摘要：隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，越來越多的中小城市均在制作相應(yīng)的防洪規(guī)劃，本文以湖南省新晃縣縣城防洪規(guī)劃為例，闡述上游水庫存在安全隱患時對城市防洪規(guī)劃的影響，為科學(xué)規(guī)劃城市防洪工作提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：防洪水位、潰壩、城市防洪、水量平衡

1、防洪工程概述

新晃縣城位于湖南省最西部的新晃縣縣域北部，區(qū)域面積2.5km2，人口近3萬，是全縣的經(jīng)濟、文化中心。沅水一級支流舞水自西向東，呈“Ω”型切城而過。城區(qū)以上11km處的舞水干流上建有魚市水庫，該水庫控制面積6600km2，正常高水位327.00m，相應(yīng)庫容880×104m3。該水庫至今已運行30多年，安全檢查發(fā)現(xiàn)溢流壩表面混凝土多處剝落，下游壩基沖刷嚴(yán)重。實測資料表明1995年壩基沖刷1.55m，到2000年達(dá)2.19m之多，呈逐年上升之勢，存在嚴(yán)重的安全隱患。在魚市水庫以下，縣城以上0.5km處建有獅子巖水庫，該水庫1987年投入運行，集水面積6717km2，正常高水位314.00m，相應(yīng)庫容600×104m3。8年來，9扇弧形鋼閘門共計5400m2面積部分長期處于水下運行，銹蝕嚴(yán)重，銹蝕深度已達(dá)2—4mm，多次出現(xiàn)閘門啟吊困難，造成鋼纜斷裂，閘門滑落事故。縣城地勢低洼，三面臨水，洪災(zāi)威脅嚴(yán)重。

2、城市防洪工程規(guī)劃及潰壩工程對城市防洪影響的評估

2.1 工程防洪標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)國家《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201-94）確定新晃縣城城區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)等級為四級，即防洪標(biāo)準(zhǔn)為近期20年一遇。

2.2 設(shè)計洪水分析

利用縣城上游玉屏水文站和下游芷江水文站的水文資料采用P-III型曲線進(jìn)行頻率計算，求得城區(qū)各種頻率下的設(shè)計洪峰流量，根據(jù)新晃縣城區(qū)新晃水位站的實測水位流量關(guān)系資料，求得相應(yīng)頻率下的設(shè)計洪峰水位，經(jīng)與城區(qū)洪調(diào)成果及實測歷年最高水位對比，成果合理、可靠，縣城城區(qū)設(shè)計洪水分析成果見表1。

表1、新晃縣城城區(qū)設(shè)計洪水分析成果表

設(shè)計頻率（％） 5（20年一遇） 設(shè)計洪峰流量（m3/s） 4820 設(shè)計洪峰水位（m） 314.94

設(shè)計頻率（％）

5（20年一遇）

設(shè)計洪峰流量（m3/s）

4820

設(shè)計洪峰水位（m）

314.94

2.3 獅子巖水庫閘門故障對新晃縣城和自身防洪的影響

由于獅子巖水庫閘門無檢修門，閘門嚴(yán)重銹蝕，出現(xiàn)啟閉困難，嚴(yán)重導(dǎo)致閘門打不開，影響泄洪，現(xiàn)根據(jù)凈庫容水量平衡原理（不考慮庫面蒸發(fā)和水庫滲漏等損失），采用試算搜索法求解，對5%頻率設(shè)計洪水進(jìn)行調(diào)洪演算。

2.3.1 調(diào)洪演算原理

調(diào)洪演算時一般給定庫水位上（下）限，當(dāng)調(diào)洪演算水位越上（下）限時，判斷可用操作區(qū)，根據(jù)調(diào)度規(guī)程開啟（關(guān)閉）閘門。下面以獅子巖水庫常規(guī)調(diào)度過程說明一次閘門操作的演算過程：

①計算越限時段初出入庫平衡泄量變化量Q平：

Q平＝|Q入-Q出|

式中：Q入為越限時段初入庫流量；Q出為越限時段初出庫流量。

② n=1。

③計算閘門啟閉流量變化量(Q泄= Q平+100×n)和最低（高）庫水位H。

④ 若H超出庫水位下（上）限，則取Q泄= Q平+100×（n-1），跳出循環(huán)。

⑤ 若T≥最長動門時間，則取Q泄= Q平+100×n，跳出循環(huán)。

⑥ n=n+1，轉(zhuǎn)至③。

2.3.2調(diào)洪演算結(jié)果及不同閘門開啟情況時對下游新晃縣城的影響

根據(jù)上述原理進(jìn)行程序試算得出獅子巖水庫的演算成果見表2：

表2、20年一遇洪水獅子巖水庫調(diào)洪演算成果表

閘門啟閉情況 最高庫水位(m) 水位抬高值(m) 正常 316.04 0.00 2扇不能打開 317.09 1.05 4扇不能打開 318.05 2.01 全部不能打開 320.41 4.57

