林 一

（唐山市行政審批局，河北 唐山 063000）

湯河是白河的一級支流，在紅城縣城附近匯入白河，屬于潮白河水系白河流域。湯河自西由東、白河自北向南分別縱貫縣城，是營造城區(qū)水生態(tài)環(huán)境的主動脈，也是紅城縣城區(qū)主要的洪水威脅。紅城縣湯河和白河共建有9 座橡膠壩，為充分利用雨洪資源，在不影響河道行洪的情況下，通過研究橡膠壩的合理調(diào)度方案，協(xié)調(diào)防洪與蓄水矛盾，降低蓄水帶來的防洪風(fēng)險。

1 設(shè)計洪水

設(shè)計洪水計算采用推理公式法和經(jīng)驗公式法，根據(jù)支流匯入情況分3段，即湯河設(shè)計洪水、湯河匯合以上白河設(shè)計洪水和湯河匯合以下白河設(shè)計洪水。

1.1 湯河設(shè)計洪水

湯河是白河的一級支流，在紅城縣城附近匯入白河，全長38.3 km，流域面積360 km2，平均比降11.43‰，上游建有?。?）型水庫——湯泉水庫，水庫控制流域面積348 km2。

1.1.1 湯泉水庫及洪水調(diào)度

湯泉水庫位于紅城縣西北部4.5 km，系潮白河水系白河支流湯河上的一座以防洪、灌溉為主的小（1）型蓄水工程，總控制流域面積348 km2，總庫容561.2 萬m3，工程設(shè)計洪水標準為50 a 一遇、校核洪水標準為500 a 一遇。50 a 一遇的設(shè)計洪水位為123.9 m，最大泄量為 548 m3/s；500 a 一遇的校核洪水位為128.0 m，最大泄量為1 320 m3/s［1］。

湯泉水庫起調(diào)水位為118.5 m，興利水位為123 m，汛限水位為118.5 m。水庫為年調(diào)節(jié)水庫，當遇到較大洪水時可通過閘門控泄不大于326 m3/s的流量。

1.1.2 湯河設(shè)計洪水成果

湯河設(shè)計洪水按湯泉水庫與區(qū)間同頻率相加計算，考慮水庫調(diào)蓄后的下泄過程與區(qū)間過程錯時疊加，湯河洪峰流量為554 m3/s，其成果與流域規(guī)劃相差不大，推薦采用流域規(guī)劃成果，即治理河段20 a一遇洪峰流量為560 m3/s。

1.2 湯河匯合以上白河設(shè)計洪水

1.2.1 云州水庫及洪水調(diào)度

云州水庫位于紅城縣縣城北部20 km 的云州鎮(zhèn)白河上游，是一座以防洪、灌溉為主的大（2）型水庫，建于1958 年，控制流域面積1 170 km2，總庫容1.026 5 億 m3，防洪庫容 0.594 2 億 m3。

云州水庫汛限水位為1 029.7 m，洪水調(diào)度方案為：遇小于20 a一遇洪水與下游錯峰前不泄，控制水位在1 029.7～1 032.7 m；錯峰后控泄100 m3/s，水位控制在1 032.7～1 033.4 m。為保證紅城縣城的防洪安全，遇 20～100 a 一遇洪水，水庫控泄300 m3/s，控制水位在1 033.4～1 035.5 m［2］。

1.2.2 湯河匯合以上白河設(shè)計洪水成果

云州水庫至湯河匯合口以上區(qū)間流域面積357.8 km2，主河道長度46.2 km，河道縱坡10.69‰。水庫與區(qū)間洪水錯峰前不泄洪，該段只需計算云州水庫至湯河匯合以上的區(qū)間洪水，與區(qū)間洪水錯峰后控泄100 m3/s。湯河匯合口以上白河20 a 一遇洪峰流量為480 m3/s。

1.3 湯河匯合以下白河設(shè)計洪水

湯河匯合以下白河設(shè)計洪水根據(jù)湯河設(shè)計洪水和湯河匯合以上白河設(shè)計洪水同頻率錯時相加計算。其設(shè)計洪峰流量由白河湯河匯入前的洪水過程與湯河考慮水庫調(diào)蓄后的洪水過程疊加得到，經(jīng)計算其20 a一遇洪峰流量為840 m3/s。

