石應(yīng)水電站改建方案淹沒影響分析研究

李慧超 韶關(guān)市曲江區(qū)水利工程建設(shè)與防御服務(wù)中心

葉志恒 苗青 陳丕翔 廣東省水利水電科學(xué)研究院

廣東省水系發(fā)達，河流密布，集雨面積50～3000km2的河流多達1190條[1]，中小河流洪水是當(dāng)前廣東省最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一[2]。廣東省山區(qū)五市（韶關(guān)市、河源市、梅州市、清遠市、云浮市）中小河流合共計536條，河長為1.7萬km，分別占廣東省的44%和49%[3]。山區(qū)中小河流比降較大，兩岸較為密集分布村落和農(nóng)田，沿線建有密集的攔河發(fā)電或引水灌溉水陂[4]。經(jīng)過大量現(xiàn)場勘測表明，由于上世紀(jì)農(nóng)村供電需求，沿河建設(shè)了眾多小型水陂用以滿足農(nóng)村發(fā)電需求，多數(shù)小水電未經(jīng)充分論證，其引水陂頭、攔河閘壩及交通橋梁等跨河建筑物存在嚴(yán)重阻水現(xiàn)象，致使河道排洪不暢、水位暴漲，加劇了兩岸的洪澇災(zāi)害[5]。本文以羅定市石應(yīng)水電站為例，分析電站改建后對河道上游村落淹沒影響，為廣東省小型攔河閘壩拆除或改建提供參考和借鑒。

1.工況概況

羅定江是西江右岸一級支流,發(fā)源于信宜市雞籠山，總集雨面積為4480km2，干流全長為202km，河流平均比降為0.829‰[6]。石應(yīng)水電站位于云浮市羅定江生江鎮(zhèn)云桂村河段，上游距古欖水文站約6.0km，下游距生江陂頭約12.5km，電站建設(shè)于上世紀(jì)90年代，設(shè)計水頭3.5m，設(shè)計總流量16.0m3/s，總裝機容量480kW為?。ǘ┬蜔o調(diào)節(jié)河床式水電站。水電站主要由高約6.0m陂頭以及左岸電站廠房組成，因電站建設(shè)年代久遠，施工技術(shù)水平相對落后加之運行管理欠佳，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，石應(yīng)水電站泄洪能力達不到預(yù)期效果。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研表面，石應(yīng)水電站目前已嚴(yán)重阻礙了羅定江云桂村河段行洪能力，導(dǎo)致上游村落常年受到水患的影響，水電站改建工程迫在眉睫，電站位置見圖1。

圖1 石應(yīng)水電站位置圖

2.模型計算

羅定江生江陂頭至古欖橋段兩岸主要為山丘高地，古欖橋河段附近較為密集地分布著眾多村落和大片農(nóng)田，選取生江陂頭至古欖橋的防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇[7]。

2.1 計算原理

水面線采用一維恒定均勻流數(shù)學(xué)模型（Mike11模型）進行計算，該程序水面線計算基本原理為圣維南方程[8]∶

式中：x、t分別為距離和時間的坐標(biāo)；A為過水?dāng)嗝婷娣e；Q為流量；h為水位；q為旁側(cè)入流流量；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑；α為動量校正系數(shù)；g為重力加速度。

2.2 計算條件

2.2.1 模型范圍

模型下邊界選取為生江陂頭（樁號K0+000）所在斷面，模型上邊界取在古欖橋斷面（樁號18+546.0），模型范圍見圖2。

圖2 水動力數(shù)學(xué)模型范圍

2.2.2 設(shè)計洪水

羅定江干流建有官良和古欖水文站，自1958年均有連續(xù)實測資料。本文采用水文站實測數(shù)據(jù)，運用皮爾遜Ⅲ型理論頻率曲線得到官良和古欖水文站斷面設(shè)計洪水（表1）。因官良水文站代表性優(yōu)于古欖水文站，基于官良水文站成果，采用水文比擬法得到研究河段各斷面設(shè)計洪水，其中古欖橋斷面直接采用古欖水文站設(shè)計成果（表2）[9]。

表1 官良水文站設(shè)計洪峰流量成果表

表2 上邊界設(shè)計洪峰流量成果表

2.2.3 起推水位

本文以石應(yīng)電站下游生江陂頭為下邊界，其水位流量關(guān)系可根據(jù)堰流公式推求[9]。當(dāng)羅定江發(fā)生10年一遇洪水時，斷面水位為53.09m；當(dāng)羅定江發(fā)生20年一遇洪水時，斷面水位為54.40m。

2.2.4 河道糙率

糙率是河道阻力的綜合反映，它直接影響水面線的計算結(jié)果，本文根據(jù)主槽形態(tài)、植物生長狀態(tài)、河道曲率及涉河建筑物分布情況等因素，結(jié)合已有資料設(shè)置河道糙率。其中有護岸河段主槽糙率取值為0.025～0.03之間，無護岸河段主槽糙率取值0.03～0.35之間，灘地糙率取值0.035～0.12之間。

