摘要：隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，越來(lái)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(kù)存在安全隱患時(shí)對(duì)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(wàn)，是全縣的經(jīng)濟(jì)、文化中心。沅水一級(jí)支流舞水自西向東，呈“Ω”型切城而過(guò)。城區(qū)以上11km處的舞水干流上建有魚(yú)市水庫(kù)，該水庫(kù)控制面積6600km2，正常高水位327.00m，相應(yīng)庫(kù)容880×104m3。該水庫(kù)至今已運(yùn)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(shí)測(cè)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(shì)，存在嚴(yán)重的安全隱患。在魚(yú)市水庫(kù)以下，縣城以上0.5km處建有獅子巖水庫(kù)，該水庫(kù)1987年投入運(yùn)行，集水面積6717km2，正常高水位314.00m，相應(yīng)庫(kù)容600×104m3。8年來(lái)，9扇弧形鋼閘門(mén)共計(jì)5400m2面積部分長(zhǎng)期處于水下運(yùn)行，銹蝕嚴(yán)重，銹蝕深度已達(dá)2—4mm，多次出現(xiàn)閘門(mén)啟吊困難，造成鋼纜斷裂，閘門(mén)滑落事故。縣城地勢(shì)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(duì)城市防洪影響的評(píng)估

2.1 工程防洪標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)國(guó)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(jí)為四級(jí)，即防洪標(biāo)準(zhǔn)為近期20年一遇。

2.2 設(shè)計(jì)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(jì)算，求得城區(qū)各種頻率下的設(shè)計(jì)洪峰流量，根據(jù)新晃縣城區(qū)新晃水位站的實(shí)測(cè)水位流量關(guān)系資料，求得相應(yīng)頻率下的設(shè)計(jì)洪峰水位，經(jīng)與城區(qū)洪調(diào)成果及實(shí)測(cè)歷年最高水位對(duì)比，成果合理、可靠，縣城城區(qū)設(shè)計(jì)洪水分析成果見(jiàn)表1。

表1、新晃縣城城區(qū)設(shè)計(jì)洪水分析成果表

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

設(shè)計(jì)頻率（％）

5（20年一遇）

設(shè)計(jì)洪峰流量（m3/s）

4820

設(shè)計(jì)洪峰水位（m）

314.94

2.3 獅子巖水庫(kù)閘門(mén)故障對(duì)新晃縣城和自身防洪的影響

由于獅子巖水庫(kù)閘門(mén)無(wú)檢修門(mén)，閘門(mén)嚴(yán)重銹蝕，出現(xiàn)啟閉困難，嚴(yán)重導(dǎo)致閘門(mén)打不開(kāi)，影響泄洪，現(xiàn)根據(jù)凈庫(kù)容水量平衡原理（不考慮庫(kù)面蒸發(fā)和水庫(kù)滲漏等損失），采用試算搜索法求解，對(duì)5%頻率設(shè)計(jì)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(shí)一般給定庫(kù)水位上（下）限，當(dāng)調(diào)洪演算水位越上（下）限時(shí)，判斷可用操作區(qū)，根據(jù)調(diào)度規(guī)程開(kāi)啟（關(guān)閉）閘門(mén)。下面以獅子巖水庫(kù)常規(guī)調(diào)度過(guò)程說(shuō)明一次閘門(mén)操作的演算過(guò)程：

①計(jì)算越限時(shí)段初出入庫(kù)平衡泄量變化量Q平：

Q平＝|Q入-Q出|

式中：Q入為越限時(shí)段初入庫(kù)流量；Q出為越限時(shí)段初出庫(kù)流量。

② n=1。

③計(jì)算閘門(mén)啟閉流量變化量(Q泄= Q平+100×n)和最低（高）庫(kù)水位H。

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

⑤ 若T≥最長(zhǎng)動(dòng)門(mén)時(shí)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(mén)開(kāi)啟情況時(shí)對(duì)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(kù)的演算成果見(jiàn)表2：

表2、20年一遇洪水獅子巖水庫(kù)調(diào)洪演算成果表

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

閘門(mén)啟閉情況

最高庫(kù)水位(m)

水位抬高值(m)

正常

316.04

0.00

2扇不能打開(kāi)

317.09

1.05

4扇不能打開(kāi)

318.05

2.01

全部不能打開(kāi)

320.41

4.57

演算結(jié)果表明，獅子巖水庫(kù)若在大洪水時(shí)遇閘門(mén)不能開(kāi)啟情況，對(duì)水庫(kù)本身的防洪有重大影響。如閘門(mén)全部不能打開(kāi)，庫(kù)水位比閘門(mén)正常啟閉時(shí)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(cái)產(chǎn)亦將造成滅頂之災(zāi)。

2.4 魚(yú)市水庫(kù)潰壩對(duì)新晃縣城防洪的影響

2.4.1 潰壩峰值流量的推求

魚(yú)市水庫(kù)大壩基腳嚴(yán)重淘蝕可能發(fā)生潰壩。潰壩使水庫(kù)上、下游水力學(xué)因素發(fā)生巨大變化，特別對(duì)壩下而言，潰壩形成涌波，瞬時(shí)巨大流量對(duì)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(yùn)動(dòng)，除受圣·維南非恒定流方程組的控制外，還要愛(ài)涌波（即不連續(xù)波）運(yùn)動(dòng)規(guī)律的控制。考慮魚(yú)市水庫(kù)的實(shí)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(shí)刻為入庫(kù)流量最大時(shí)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(shí)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(shí)潰壩最大流量為：