2 橡膠壩調(diào)度方案分析

橡膠壩的調(diào)度運用對河道及兩岸設(shè)施的防洪影響表現(xiàn)在2個方面：①騰空庫容形成的人造洪峰，可能對縣城及工程下游農(nóng)田及其他設(shè)施產(chǎn)生影響。②洪水到來之前，未能及時塌壩縣城將承擔(dān)的風(fēng)險。塌壩越快，對空庫迎洪越有利，但對下游河道兩岸農(nóng)田和設(shè)施可能產(chǎn)生影響；塌壩越慢，宣泄橡膠壩蓄水產(chǎn)生的洪峰對下游影響越小，但會對縣城防洪構(gòu)成威脅。

2.1 紅城縣橡膠壩概況

紅城縣湯河有5 座橡膠壩，自下而上分別為湯1#、湯 2#、湯 3#、湯 4#、湯 5#橡膠壩，5 座橡膠壩總蓄水容積為18.07萬m3。紅城縣白河有4座橡膠壩，自下而上分別為已建的白 1#、白 2#、白 3#、白 4#橡膠壩，4座橡膠壩總蓄水容積為59.74 萬m3。9 座橡膠壩關(guān)系，如圖1所示。

圖1 紅城縣橡膠壩關(guān)系

2.2 橡膠壩安全條件

根據(jù)橡膠壩廠商提供的技術(shù)指標，在長期過流情況下，橡膠壩壩上安全溢流水深一般為0.2 m。短時間洪水不會造成橡膠壩袋發(fā)生振動，但長期溢流會造成磨損破裂，降低壩袋運行壽命，影響橡膠壩安全。因此，橡膠壩壩頂不宜長時間過流，但允許短時間洪水過流。

2.3 橡膠壩泄量能力和蓄水庫容計算方法及條件

橡膠壩泄洪能力按堰頂出流考慮，未考慮楔形庫容的影響，在非汛期泄流期間不考慮上游洪水匯入，在汛期按照設(shè)計洪水過程考慮上游洪水匯入。

根據(jù)《橡膠壩工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T50979-2014），橡膠壩泄量能力可按堰流基本公式計算：

式中：Q為過壩流量（m3/s）；B為溢流斷面的平均寬度（m）；h0為計入行進流速水頭的堰頂水頭（m）；m為流量系數(shù)；σ為淹沒系數(shù)；ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)。

采用逐時段演進法計算橡膠壩連續(xù)塌壩過程。先確定橡膠壩塌壩時間和計算時段長等基本參數(shù)，再從第一時段開始逐時段計算壩袋塌落后壩高、蓄水庫容、水深、堰上水頭、壩泄流量。對于梯級橡膠壩，當上級橡膠壩泄流時，對下級橡膠壩泄流產(chǎn)生影響，使下級橡膠壩泄流量加大。相鄰兩級橡膠壩泄流過程，采用水量平衡原理，可通過上級橡膠壩泄流后增加下級橡膠壩庫容的方法計算［3］。其計算公式如下：

式中：Vt為t時刻初橡膠壩蓄水庫容（m3）；Vt-1為t-1時刻初橡膠壩蓄水庫容（m3）；Qt為t時刻本級橡膠壩下泄流量（m3/s）為t-1 時刻上級橡膠壩下泄流量（m3/s）；Δt為時段長（s）。

2.4 橡膠壩塌壩形成的洪水過程及洪峰流量

塌壩分析將橡膠壩群看成串并聯(lián)水庫，進行聯(lián)合調(diào)洪計算，由于橡膠壩沿程河段較短，不考慮橡膠壩之間的洪水傳播時間。本次分析了同時塌壩、依次塌壩（逐個橡膠壩從下游至上游依次錯時塌壩）等多種方案。根據(jù)機電設(shè)備能力和盡量縮短塌壩時間的要求，各橡膠壩塌壩時間取60 min。

汛期時，為保證縣城防洪安全，擬定橡膠壩半庫運行；由于湯河貫穿紅城縣城主城區(qū)，對縣城防洪安全影響較大，所以分別對湯河、白河9座串并聯(lián)橡膠壩進行滿庫和半庫運行時泄量分析。為保證橡膠壩的安全和避免發(fā)生洪水漫溢，塌壩順序必須按自下而上進行操作，且上游壩塌壩時間不應(yīng)早于下游壩［4］。

