王 莉

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110003)

水庫是調(diào)節(jié)洪水的重要水利工程，對洪水調(diào)節(jié)作用十分明顯。當(dāng)水庫入庫發(fā)生較大洪水時，經(jīng)過調(diào)洪后，水庫下泄水量對下游河道淹沒范圍內(nèi)的影響有所不同，尤其出現(xiàn)超標準洪水時候，需要水庫進行科學(xué)調(diào)度，在盡量進行攔洪削峰措施下，也最大程度減少對下游河道淹沒范圍的經(jīng)濟損失。為科學(xué)調(diào)度水庫，需要對水庫不同調(diào)度方案下的淹沒范圍進行分析，從而降低水庫調(diào)洪泄水對區(qū)域內(nèi)淹沒損失。近些年來，對于河道不同洪水條件下的淹沒損失分析取得一定研究成果，這些研究成果中大都結(jié)合水力學(xué)模型，通過洪水淹沒范圍模擬，對淹沒范圍內(nèi)的經(jīng)濟損失、影響人口進行分析，從而為防汛決策提供依據(jù)。但是在水庫不同調(diào)度方案下對下游河道淹沒損失分析的研究成果還較少。為此本文以清河水庫為具體實例，以防汛科學(xué)調(diào)度實際需求為背景，結(jié)合水力學(xué)模型對清河水庫不同調(diào)度方案下對下游河道淹沒范圍進行具體分析，采用下游河道淹沒范圍內(nèi)調(diào)查數(shù)據(jù)以及遙感數(shù)據(jù)對其淹沒損失進行定量分析，研究成果對于水庫防洪措施下的科學(xué)調(diào)度具有重要參考價值。

1 研究區(qū)域概況

清河水庫是遼河流域的重要水利樞紐工程之一，位于清河干流上，控制面積2376km2，占清河流域總面積的49%，總庫容9.71億m3，為大Ⅱ型水庫，壩址距下游長大鐵路橋和開原縣城約13km。壩址處1956—2007年多年平均徑流量5.08億m3。清河水庫壩址以上河長122km，河道寬度為30～160m，平均比降2.03‰，灘槽由礫石、粗砂組成。清河水庫以下至河口段是遼河左岸較大的支流。清河上游有南北兩支，南支為主流，發(fā)源于清原縣英額門鎮(zhèn)老虎頂山，流至開原市與發(fā)源于西豐縣的碾盤河在耿王莊匯合，在老城鎮(zhèn)接納寇河，于業(yè)民鎮(zhèn)大高力屯注入遼河。清河全長159km，流域面積為5150km2，流經(jīng)撫順市的清原縣、鐵嶺市的開原市和清河區(qū)。本文計算范圍為清河水庫壩下清河河道，本河段長約38km，清河水庫下游清河河道主要為開原市和清河區(qū)。期間主要支流包括小清河、寇河、金線河、馬仲河。清河水庫以下部分河道為灘槽較分明的復(fù)式河槽，清河區(qū)段主槽平均寬200～300m，開原段主槽寬300～500m，河床以細砂、粗砂為主。

2 研究方法

2.1 不同流量條件下的淹沒范圍計算

主要采用水力學(xué)模型對水庫不同出流條件下的下游河道淹沒范圍進行分析，其水流控制計算方程為：

(1)

其中水平和垂向方向上的水動力計算方程分別為：

(2)

(3)

式中，h—計算水深，m；d—河床高程，m；ξ—計算斷面水位，m；p、q—不同方向水流計算單寬流量，m3/(s/m)；C—謝才系數(shù)；g—重力加速度，m/s2；τxx—水流水平方向剪切應(yīng)力的分量；τxy—垂直水流方向的剪切應(yīng)力分量；ρw—水體密度，g/cm3；Ω—科氏力學(xué)系數(shù)；w—地球自轉(zhuǎn)的角速度，(°)/s；t—計算時刻，h；Pa—大氣壓差，kPa；f(v)—風(fēng)摩擦系數(shù)；x—水平方向坐標；y—水流垂向坐標；V—風(fēng)速，m/s；Vx—水平方向流速分量，m/s；Vy—垂直方向流速分量，m/s。