Qmax=vBh

峰值流量成果見(jiàn)表3：

表3、 魚(yú)市水庫(kù)最大潰壩流量成果表

來(lái)水頻率P 5% 來(lái)流量較小時(shí) 來(lái)水洪峰流量 4820 100 潰壩時(shí)刻壩上水位 335.75 327 潰壩時(shí)刻壩下水位 326.8 312 計(jì)算潰壩最大流量 9990 4530 附注 來(lái)流量較小指上游來(lái)水量相對(duì)于潰壩洪水可忽略不計(jì)

來(lái)水頻率P

5%

來(lái)流量較小時(shí)

來(lái)水洪峰流量

4820

100

潰壩時(shí)刻壩上水位

335.75

327

潰壩時(shí)刻壩下水位

326.8

312

計(jì)算潰壩最大流量

9990

4530

附注

來(lái)流量較小指上游來(lái)水量相對(duì)于潰壩洪水可忽略不計(jì)

2.4.2 潰壩流量過(guò)程的推求

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

I-Q=ds/dt

式中I為入庫(kù)流量；Q為總出庫(kù)流量；ds/dt為水庫(kù)蓄量隨時(shí)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(shí)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(shí)水庫(kù)的下泄流量過(guò)程。

2.4.3 潰壩洪水向下游的演進(jìn)

采用圣維南方程來(lái)描述洪水波向下游的傳播，其方程形式如下

連續(xù)方程

動(dòng)量方程

式中A為有效過(guò)流面積；A0為非有效過(guò)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(kuò)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(wú)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(shí)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(gè)非線性方程。對(duì)N個(gè)斷面的河道，有（N-1）個(gè)河段，可建立（2N—2）個(gè)方程。給定上、下游邊界，共同組成2N個(gè)非線性方程，利用NewtonRaphson法迭代求解方程組，可求出任意時(shí)刻各斷面有關(guān)的水力要素。

2.4.4 潰壩洪水對(duì)下游防洪的影響 在獅子巖水庫(kù)閘門(mén)正常運(yùn)行的前提下，潰壩洪水對(duì)獅子巖水庫(kù)的影響主要是由于入庫(kù)洪水劇增，抬高了獅子巖水庫(kù)的庫(kù)水位，演算結(jié)果表明：對(duì)于P=5%的設(shè)計(jì)洪水，若魚(yú)市水庫(kù)潰壩，獅子巖水庫(kù)壩前水位在調(diào)度及時(shí)的情況下，仍將抬高2.58m之多。魚(yú)市水庫(kù)潰壩對(duì)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(duì)兩岸堤防的壓力。 2.5 魚(yú)市水庫(kù)潰壩遭遇獅子巖水庫(kù)閘門(mén)不能打開(kāi)對(duì)新晃縣城防洪的影響 當(dāng)魚(yú)市水庫(kù)發(fā)生潰壩而獅子巖水庫(kù)閘門(mén)又不能打開(kāi)時(shí)，這種最惡劣組合將對(duì)獅子巖水庫(kù)及新晃縣城的防洪造成巨大的威脅，現(xiàn)將演算結(jié)果見(jiàn)表4： 表4、20年一遇魚(yú)市水庫(kù)潰壩洪水獅子巖水庫(kù)調(diào)洪演算表

閘門(mén)啟閉情況

最高庫(kù)水位(m)

最大下泄流量(m3/s)

正常

318.62

6800

2扇不能打開(kāi)

319.61

6830

4扇不能打開(kāi)

320.51

6850

全部不能打開(kāi)

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(kù)壩址距新晃縣城僅500m，因此潰壩洪水傳播速度快，傳播時(shí)間短，相應(yīng)的預(yù)見(jiàn)期很短，從表4的演算結(jié)果表明， 20年一遇洪水在魚(yú)市水庫(kù)發(fā)生潰壩，獅子巖水庫(kù)閘門(mén)全部不能及時(shí)打開(kāi)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(shì)十分緊張。

3、結(jié)論

對(duì)于上游有梯級(jí)水庫(kù)且存在不同程度的安全隱患時(shí)，形勢(shì)往往比較復(fù)雜，牽一發(fā)而動(dòng)全局，城市防洪影響評(píng)估考慮各種組合結(jié)果截然不同。在制作防洪規(guī)劃時(shí)，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(gè)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(xiǎn)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(xiǎn)降到最小。

（2）、水庫(kù)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)大壩管理、監(jiān)測(cè)和檢查，對(duì)大壩不安全部位發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)匯報(bào)，并采取相應(yīng)工程處理措施。

（3）、建立警報(bào)系統(tǒng)，以便一旦出現(xiàn)緊急情況及時(shí)向主管部門(mén)和當(dāng)?shù)卣畧?bào)告，將大壩管理人員撤離至安全地帶，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.