2.4.1 滿庫運行時橡膠壩塌壩分析

對湯河5 座橡膠壩同時塌壩、依次塌壩方案進行泄流分析，形成不同工況下匯入白河的洪水成果；對湯河匯入前的白河3 座橡膠壩（2#、3#、4#）同時塌壩、依次滯后塌壩方案進行泄流分析，形成不同工況下的洪水成果；對湯河、白河9座橡膠壩進行同時塌壩、依次滯后塌壩方案和白河1#壩先塌壩其余8 壩同時塌壩方案進行泄流分析，形成不同工況下的下游洪水成果，詳見表1。

通過表1 可以看出，同時塌壩情況產(chǎn)生的洪峰流量最大，隨著各壩塌壩滯時的增加，由塌壩所形成的最大洪峰流量逐漸減小，空庫歷時則逐漸加長［4］。

湯河5 座橡膠壩依次塌壩滯時5 min 以內(nèi)時洪峰流量相差不大，塌壩滯時10 min 時洪峰流量明顯減小，下降比例接近30%；白河上游3 座橡膠壩依次塌壩滯時10 min 以內(nèi)時洪峰流量相差不大，塌壩滯時20 min時洪峰流量略有減小，下降比例接近17%；9 座橡膠壩依次塌壩滯時10 min 時洪峰流量略有減小、下降比例接近17%，塌壩滯時20 min時洪峰流量減小較大、下降比例約43%。湯河5 座橡膠壩與白河4座橡膠壩對比，庫容相對較小，但是橡膠壩塌壩滯時對下泄洪峰影響相對較大。

滿壩情況下，同時塌壩形成洪峰流量最大，湯河入白河洪峰約為77.1 m3/s，白河匯入口以上所形成洪峰約102.0 m3/s，匯入口以下所形成洪峰約313.0 m3/s，均小于河道治理標準設(shè)計流量，因此不會對紅城縣城造成防洪威脅。白河匯入口以下5 a一遇、10 a一遇設(shè)計流量分別為317 、527 m3/s，因此橡膠壩塌壩形成的洪峰均小于白河下游村莊、農(nóng)田標準設(shè)計流量。

根據(jù)滿庫運行時9 座橡膠壩同時塌壩和依次滯時5、10、20 min塌壩白河下游所形成的洪峰成果，繪制不同工況下橡膠壩塌壩所形成的洪峰過程線，如圖2所示。

圖2 不同工況下橡膠壩塌壩所形成的洪峰過程線

由圖2 可以看出，橡膠壩同時塌壩和依次滯時5、10、20 min 所形成的最大洪峰分別出現(xiàn)在 0.67、0.84、0.99、0.93 h，最大流量分別為 313.0、296.7、260.4、177.5 m3/s。同時塌壩情況洪水過程歷時最短約1.5 h，洪峰最大為313.0 m3/s；塌壩滯時越長，洪水過程歷時越長，洪峰越小，同時塌壩與依次塌壩10 min以內(nèi)，洪水過程歷時與洪峰變化不顯著；塌壩滯時20 min時，洪水過程歷時與洪峰變化相對明顯，塌壩洪水歷時為2.5 h，洪峰減小較大，為177.5 m3/s。塌壩滯時長，洪水過程持續(xù)時間較長，洪水逐漸增大到峰值，過渡相對平穩(wěn)。

2.4.2 半庫運行時橡膠壩塌壩分析

分別對湯河5座橡膠壩、湯河匯入前的白河3座橡膠壩（2#、3#、4#）、湯河與白河9 座橡膠壩同時塌壩方案進行了泄流分析，結(jié)果詳見表2。

表2 橡膠壩半庫運行時同時塌壩調(diào)洪結(jié)果

通過表2 可以看出，橡膠壩半庫運行時，同時塌壩所形成的最大洪峰流量湯河入白河為39.9 m3/s，湯河匯入前白河為47.6 m3/s，湯河匯入后白河橡膠壩下游為175.1 m3/s，不會對紅城縣城造成防洪威脅。

與滿庫運行時比較，塌壩歷時縮短，形成洪峰流量減少較多，降低了蓄水帶來的防洪風(fēng)險，為汛期防洪安全提供了有力保障；并協(xié)調(diào)了防洪與水資源、景觀的矛盾，基本維持了縣城河道蓄水景觀和生態(tài)環(huán)境。

