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。
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。
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(biāo)準為50 a 一遇、校核洪水標(biāo)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(dāng)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。
1.2.1 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。
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。
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。
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
根據(jù)橡膠壩廠商提供的技術(shù)指標(biāo),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。
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(dāng)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)。
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(biāo)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(biāo)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。
2.5.1 半壩蓄水條件下的過流能力
汛期,當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(biāo),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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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。
2.6.1 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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)發(fā)生20 a 一遇洪水時,在半庫運行情況下,當(dāng)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(dāng)發(fā)生20 a一遇洪水時,在半庫運行情況下,當(dāng)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。
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(dāng)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(dāng)暴雨預(yù)警信號解除后,橡膠壩可以及時立壩。當(dāng)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(dāng)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。
(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。