周公宅水庫上游梯級水庫在防洪中的應(yīng)用

楊益青，王 強

(寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，浙江 寧波 315000)

寧波市東、南、北三面臨海，西面靠山，山區(qū)面積占比50%以上，因地形地勢及海陸分布影響，城市易受“洪、澇、潮”三重威脅，水庫工程建設(shè)歷來是寧波市提升流域防洪減災(zāi)能力的重要基礎(chǔ)水利工程。

但一方面，已建大中型水庫受制于水庫供水功能、大壩型式等因素制約，通過加高擴容等方式提升水庫防洪能力的難度較大，且隨著規(guī)劃水庫工程逐步建設(shè)完成，可用于進一步新建綜合性水庫的壩址亦較少；另一方面，隨著寧波市社會經(jīng)濟的發(fā)展，水庫建設(shè)過程中，征地移民等政策處理費用占工程總投資的比例不斷升高，已遠超水庫工程本身的建設(shè)投資，導(dǎo)致傳統(tǒng)水庫工程建設(shè)的性價比不斷降低，建設(shè)難度不斷加大。

為提升已建水庫防洪能力，保障流域防洪安全，以周公宅水庫為例，突破傳統(tǒng)思路，在其上游尋找適宜壩址新建水庫，形成梯級水庫，新建水庫采用平時蓄水、臺汛期空庫運行的方式，充分發(fā)揮梯級水庫工程的空間分布優(yōu)勢，提升水庫整體的防洪效益，切實保障下游人民群眾的生命財產(chǎn)安全。

1 區(qū)域概況

周公宅水庫位于寧波市章水鎮(zhèn)大皎溪干流上，距寧波市區(qū)51km，是一座供水、防洪結(jié)合發(fā)電的綜合利用大(2)型水利工程，為完全年調(diào)節(jié)水庫，是下游寧波中心城區(qū)重要供水水源。水庫壩址以上控制流域面積132km2，水庫按500年一遇洪水設(shè)計，設(shè)計洪水位為237.70m，2000年一遇洪水校核，校核洪水位237.89m，總庫容1.118億m3[1]。水庫泄水建筑物主要為溢洪道，堰頂高程224.13m，設(shè)3扇10m×13.5m弧形閘門控制。一方面，水庫防洪庫容2290萬m3，自身防洪庫容小[2]，僅占水庫總庫容的20.5%，且因水庫上游集雨面積大，20年一遇洪水下僅能攔蓄上游來水量的40.8%，攔洪率不高；另一方面，水庫20年一遇防洪高水位237.12m，與設(shè)計洪水位、校核洪水位僅差0.58m和0.77m，為保證水庫自身防洪安全，水庫庫水位一旦超高20年一遇防洪高水位，下泄洪峰從控制不超過280m3/s陡增至控制不超過1300m3/s，直至敞泄，對下游防洪安全影響較大。而隨著寧波市社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市防洪保安要求不斷提高，對上游周公宅水庫防洪能力提升需求越發(fā)迫切。因此，本次打破常規(guī)，在周公宅水庫上游尋找梯級水庫壩址，采用臺汛期空庫運行、完全調(diào)蓄洪水的形式，加大周公宅水庫的防洪能力，減少水庫下泄洪峰、洪量。

2 梯級水庫新建壩址選取

2.1 匯水片區(qū)劃分

為便于周公宅水庫上游梯級水庫工程的選址分析，對周公宅水庫壩址以上集雨范圍劃分匯水片區(qū)。本次依據(jù)流域地形地勢、河流水系分布情況，將周公宅水庫約132km2集雨范圍劃分為5個匯水片區(qū)，分別為周公宅水庫庫區(qū)、雅莊觀下溪所在的西支流、俞白溪所在的西南支流、小麥坑所在的南支流、里湖溪所在的東支流。并分析遭遇20年一遇洪水下，各匯水片區(qū)的來水量，見表1。

表1 周公宅水庫集雨范圍內(nèi)匯水片區(qū)劃分

2.2 梯級水庫新建壩址方案

梯級水庫新建水庫壩址選取應(yīng)盡量位于各匯水片區(qū)下游，以便擴大集雨范圍，增加洪水攔蓄量，提升梯級水庫工程防洪效益。同時，新建水庫需考慮兩方面因素，一方面，因建設(shè)庫容在臺汛期基本用于防洪，故需考慮壩址上游來水量，避免大壩建設(shè)過高，水庫庫容過大，造成工程總投資浪費；另一方面，水庫庫區(qū)需避開居住人口較為密集的村莊，避免大量拆遷移民，以免造成工程政策處理難度加大，以及政策處理費用占工程總投資比重過大。