閘門啟閉情況

最高庫水位(m)

水位抬高值(m)

正常

316.04

0.00

2扇不能打開

317.09

1.05

4扇不能打開

318.05

2.01

全部不能打開

320.41

4.57

演算結(jié)果表明，獅子巖水庫若在大洪水時遇閘門不能開啟情況，對水庫本身的防洪有重大影響。如閘門全部不能打開，庫水位比閘門正常啟閉時將升高4m以上，嚴(yán)重危及大壩安全，給下游500m新晃縣城的人民生命財產(chǎn)亦將造成滅頂之災(zāi)。

2.4 魚市水庫潰壩對新晃縣城防洪的影響

2.4.1 潰壩峰值流量的推求

魚市水庫大壩基腳嚴(yán)重淘蝕可能發(fā)生潰壩。潰壩使水庫上、下游水力學(xué)因素發(fā)生巨大變化，特別對壩下而言，潰壩形成涌波，瞬時巨大流量對下游承潰區(qū)將造成極大災(zāi)害。

潰壩水流是一種非恒定不連續(xù)波運動，除受圣·維南非恒定流方程組的控制外，還要愛涌波（即不連續(xù)波）運動規(guī)律的控制。考慮魚市水庫的實際情況，壩下為非恒定流，采用正負(fù)波相交法進(jìn)行最大潰壩流量推求。

假定發(fā)生潰壩時刻為入庫流量最大時刻，根據(jù)圣·維南方程進(jìn)一步概化河槽斷面面積為：

ω=khm=Bh/m

其中

k為常用系數(shù)，B為水面寬，m為河槽斷面形狀系數(shù)。

依據(jù)特征線理論和不連續(xù)波基本方程式推導(dǎo)出向壩址上、下游傳播的逆負(fù)連續(xù)波和不連續(xù)涌波方程為：

式中：

V ——潰壩初頃時刻壩址斷面上的平均流速；

h ——與初頃相應(yīng)的壩址水深；

H0——潰壩前的壩前水深；

V0——潰壩前壩址上游水深為H0的斷面流速；

h2——潰壩前下游原河槽恒定流水深；

V2——其相應(yīng)的斷面平均流速；

m——河槽斷面形狀指數(shù)。

潰壩初頃，在壩址上產(chǎn)生著向上游傳播的逆負(fù)波和向下游傳播的不連續(xù)涌波的銜接。聯(lián)解（1）（2）兩式，求得壩址上的水深h和流速v，從而瞬時潰壩最大流量為：

Qmax=vBh

峰值流量成果見表3：

表3、 魚市水庫最大潰壩流量成果表

來水頻率P 5% 來流量較小時 來水洪峰流量 4820 100 潰壩時刻壩上水位 335.75 327 潰壩時刻壩下水位 326.8 312 計算潰壩最大流量 9990 4530 附注 來流量較小指上游來水量相對于潰壩洪水可忽略不計

來水頻率P

5%

來流量較小時

來水洪峰流量

4820

100

潰壩時刻壩上水位

335.75

327

潰壩時刻壩下水位

326.8

312

計算潰壩最大流量

9990

4530

附注

來流量較小指上游來水量相對于潰壩洪水可忽略不計

2.4.2 潰壩流量過程的推求

水庫總出庫流量過程是水庫蓄水和入庫流量共同作用的結(jié)果，采用水文蓄量法來推求水庫總出庫流量過程如下:

I-Q=ds/dt

式中I為入庫流量；Q為總出庫流量；ds/dt為水庫蓄量隨時間變化率。

將上述方程用有限差分法離散可得

（Ii+Ii+1）/2-（Qi+Qi+1）/2 =△s/△t

其中上標(biāo)i和i+1分別表示t和t+△t時刻變量的值。

△s=（ASi+1+ASi）（hi+1-hi）/2

代入有關(guān)公式得到總的離散方程為

（ASi+1+ASi）（hi+1-hi）/△t+ C1(h－h(huán)b)1.5+C2(h－h(huán)b)2.5+ CsLs(h-hs)1.5+ CgAg(h-hg)0.5+CdLd(h-hd)1.5+Qt+Qi-Ii+1-Ii=0

上述方程可用Newton—Raphson迭代法求解，得到潰壩時水庫的下泄流量過程。

2.4.3 潰壩洪水向下游的演進(jìn)