2.5 暴雨洪水預(yù)警與塌壩洪水分析

2.5.1 半壩蓄水條件下的過流能力

汛期，當橡膠壩滿蓄時，上游來水易發(fā)生溢岸。為保證城區(qū)防洪安全，并合理利用水資源，對汛期橡膠壩半庫運行情況進行分析。

橡膠壩半庫運行時，當洪水位達到設(shè)計洪水位時，湯河 5#、4#、3#、2#、1#橡膠壩過流能力分別為207.9、207.9、308.1 、290.5、207.9 m3/s，白河4#、3#、2#、1#橡膠壩過流能力分別為263、285、285、480 m3/s。

2.5.2 白河流域洪水預(yù)報

根據(jù)白河實際情況，云州水庫20 a 一遇洪水不泄洪，白河洪水主要來自于水庫以下區(qū)間。區(qū)間匯流面積小，暴雨產(chǎn)生的洪水到達橡膠壩時間短，無法實現(xiàn)實測暴雨預(yù)報，本次白河洪水預(yù)報采用氣象暴雨預(yù)警方式。根據(jù)云州水庫至橡膠壩區(qū)間降雨強度、降雨總量和持續(xù)時間，確定暴雨預(yù)警信號分為4級，分別以藍色、黃色、橙色、紅色表示。

當發(fā)布暴雨藍色預(yù)警信號后，白河4 座橡膠壩塌壩至半壩；當發(fā)布暴雨黃色、橙色、紅色預(yù)警信號后，白河4 座橡膠壩完全塌壩。由于沒有確定的實測暴雨指標，為安全考慮，建議采取同時塌壩方式。

2.5.3 湯河流域洪水預(yù)報和分析

根據(jù)湯河流域降雨強度、降雨總量和持續(xù)時間，確定暴雨預(yù)警信號分為4 級，分別以藍色、黃色、橙色、紅色表示。當發(fā)布暴雨藍色預(yù)警信號后，湯河5座橡膠壩塌壩高度1.7 m；當發(fā)布暴雨黃色、橙色、紅色預(yù)警信號后，湯河5座橡膠壩完全塌壩。

為保證城區(qū)防洪安全，并合理利用水資源，對汛期橡膠壩半庫運行、20 a 一遇設(shè)計洪水情況下的洪水預(yù)報與調(diào)度進行分析。

（1）湯河流域洪水預(yù)報。湯河流域橡膠壩上游建有水庫，因此利用湯泉水庫進行洪水預(yù)報。根據(jù)湯泉水庫20 a 一遇調(diào)洪成果，可知最大泄量出現(xiàn)在6.77 h，相對于半庫運行的橡膠壩塌壩歷時0.5 h，是可提前預(yù)報的。結(jié)合橡膠壩半庫運行時河道過流能力，確定當湯泉水庫下泄流量達到100 m3/s 時發(fā)出預(yù)警，橡膠壩開始塌壩。當湯泉水庫下泄流量達到100 m3/s時，此時水庫水位為120.2 m。為方便管理，當湯泉水庫水位達到120 m時，發(fā)出預(yù)警。

（2）湯河洪水與蓄水遭遇分析。分同時塌壩、依次塌壩2 種工況，分析湯河20 a 一遇設(shè)計洪水與橡膠壩蓄水遭遇情況。①同時塌壩工況：當湯泉水庫水位達到120 m 時，發(fā)出預(yù)警，并實施湯河5 座橡膠壩同時塌壩，塌壩時間為0.5 h。湯泉水庫距橡膠壩較近，不考慮洪水傳播時間；湯泉水庫下泄洪水與區(qū)間洪水疊加后湯河洪水流量達到159.9 m3/s，與橡膠壩下泄流量遭遇后，湯河1#橡膠壩處會發(fā)生2次洪峰：第一次出現(xiàn)在0.5 h，橡膠壩完全塌壩，河道總下泄流量為200 m3/s，由湯河洪水和橡膠壩下泄洪水組成；之后3.27 h出現(xiàn)設(shè)計洪峰，為湯河洪水，橡膠壩下泄洪水為0。②依次塌壩工況：當湯泉水庫水位達到120 m時，發(fā)出預(yù)警，并實施湯河5座橡膠壩依次塌壩，塌壩滯時20 min，塌壩時間為1.83 h（110 min）。湯泉水庫距橡膠壩較近，不考慮洪水傳播時間；湯泉水庫下泄洪水與區(qū)間洪水疊加后湯河洪水流量達到366.5 m3/s，與橡膠壩下泄流量遭遇后，湯河1#橡膠壩處會發(fā)生2 次洪峰：第一次出現(xiàn)在1.83 h，橡膠壩完全塌壩，河道總下泄流量為380 m3/s，由湯河洪水和橡膠壩下泄洪水組成；之后1.94 h出現(xiàn)設(shè)計洪峰，為湯河洪水，橡膠壩下泄洪水為0。經(jīng)上述分析可知，同時塌壩與依次塌壩2種工況下湯河洪水與蓄水均沒有遭遇，相比較同時塌壩工況下第一次洪峰出現(xiàn)時刻較早而且洪峰流量偏小，推薦同時塌壩方式。

