2021 年3 號洪水是典型的渭河、黃河洪水遭遇,10 月8 日華縣站洪峰流量4560 m3/s,相應(yīng)黃河潼關(guān)站流量8360 m3/s,該流量為黃河潼關(guān)站1979 年以來實測最大流量,渭河3 號洪水在上游魏家堡站、咸陽站出現(xiàn)多峰演進,通過臨潼站、華縣站洪峰疊加持續(xù)演進,華縣站4000 m3/s 以上流量持續(xù)40 h,為自“03.8”洪水以來較為罕見,因此取該典型年份洪水進行分析。

3.2 渭河典型洪水特征和石堤河防倒灌工程運行對比分析

（1）石堤河防倒灌工程壩底板臨水（壩底板高程340.3 m）和華縣站水位關(guān)系見表1。

表1 石堤河防倒灌工程壩底板臨水（壩底板高程340.3 m）和華縣站水位關(guān)系表

石堤河防倒灌工程壩前臨水臨界點對應(yīng)華縣站不同流量的水位為339.5 m～339.9 m 之間。

（2）石堤河防倒灌工程啟用充壩高度和渭河華縣站流量水位關(guān)系見表2。

表2 石堤河防倒灌工程啟用充壩高度和渭河華縣站流量水位關(guān)系表

石堤河防倒灌工程按照預(yù)案要求在華縣站4000 m3/s 啟用時,對應(yīng)的防倒灌工程壩后水深為0.87 m～1.63 m 之間,按照省江河局《渭河華縣南山支流三處防御渭河洪水倒灌工程運行管理與維護操作指南》要求,充壩高度即橡膠壩壩頂高程應(yīng)保持高于渭河臨壩水位0.3 m,因此啟用石堤河防倒灌工程時,橡膠壩充壩高度控制在1.2 m～1.9 m 范圍內(nèi),橡膠壩壩頂高程為341.5 m～342.2 m。

（3）預(yù)報渭河華縣站5000 m3/s 流量時,石堤河防倒灌工程應(yīng)對方案見表3。

表3 石堤河防倒灌工程壩前實測水位與渭河華縣站實測洪峰流量水位關(guān)系表

根據(jù)目前現(xiàn)有華縣站和石堤河防倒灌工程水文數(shù)據(jù),2020 年9 月28 日19 時華縣站水位341.91 m,為該站建站以來實測最高水位,比2003 年8 月渭河華縣站最高洪水位341.88 m 高出0.03 m,該水位對應(yīng)石堤河防倒灌工程壩后水深2.34 m（水位342.64 m）,按照省江河局《渭河華縣南山支流三處防御渭河洪水倒灌工程運行管理與維護操作指南》要求,充壩高度即橡膠壩壩頂高程應(yīng)保持高于渭河臨壩水位0.3 m,故華縣站預(yù)報渭河5000 m3/s 時,石堤河防倒灌工程橡膠壩充壩高度為2.7 m,橡膠壩壩頂高程為343.0 m。

3.3 防倒灌啟用后的調(diào)度運行方式

石堤河防倒灌工程是防止渭河洪水向支流倒灌,保護支流堤防安全的一道屏障。防倒灌工程啟用采用充壩和塌壩攔擋渭河不同量級、不同組合的洪水倒灌,此時還不能造成支流來水雍高,需采用泄洪閘開啟和關(guān)閉、橡膠壩溢流調(diào)節(jié)支流水位,減輕支流堤防的防洪壓力,這就需要科學的調(diào)度、精準的運行方式進行操作。

3.3.1防倒灌工程遭遇未達到啟用量級洪水或只有南山支流來水的工況

以渭河2021 年1 號洪水為例,華縣站洪峰流量2430 m3/s、水位339.23 m,南山支流和渭河洪水水位同時上漲,渭河干流和南山支流水位關(guān)系：h支＞h干（范圍在0 m～0.3 m 以內(nèi)）,支流來水,橡膠壩前臨水,渭河干流洪水未臨橡膠壩。運行方式：防倒灌工程未啟用,此刻泄洪閘全開泄洪,保證支流水位不高于渭河水位0.3 m,保證南山支流來水暢泄,水位不雍高,橡膠壩不用塌壩運行；只有南山支流來水,泄洪閘保證全開暢泄,根據(jù)運行手冊,雍水超過0.9 m,可根據(jù)需要降低壩袋使來水從橡膠壩頂溢流泄洪。

3.3.2防倒灌工程遭遇達到啟用量級渭河洪水,南山支流未來水或來水流量小的工況

以渭河2021 年3 號洪水為例,華縣站洪峰流量4560 m3/s、水位340.91 m,渭河洪水位持續(xù)上漲,南山支流來水流量較小,渭河干流和南山支流水位關(guān)系：h支＜h干,南山支流明顯雍水發(fā)生倒灌。運行方式：啟用防倒灌工程,充壩高度和渭河干流水位關(guān)系：h壩＞h干（范圍控制在0.3 m）,關(guān)閉泄洪閘閘門,壩袋高度隨渭河干流水位升高而充壩調(diào)節(jié),始終保持充壩高度高于干流水位0.3 m。

3.3.3防倒灌工程遭遇啟用量級洪水,南山支流和渭河洪水水位同時上漲的工況

以渭河2021 年2 號洪水為例,華縣站洪峰流量4860 m3/s、水位341.91 m,石堤河防倒灌工程壩前水深2.66 m,壩后水深2.34 m,渭河干流和南山支流水位關(guān)系：h支＞h干（范圍超過0.3 m）。運行方式：防倒灌工程啟用,用泄洪閘閘門開啟高度調(diào)節(jié)降低h支；若閘門調(diào)節(jié)未能使h支降至0.3 m 范圍內(nèi),塌壩運行操作,壩袋高度和干支流水位高度關(guān)系為：h支＞h壩＞h干（取值范圍為h壩高于h干0.1m）,使支流洪水可正常溢流、渭河洪水不會倒灌,保證溢流水深高于壩頂不超過0.3 m,以確保泄洪過程壩袋運行安全。

4 結(jié)語

通過對2021 年渭河華縣站洪水分析,得到了石堤河防倒灌工程啟用時充壩高度數(shù)據(jù)信息,得出了渭河華縣站水位與石堤河防倒灌工程壩后水位關(guān)系。通過石堤河防倒灌工程啟用防御2021 年渭河洪水,檢驗了工程在不同工況下運行方式,通過實踐,對原工程運行方案進行了細化,更科學的調(diào)度和精準運行,使石堤河防倒灌工程成功防御了渭河2021 年洪水,為以后工程的調(diào)度和運行提供了更加詳實可靠的數(shù)據(jù)支撐。