本次初步選取7處梯級水庫新建壩址方案，見表2。其中，西支流、南支流、東支流各1處，新建壩址均位于出口，因片區(qū)集雨范圍小，壩高按20年一遇洪水全攔擬定；西南支流因下游地勢相對平坦開闊，且沿線分布有大俞、百步階、李家坑等村莊，故新建壩址位于中上游，共計3處，分別為：①大橫山電站下游壩址，且其受上游北溪村地坪高程約428m限制，壩高初擬約60m;②巖下山水庫壩址，且受上游四明山鎮(zhèn)地坪高程約578m限制，壩高初擬約80m;③北溪村上游壩址，且受上游茶培村地坪高程約481m限制，壩高初擬約50m；另外，周公宅水庫庫區(qū)新建壩址1處，位于西支庫尾，匯水范圍含西支流及西南支流，且受上游李家坑地坪高程約305m限制，壩高初擬約85m。如圖1所示。

表2 梯級水庫新建壩址方案

圖1 梯級水庫新建壩址方案示意圖

2.3 梯級水庫新建壩址比選

2.3.1壩址方案初步分析

從新建水庫壩址上游集雨范圍及建設(shè)庫容分析可知，南支流、東支流、西支流出口，以及西南支流的巖下山水庫四處壩址上游集雨面積相對較小，僅占周公宅水庫集雨面積的3.8%～12.8%，20年一遇下壩址上游來水量有限，新建梯級水庫提升的防洪效益有限。同時，西支流出口壩址及巖下山水庫壩址新建壩高均達到80m左右，相對較高。而北溪村上游壩址、大橫山電站下游壩址及庫區(qū)西支庫尾壩址上游集雨范圍較大，20年一遇下壩址上游來水量均超過1000萬m3，可新建一座中型水庫，對流域防洪能力提升較為明顯。因此，本次梯級水庫新建壩址方案，重點對北溪村上游壩址、大橫山電站下游壩址、庫區(qū)西支庫尾壩址進行比選分析。

2.3.2壩址方案重點比選

本次從水庫防洪效益、工程建設(shè)影響、工程總投資等[3- 5]，對3處新建水庫壩址方案進行重點比選分析。

水庫防洪效益方面，20年一遇可攔蓄水量均超過1000萬m3，對周公宅水庫上游產(chǎn)生一定防洪效益。其中，北溪村上游壩址新建水庫庫容約1435萬m3，可基本實現(xiàn)片區(qū)來水全部攔蓄；大橫山電站下游壩址上游集雨面積雖大，但受庫尾村莊高程限制，可新建庫容僅1159萬m3，三處壩址中為最小；庫區(qū)西支庫尾壩址，可新建庫容達到2426萬m3，較北溪村上游壩址增加約71%。因此，庫區(qū)西支庫尾壩址防洪效益最為顯著，其次為北溪村上游壩址，大橫山電站下游壩址防洪效益最小。

工程建設(shè)影響方面，本次主要從新建水庫工程建設(shè)的施工交通條件，以及建設(shè)期、運行期間對庫區(qū)及上下游一定范圍內(nèi)，現(xiàn)狀已建及規(guī)劃新建的水利、交通等工程設(shè)施的影響角度進行分析。其中，北溪村上游壩址以西為滸溪線，施工便利，但壩址與滸溪線相交，需考慮通行道路恢復(fù)，同時水庫庫區(qū)范圍內(nèi)現(xiàn)有茶培水庫需進行報廢處理；大橫山電站下游壩址以東為細北線，施工便利，但壩址與細北線相交，需考慮通行道路恢復(fù)，同時需對現(xiàn)狀大橫山水庫進行報廢處理，大橫山電站、巖下山電站需拆除重建；庫區(qū)西支庫尾壩址以南為細北線，施工便利，但壩址與細北線相交，需考慮通行道路恢復(fù)，同時庫區(qū)西支庫尾壩址以上集雨范圍為周公宅水庫主要來水區(qū)間，工程建設(shè)期內(nèi)度汛、導(dǎo)流難度大，對下游周公宅水庫防洪調(diào)度有較大影響，不利于下游地區(qū)的防洪安全。因此，北溪村上游壩址建設(shè)產(chǎn)生的工程建設(shè)影響略小于大橫山電站下游壩址，大橫山電站下游壩址小于庫區(qū)西支庫尾壩址。

工程總投資方面，本次主要從工程投資、征地移民費用、專項費用等方面進行對比分析。其中，工程投資部分與各壩址建壩的混凝土方量呈正相關(guān)關(guān)系，北溪村上游壩址大壩高度最低，投資最低，約6.6億元，其次為大橫山電站下游壩址，約8.8億元，最高為庫區(qū)西支庫尾壩址，約11.8億元。征地移民費用與各壩址征地及拆遷面積相關(guān)，且受征地范圍內(nèi)地類分布影響，大橫山電站下游壩址費用最低，約4.9億元，其次為北溪村上游壩址征地移民，為5.5億元，最高為庫區(qū)西支庫尾壩址，為7.0億元；專項費用，三處壩址差別不大，北溪村上游壩址及大橫山電站下游為1.3億元，庫區(qū)西支庫尾壩址為1.4億元。因此，北溪村上游壩址工程總投資最低，為13.4億元，其次為大橫山電站下游壩址，為15億元，庫區(qū)西支庫尾壩址最高，為20.2億元。