（3）湯河、白河流域同頻率設(shè)計洪水與塌壩洪水分析。為保證城區(qū)防洪安全，并合理利用水資源，分同時塌壩、依次塌壩2種工況，對汛期橡膠壩半庫運行、白河與湯河洪水同頻率發(fā)生、20 a一遇設(shè)計洪水的洪水預(yù)報與調(diào)度進行分析。①同時塌壩工況：當湯泉水庫水位達到120 m時，發(fā)出預(yù)警，白河（湯河匯入口以上）3座橡膠壩同時塌壩，塌壩時間為0.5 h，此時白河上游河道總下泄流量為100 m3/s（白河區(qū)間52 m3/s）、湯河與白河洪水疊加洪峰流量達到211 m3/s、與橡膠壩下泄流量遭遇后白河1#橡膠壩處河道總下泄流量為300 m3/s；之后4.5 h出現(xiàn)設(shè)計洪峰，為白河洪水，橡膠壩下泄洪水為0。②依次塌壩工況：當湯泉水庫水位達到120 m時，發(fā)出預(yù)警，白河5座橡膠壩依次塌壩，塌壩滯時20 min，塌壩時間1.83 h，此時白河上游3道壩與河道總下泄流量為130 m3/s（白河區(qū)間82.2 m3/s）、湯河與白河洪水疊加洪峰流量達到450 m3/s、與橡膠壩下泄流量遭遇后白河1#橡膠壩處河道總下泄流量為510 m3/s；之后3.17 h出現(xiàn)設(shè)計洪峰，為白河洪水，橡膠壩下泄洪水為0。經(jīng)上述分析可知，同時塌壩與依次塌壩2種工況下，白河1#橡膠壩處上游洪水與蓄水均沒有遭遇，相比較同時塌壩工況下第一次洪峰出現(xiàn)時刻較早而且洪峰流量偏小，推薦同時塌壩方式。

2.6 橡膠壩調(diào)度影響分析

2.6.1 非汛期

在滿壩情況下，在橡膠壩同時塌壩、依次塌壩不同工況下，同時塌壩形成的泄流洪水最大，湯河入白河泄流洪水流量最大為77.1 m3/s，白河橡膠壩下游形成的泄流洪水流量最大為313.0 m3/s，泄流洪水小于河道行洪能力，不會對縣城造成威脅。為使下泄洪水對下游造成的影響最小且沒有時間限制，推薦白河1#橡膠壩先塌壩、其余8 壩依次塌壩方式，時間間隔越長所形成的下泄洪水越小。

2.6.2 汛期

（1）白河流域。白河流域根據(jù)發(fā)布的暴雨預(yù)警信號進行橡膠壩調(diào)度。當發(fā)布暴雨藍色預(yù)警信號時，白河4座橡膠壩同時塌壩至半壩；當發(fā)布暴雨黃色、橙色、紅色預(yù)警信號時，白河4 座橡膠壩同時塌壩直至完全塌壩。