本文建立的二維水力學(xué)模型采用雙向隱格式算法進行數(shù)值計算，方程采用雙向DS消除方法進行求解。

2.2 模型計算條件

結(jié)合水庫不同調(diào)度方案下的流量以及水位作為二維水力學(xué)模型的上邊界輸入，結(jié)合下游河道野外測量地形數(shù)據(jù)以及區(qū)域數(shù)字高程數(shù)據(jù)作為模型地形輸入數(shù)據(jù)，對水庫不同調(diào)度方案下的淹沒范圍進行演算，本文以清河水庫為實例，結(jié)合其下游清河水文數(shù)據(jù)以及水庫設(shè)計資料對模型糙率區(qū)間進行確定。以下游八棵樹水文站水位流量關(guān)系作為其計算下邊界。采用三角網(wǎng)格對水庫下游河道進行空間剖分，對于部分沖淤變化較大的區(qū)域，對其計算網(wǎng)格進行加密處理，本次模型計算劃分的網(wǎng)格個數(shù)為16850個。

3 模型計算

3.1 河道糙率及斷面處理

3.1.1糙率確定及模型驗證

通過不斷調(diào)整模型中的糙率，充分考慮包括灘槽劃分、地形(包括魚塘、沙坑、灘地構(gòu)筑物等)等諸多影響因素，參考2019年實測河底及平面地形等因素，結(jié)合對比沿程水文、水位站的2019年實測水位流量關(guān)系，最終復(fù)核得到與洪水期較為接近的數(shù)學(xué)計算模型成果。綜合糙率為0.025～0.032。計算結(jié)果與洪痕的差值除個別點在0.2m以外，基本都在0.1m以內(nèi)，如圖2所示，表明構(gòu)建的水力學(xué)模型計算結(jié)果較為合理。

圖2 計算水位與洪痕對比圖

3.1.2斷面處理

清河水庫以下河道共40個大橫斷面，從遼河管理路橋起至清河水庫止。對部分高程低于水位的斷面進行了補測，斷面長度滿足要求。清河水庫以下又劃分成清河水庫至寇河匯入清河段、清河支流寇河匯入口至清河閘段和清河閘至清河口段3段。清河水庫以下至寇河匯入口段，由于沒有較大支流匯入，所以設(shè)計洪水采用清河水庫1995年典型樞紐洪水調(diào)節(jié)計算成果；清河支流寇河匯入口至清河閘段設(shè)計洪水成果采用清河水庫泄洪后的開原洪水組合成果；清河閘以下至清河口段設(shè)計洪水，由于有馬仲河匯入，所以設(shè)計洪水是在開原站洪水組合成果基礎(chǔ)上，考慮馬仲河洪水匯入后的成果。各段計算頻率及流量見表1。

表1 清河水庫以下河道各河段計算頻率、流量

3.2 起點水位的確定

根據(jù)河道流量及沿河建筑物情況，將計算河段分為清河水庫至城郊攔河壩段、城郊攔河壩至清河閘段、清河閘至遼河回水末端3段。

清河水庫至城郊攔河壩段：起點水位根據(jù)城郊攔河壩壩上水位流量關(guān)系曲線，50年一遇流量對應(yīng)的起點水位91.43m，20年一遇流量對應(yīng)的起點水位90.52m。

城郊攔河壩至清河閘段：起點水位根據(jù)清河閘閘上水位流量關(guān)系曲線，50年一遇流量對應(yīng)的起點水位80.64m，20年一遇流量對應(yīng)的起點水位79.53m。

清河閘至遼河回水末端段：起點水位根據(jù)遼河回水末端遼河管理路橋上水位流量關(guān)系曲線，50年一遇流量對應(yīng)的起點水位65.6m，20年一遇流量對應(yīng)的起點水位64.6m。