采用圣維南方程來描述洪水波向下游的傳播，其方程形式如下

連續(xù)方程

動量方程

式中A為有效過流面積；A0為非有效過流面積（灘地蓄水面積）；q為沿河道單位距離的側(cè)向入流或出流（“+”表示入流，“—”表示出流）；Sf為摩阻比降；由曼寧公式求出：Sf=n2|Q|Q/2.21A2R4/3;Se為局部損失（擴散—收縮）比降；Se=K△(Q/A)2/2g△x。圣維南方程為雙曲型偏微分方程組，目前尚無法求出其解析解。應(yīng)用中通常將其離散為代數(shù)方程，然后求出其數(shù)值解。變量的時間差分采用中心差

分，即 變量的空間差分采用有加權(quán)系數(shù)θ的向前差分，即為:

將上述離散式代入圣維南方程中，得到兩個非線性方程。對N個斷面的河道，有（N-1）個河段，可建立（2N—2）個方程。給定上、下游邊界，共同組成2N個非線性方程，利用NewtonRaphson法迭代求解方程組，可求出任意時刻各斷面有關(guān)的水力要素。

2.4.4 潰壩洪水對下游防洪的影響 在獅子巖水庫閘門正常運行的前提下，潰壩洪水對獅子巖水庫的影響主要是由于入庫洪水劇增，抬高了獅子巖水庫的庫水位，演算結(jié)果表明：對于P=5%的設(shè)計洪水，若魚市水庫潰壩，獅子巖水庫壩前水位在調(diào)度及時的情況下，仍將抬高2.58m之多。魚市水庫潰壩對新晃縣城的影響主要是提高了洪水遭遇，洪峰流量增大、水位抬高，加大了對兩岸堤防的壓力。 2.5 魚市水庫潰壩遭遇獅子巖水庫閘門不能打開對新晃縣城防洪的影響 當(dāng)魚市水庫發(fā)生潰壩而獅子巖水庫閘門又不能打開時，這種最惡劣組合將對獅子巖水庫及新晃縣城的防洪造成巨大的威脅，現(xiàn)將演算結(jié)果見表4： 表4、20年一遇魚市水庫潰壩洪水獅子巖水庫調(diào)洪演算表

閘門啟閉情況

最高庫水位(m)

最大下泄流量(m3/s)

正常

318.62

6800

2扇不能打開

319.61

6830

4扇不能打開

320.51

6850

全部不能打開

322.48

7000

由于本河段坡降較大，河道窄深，洪水流量衰減小，且獅子巖水庫壩址距新晃縣城僅500m，因此潰壩洪水傳播速度快，傳播時間短，相應(yīng)的預(yù)見期很短，從表4的演算結(jié)果表明， 20年一遇洪水在魚市水庫發(fā)生潰壩，獅子巖水庫閘門全部不能及時打開的最不利因素組合下，新晃縣城河段水位將平均抬高2.7m，防汛形勢十分緊張。

3、結(jié)論

對于上游有梯級水庫且存在不同程度的安全隱患時，形勢往往比較復(fù)雜，牽一發(fā)而動全局，城市防洪影響評估考慮各種組合結(jié)果截然不同。在制作防洪規(guī)劃時，應(yīng)積極地考慮各種不利因素的組合，不可回避，因此應(yīng)該從以下三個方面采取預(yù)防措施：

（1）、采取各種可行的工程措施，一方面積極排險加固，做到未雨綢廖，另一方面，根據(jù)演算結(jié)果，建立較為完整的防洪體系，使城市防洪的風(fēng)險降到最小。

（2）、水庫運行時，應(yīng)加強大壩管理、監(jiān)測和檢查，對大壩不安全部位發(fā)現(xiàn)問題及時匯報，并采取相應(yīng)工程處理措施。

（3）、建立警報系統(tǒng)，以便一旦出現(xiàn)緊急情況及時向主管部門和當(dāng)?shù)卣畧蟾妫瑢⒋髩喂芾砣藛T撤離至安全地帶，當(dāng)?shù)卣M織居民群眾安全撤離，將損失降到最小程度。

Influence Assessment on Safety Issue of Upstream Step Reservoirs

in City Flood Control.

Abstract: Along with the economic development， the flood control plans are getting more to be made for middle and small size cities. As a case study of the flood control plan for Xinfan county in Hunan Province， the influence assessment and necessary discussion on safety issue of upstream step reservoirs in city flood control were presented in the paper，supplying theoritical proves for scientifical city flood control.

Keywords: Flood control water level; Dan breach; City flood control; Water quantity balance.