（2）湯河流域。湯河流域根據(jù)發(fā)布的暴雨預(yù)警信號進行橡膠壩調(diào)度。當發(fā)布暴雨藍色預(yù)警信號時，湯河5 座橡膠壩同時塌壩1.7 m；當發(fā)布暴雨黃色、橙色、紅色預(yù)警信號時，湯河5 座橡膠壩同時塌壩直至完全塌壩。當發(fā)生20 a 一遇洪水時，在半庫運行情況下，當湯泉水庫水位達到120 m時發(fā)出預(yù)報，湯河5 座橡膠壩塌壩。湯河最下游1#橡膠壩完全塌壩時出現(xiàn)第一次洪峰為200 m3/s，由湯河洪水和橡膠壩下泄洪水組成；之后3.27 h出現(xiàn)第二次洪峰，為湯河設(shè)計洪水，橡膠壩下泄洪水為0。因此，在此種調(diào)度情況下，洪水主峰仍是湯河設(shè)計洪峰，湯河行洪能力滿足要求，不會對紅城縣城防洪造成威脅。

（3）白河、湯河流域同頻率。當發(fā)生20 a一遇洪水時，在半庫運行情況下，當湯泉水庫水位達到120 m時發(fā)出預(yù)報，9 座橡膠壩塌壩。同時塌壩白河最下游1#橡膠壩位置出現(xiàn)2 次洪峰，第一次洪峰時白河1#橡膠壩處洪峰為300 m3/s，第二次洪峰時為河道設(shè)計洪峰，此時橡膠壩無泄流。因此，在此種調(diào)度情況下，洪水主峰仍是湯河、白河洪水洪峰，湯河、白河行洪能力滿足要求，不會對紅城縣城防洪造成威脅。

2.7 橡膠壩調(diào)度運用原則

橡膠壩的控制運用應(yīng)由縣水利局統(tǒng)一調(diào)度，并服從市防汛抗旱指揮部統(tǒng)一指揮，其控制運用原則如下。

（1）汛期應(yīng)與上游水利等管理部門聯(lián)系，根據(jù)氣象和水文預(yù)報掌握水情，提前采取安全保護措施。

（2）橡膠壩塌壩應(yīng)按照自下而上順序塌壩。為確保紅城縣城、上下游河道和橡膠壩安全，分析確定橡膠壩非汛期、汛期調(diào)度運用原則。①非汛期調(diào)度運用：滿庫運行時，橡膠壩自下而上同時塌壩或依次塌壩工況形成的下泄洪水，均不會對紅城縣城區(qū)造成威脅。②汛期調(diào)度運用：汛期應(yīng)高度關(guān)注上游流域雨情、水情和湯泉水庫泄流情況，科學(xué)預(yù)測和調(diào)度運用。當氣象部門發(fā)布暴雨預(yù)警信號后，橡膠壩開始同時塌壩至少至半壩，并根據(jù)實際來水進行調(diào)度；當暴雨預(yù)警信號解除后，橡膠壩可以及時立壩。當湯泉水庫水位達到120 m 且仍在上漲時，發(fā)出預(yù)報，湯河5 座橡膠壩和白河1#橡膠壩同時塌壩，確保河道行洪安全；湯泉水庫水位達到120 m 后不再增加，并且根據(jù)上游流域氣象預(yù)報中長期無降水時，橡膠壩可以及時立壩，攔蓄剩余洪水，合理利用水資源。

（3）橡膠壩蓄水期間，當出現(xiàn)危及橡膠壩安全的其他緊急情況時，橡膠壩應(yīng)及時塌壩。

3 結(jié)論與建議

（1）橡膠壩工程能否發(fā)揮已有的效益，運行管理是關(guān)鍵。建議橡膠壩管理單位必須嚴格執(zhí)行批準的運行方案和操作規(guī)程，以保證橡膠壩工程安全運行。

（2）橡膠壩管理單位應(yīng)進行科學(xué)管理，并應(yīng)服從防汛調(diào)度和運行控制要求，對工程進行經(jīng)常性檢查、觀測、養(yǎng)護、維修和控制運行。各項記錄應(yīng)及時歸檔，建立完整的技術(shù)檔案［5］。

（3）在橡膠壩工程管理范圍內(nèi)不得進行爆破、采砂、游泳、捕魚、排污等不利于橡膠壩安全的活動［5］。

（4）橡膠壩塌壩前應(yīng)事先通知下游村莊、企業(yè)等有關(guān)單位和部門做好準備，并應(yīng)以各種有效信號對危險區(qū)域發(fā)出警告。