3.3 清河水庫下游河道外業(yè)調(diào)查結(jié)果

通過調(diào)查統(tǒng)計清河水庫壩下清河河道行洪面積約3287.16hm2，河道主槽面積792.62 hm2，灘地2494.54 hm2。其中，壩下荒地75.63 hm2，旱地1941.65 hm2，水田87.28 hm2，林地44.09 hm2，魚塘4.02 hm2，河灘地7.88 hm2，大棚1.69 hm2，市政綠化用地243.02 hm2，其他地類89.28 hm2，清河水庫壩下清河河道面積及地類面積等詳見表2。另外，經(jīng)水位核實及村屯新測量地圖可知，新測量的6個村屯中有4個村屯在設(shè)計流量情況下存在不同程度的淹沒，分別為小四寨子、業(yè)民村(大四寨子)、三家子村(合并至新興村)、郎家屯。業(yè)民村(大四寨子)、小四寨子屬開原市。小四寨子、業(yè)民村(大四寨子)位于清河左岸。三家子村(合并至新興村)、郎家屯屬于清河區(qū)，均位于清河右岸。

表2 清河水庫壩下清河河道外業(yè)調(diào)查綜合結(jié)果 單位：hm2

3.4 淹沒損失分析

以清河水庫調(diào)度規(guī)則，經(jīng)調(diào)洪演算方程推求其不同調(diào)度方案的下泄流量及前述各河段起點水位作為二維水力學(xué)模型輸入上邊界，通過水力計算并綜合河道大橫斷面測量資料、平面地形圖、航片影像圖及新測分界堤、村屯等資料對清河水庫下游各河段行洪淹沒范圍進行分析，結(jié)合清河水庫壩下河道行洪面積、主槽面積及河道內(nèi)各縣區(qū)地類分布情況對清河水庫不同調(diào)度方案下3個計算河段淹沒損失進行統(tǒng)計，成果見表3—5。

不同流量下淹沒面積為包含關(guān)系，即大流量淹沒面積包含小流量淹沒面積，區(qū)間流量增加淹沒面積為二流量下淹沒面積差值。由表3可知，清河水庫至城郊攔河壩段灘地在1500m3/s流量時受淹沒影響，當(dāng)達到50年標準流量(4690m3/s)時淹沒達到最大；由表4可知，城郊攔河壩至清河閘段段灘地在2100m3/s流量時受淹沒影響，當(dāng)達到50年標準流量(4393m3/s)時淹沒面積達到最大。由表5可知，清河閘至遼河回水末端段灘地在800m3/s流量時受淹沒影響，當(dāng)達到50年標準流量(1480m3/s)時淹沒面積達到最大。表3—5中流量大于50年標準流量的淹沒面積為淹沒線與堤防之間的淹沒面積。

表3 清河水庫壩下清河河道不同流量下的淹沒損失成果表(清河水庫至城郊攔河壩段)

表4 清河水庫壩下清河河道不同流量下的淹沒損失成果表(城郊攔河壩至清河閘段)

表5 清河水庫壩下清河河道不同流量下的淹沒損失成果表(清河閘至遼河回水末端)

4 主要結(jié)論

(1)結(jié)合清河水庫壩下清河河道不同流量下的淹沒損失成果可以為清河水庫科學(xué)調(diào)度提供重要依據(jù)，當(dāng)水庫按50年一遇標準進行調(diào)洪時，下游河道淹沒范圍將達到最大，當(dāng)水庫需要按50年一遇標準進行泄洪時，應(yīng)及時做好下游人員轉(zhuǎn)移工作，盡量降低泄洪產(chǎn)生的人員和財產(chǎn)損失。

(2)若水庫下游河道沿程有跨河水工建筑物如攔河閘壩，建議進行分段建模，從而提高淹沒范圍的計算精度，以水工建筑物閘前或壩前水位流量關(guān)系作為上邊界條件進行分段計算。

(3)本文只對水庫不同調(diào)度方案下水庫淹沒損失進行了統(tǒng)計分析，而對于如何定量評估其經(jīng)濟損失還未進行深入研究，在后續(xù)研究中還應(yīng)對其淹沒的經(jīng)濟損失進行定量評估，從而對于后續(xù)經(jīng)濟損失評估提供依據(jù)。