2.2.5 模型率定結(jié)果

根據(jù)擬定參數(shù)，采用其中小河流治理成果驗證模型合理性[9]（表3）。結(jié)果顯示20 年一遇洪水計算值與設(shè)計值差值為-0.07～0.09 m之間，10 年一遇計算值與設(shè)計值差值為-0.08～0.06 m 之間，其中各洪水頻率下研究河段差值為-0.08～0.03m之間。不同洪水頻率下計算值與設(shè)計值相差較小，且村莊分布河段（古欖橋附近）水位最大偏差0.04m，表明此次計算成果合理可靠，建立的數(shù)學(xué)模型可用于電站改建水動力學(xué)計算。

表3 維水動力模型驗證成果表

2.2.6 改建方案

石應(yīng)水電站陂頭頂高程約為54.0m，根據(jù)電站上下游河床地形并考慮電站改建后的水流銜接，石應(yīng)水電站擬自上而下拆除陂頭部分至高程51.0m。為充分利用河流的水能資源，避免原有廠房和設(shè)備的浪費，計劃在改造后的陂頭上加建3m高的橡膠壩，枯水期可利用橡膠壩蓄水進行發(fā)電，汛期將橡膠壩放至51.0m高程進行泄洪。

3.計算結(jié)果及影響分析

3.1 計算結(jié)果

分別計算石應(yīng)水電站改建前后洪水水面線，為較為直觀反映水位變化情況，將P=10%和P=5%二種洪水頻率下的改建前后水面線成果繪制于圖3、圖4。

圖3 水電站建前后水位變化圖（P=10%）

圖4 水電站建前后水位變化圖（P=5%）

3.2 河道行洪的影響分析

石應(yīng)水電站改建后，不同洪水頻率下，模型范圍內(nèi)，電站上游約6.0km范圍水位均有不同程度的下降（見表4）。

表4 水電站改建后水位下降表

石應(yīng)水電站的改建，有效地降低了石應(yīng)水電站～古欖橋段的洪水水位，其中20年一遇洪水條件下，村落分布密集的馬溪村～古欖橋河段，水位平均可下降約1.30m。電站重建后沿河村落河段洪水位均有較大幅度下降，表明電站重建可有效地緩解周邊村落的洪災(zāi)受淹情況，減輕洪災(zāi)對兩岸居民的生命財產(chǎn)的損失。

3.3 淹沒影響分析

采用現(xiàn)有洪水水面線成果進行樣條差值以形成連續(xù)水位高程模型[10]，基于水位高程模型和流域數(shù)字高程模型（DEM）運用Arcgis柵格分析模塊對石應(yīng)電站上游河段進行淹沒計算[11]。由于研究河段其防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，本文著重對該工況下淹沒范圍進行損失統(tǒng)計（圖5）。

圖5 石應(yīng)水電站改建前后洪水淹沒范圍圖（P=5%）

工程前水電站上游淹沒的村莊和農(nóng)林地面積分別為1025.1畝和4103.5畝，工程后淹沒的村莊和農(nóng)林用地面積分別為504.3畝和3552.3畝，分別減小了50.8%和13.4%。從損失統(tǒng)計可知，電站改建后村莊淹沒范圍將大幅度減小，其中泗盆村改建前幾乎全村受淹，改建后絕大部分民房將不再受到洪水侵襲。

為比較不同頻率下電站改建后對淹沒水深的影響，本文分4個級別對不同水深淹沒范圍進行統(tǒng)計（表5）。對比不同洪水頻率條件下淹沒面積可知，電站改建后能有效減小上游河道淹沒范圍，2種工況下改建后淹沒范圍減少比例均約為20%。20年一遇和10年一遇洪水情況下，淹沒水深大于3.0m的范圍分別減小了43.5%和18.0%，表明電站改建后可大幅度減少上游河段兩岸淹沒范圍降低淹沒水深以保障人民群眾的生命財產(chǎn)安全。

表5 水電站改建前后洪水淹沒范圍分析統(tǒng)計表

針對上述情況本文建議（1）對石應(yīng)水電站進行改建或拆除，同時需做好相應(yīng)的保障措施；（2）對省內(nèi)建設(shè)年代久遠且未經(jīng)合理規(guī)劃的小型攔河閘壩，建議進行淹沒影響分析，對影響較大的閘壩可進行拆除或重建；（3）未來小水電規(guī)劃實施方面，需著重考慮其對上游村落淹沒影響，對于影響較大的電站建設(shè)需要切實可行的保護措施；（4）基于現(xiàn)有的河道管理范圍線，對河湖“四亂”進行徹底清拆[12]，以保障行洪安全。

4.結(jié)論

通過建立羅定江生江陂頭～古欖橋河段的一維水動力數(shù)學(xué)模型，對石應(yīng)水電站改建前后的水動力進行了計算分析，并采用Arcgis對電站改建前后淹沒范圍進行計算分析。分析結(jié)果表明電站改建能有效降低上游村落淹沒水深和淹沒范圍，其中20年一遇洪水條件下淹沒范圍降低了20%，村莊用地淹沒范圍減少50.8%，農(nóng)林用地淹沒范圍減小了13.4%，就淹沒影響而言建議改建石應(yīng)水電站。