綜上，于北溪村上游壩址處新建梯級水庫，基本可實現(xiàn)上游集雨范圍內(nèi)20年一遇洪水全部攔蓄，防洪效益適中，工程建設(shè)影響及工程投資最小，可初步作為周公宅水庫上游梯級水庫新建壩址方案。

3 梯級水庫防洪效益分析

3.1 梯級水庫總體調(diào)度原則

北溪村上游壩址水庫工程建設(shè)后，與已建周公宅水庫形成梯級水庫，旨在提升周公宅水庫上游整體的防洪能力，本次為充分發(fā)揮梯級水庫工程的防洪效益，并兼顧水資源、水生態(tài)環(huán)境等，提出梯級水庫的總體調(diào)度原則[6- 7]如下：

(1)北溪村上游壩址水庫：臺汛期，新建水庫保持空庫運行；非汛期，新建水庫蓄水運行；梅汛期，新建水庫適當降低水庫水位，限制運行、攔蓄洪水。

(2)周公宅水庫：現(xiàn)有總體調(diào)度原則基本不變，對泄洪閘控制下泄流量進行調(diào)整，以確保水庫防洪庫容得以充分利用，水庫20年一遇防洪高水位、50年一遇洪水位保持不變。

3.2 水庫調(diào)洪演算計算方法

本次水庫調(diào)洪演算主要采用聯(lián)解水庫水量平衡方程和相應(yīng)水庫蓄泄方程實現(xiàn)[8- 10]。對調(diào)洪過程中任一Δt(Δt=t2-t1)時段，計算式可表示如下：

(1)

q=f(V)

(2)

式中，Q1、q1—時段初入庫、出庫流量，m3/s；Q2、q2—時段末入庫、出庫流量，m3/s；V1、V2—時段初、末水庫蓄水量，m3。

q=f(V)表示水庫下泄流量是水庫蓄水量的函數(shù)。

求解時聯(lián)解上述兩式，通過試算法編程求解。對任意的Δt時段，其Q1、Q2、q1、V1已知，欲求q2、V2。、其求解步驟是：假定V2(或q2)后，代入式(2)可求得q2(或V2)，再以此q2(或V2)代入式(3-1)算得V2(或q2)后，若計算的與假定的一致，則試算完成，否則重新假定V2(或q2)，直到滿足為止。q=f(V)表示水庫下泄流量是水庫蓄水量的函數(shù)，根據(jù)水庫調(diào)度原則確定。

3.3 梯級水庫防洪效益分析

本次梯級水庫防洪效益分析，主要從水庫削峰、攔洪效果進行分析[11]。遭遇臺汛期20年一遇洪水下，削峰率由建庫前82.7%提升到92.9%，攔洪率由建庫前40.8%提升至65.9%，提升約61.1%；遭遇臺汛期50年一遇洪水下，下泄洪峰削減至小于建庫前20年一遇下泄洪峰，削峰率由建庫前41.5%提升到88.2%，提升約79.8%，水庫洪水攔洪率由建庫前33.1%提升至53.1%，水庫防洪能力提升效益顯著，具體見表3。建庫前后，水庫調(diào)洪過程如圖2—3所示。

表3 梯級水庫建設(shè)前后，洪水削峰、攔蓄對比表

圖2 遭遇臺汛期20年一遇洪水下，梯級水庫調(diào)洪過程

圖3 遭遇臺汛期50年一遇洪水下，梯級水庫調(diào)洪過程

4 結(jié)語

周公宅水庫作為已建大型水庫，集雨范圍大，但自身防洪庫容較小、防洪壓力較大，通過于其上游尋找實現(xiàn)程度較高的水庫壩址新建水庫，形成梯級水庫，且新建水庫采用臺汛期空庫運行的防洪方式，實現(xiàn)周公宅水庫防洪能力提升。為保障下游城市防洪安全提供了新的思路，可廣泛應(yīng)用于上游有條件新建水庫的類同水庫，具有較大的推廣應(yīng)用價值和借鑒意義。但文章對新建梯級水庫僅提出平時蓄水、臺汛期放干的總體調(diào)度原則，后續(xù)在對水庫工程相關(guān)參數(shù)予以明確后，需對梯級水庫在防洪中的調(diào)度方案作進一步分析。