防洪水库在山区城市防洪的应用研究

　　摘要：结合龙岩市永定区光坑水库工程实例，对比防洪水库滞洪削峰模式与传统泄洪模式的防洪效果。结果表明，滞洪削峰水库调洪后流量为98m3/s,共削减洪峰流量67m3/s,是传统水库洪峰削减效果的近10倍。此外，滞洪削峰水库发挥出较大的错峰效应。由于滞洪削峰水库泄洪底孔完全打开，水库在常规时间不进行蓄水，不会影响下游河道，不会对生态环境造成影响，是一种生态水库。同时，库容要求小于常规防洪水库，对选址范围要求不高，建设更为便利。有限元模拟结果表明，洪峰到达时，倒灌流量也达到峰值，水库滞洪量处在上升阶段。随着洪峰远离，倒灌流量从流入转变为流出，然后逐渐恢复平稳。

　　关键词：防洪水库;泄洪底孔;溢洪道;洪峰削减;

　　洪水是一种常见的自然灾害，通过修建防洪水库是城市防洪的重要手段，许多学者对此进行了研究[1,2,3,4]。郭世兴等[5]以陕西王瑶水库为研究对象，对多泥沙河流水库的防洪排沙过程进行了阐述和优化。王方方等通过对江西省防洪水库的调查研究，建立了防洪调度优化模型，有效提升了防洪水库的滞洪削峰能力。顿晓晗等提出了一种防洪库容曲线推算方法，评估了水库防洪风险。然而，传统防洪水库常常受到坝址、造价和生态等多方面的限制，如建设成本过高、通过修建防洪水库进行小流域山洪防洪不切实际等等。考虑到传统防洪水库的运作模式，本文提出一种滞洪削峰水库，对选址范围要求不高，便于建设，不会对生态环境造成破坏，可以满足小流域山洪防洪的需要。

　　本文针对滞洪削峰水库的防洪机理进行阐述，与传统防洪水库进行区分，结合工程实例，对比滞洪削峰水库与传统防洪水库的洪峰削减效果。同时，对滞洪削峰水库的设计方法和流程进行描述，包括最大安全泄洪流量的确定、泄洪底孔和溢洪道尺寸的选择和堰顶高程的设计。

　　1 滞洪削峰水库

　　1.1 水库削减洪峰机理

　　修建水库来削减洪峰达到防洪效果，是城市防洪的一种有效手段。洪峰消减机理则基于水量平衡方程：

ΔV=0.5(Q1+Q2)Δt-0.5(q1+q2)Δt       (1)

　　其中：ΔV为时段内的蓄水变化量，m3;Q1为初始进库流量，m3/s; Q2为末段进库流量，m3/s; Δt为该时段持续时间，s; q1为初始出库流量，m3/s; q2为末段出库流量，m3/s。

　　控制入库流量和出库流量可以改变水库蓄水量，通过建设泄洪设施，可以在洪水来临时限制出库流量，以达到消减洪峰的目的。防洪水库的泄洪设施一般为两种，分别是无压溢洪道和有压泄洪底孔。

　　无压溢洪道的泄洪能力计算公式如下：

Q1=mB(2g)0.5h^1.5      (2)

　　其中：Q1为堰泄水流量，m^3/s; m为无量纲的堰流系数；B为泄洪道的宽度；h为溢洪道高度。

　　有压泄洪底孔的泄洪能力计算公式如下：

Q2=μA(2gH)0.5       (3)

　　其中：Q2为底孔泄水流量，m^3/s; μ为无量纲的孔流系数；A为泄洪底孔面积，m^2;H为上下游水位差，m。

　　通过式(2)可知，无压泄洪道的泄洪能力取决于堰顶水头大小。当库水位提高时，能显着增加下泄能力，不过在洪峰削减方面的作用较为有限。通过式(3)可知，有压泄洪底孔的泄洪能力取决于H即上下游水位差。当水位提升时，其泄洪能力增加不明显，但在洪峰削减方面作用较为显着。因此，结合有压泄洪底孔的特点，在防洪时可先将无法通过有压泄洪底孔下泄的洪水引导进水库，以保证下游水位的泄洪安全。同时，若库水位超过设计洪水位，通过无压溢洪道与有压泄洪底孔联合泄洪，以保证大坝的安全性。

　　1.2 滞洪削峰水库的定义

　　通过预留防洪库容来阻蓄洪水是防洪水库的传统手段，其单位库容对洪峰削减的流量通常为0.03～0.38m3/s, 因此对防洪水库库容的要求较高。

　　而在实际防洪案例中，山洪通常是由于连续降雨或者暴雨作用导致河道安全泄洪能力无法满足洪水流量，出现堤防决口或洪水漫顶现象。就防洪工程而言，对于满足河道安全泄洪的洪水关键在于洪峰的削减而不是尽可能减少洪水流量。当存在完全开放的泄洪底孔时，较小的洪水可通过泄洪底孔进行下泄；洪水较大时，泄洪底孔下泄能力会限制泄洪过程，泄洪底孔将从初始的无压状态逐渐转变成有压状态，部分未通过泄洪底孔下泄的洪水在水库中滞蓄。若下游的最大安全泄洪能力等于泄洪底孔下泄的流量，则此时的水位即为水库设计水位，也是溢洪道的堰顶高程。若库水位大于设计水位，则坝顶的溢洪道将与泄洪底孔联合参与泄洪过程，此时下泄流量不再满足下游安全泄洪要求，在下游河道应进行人员物资转移，实施避洪预案。当上游流量减少，其水流量小于泄洪底孔的下泄流量，此时水库中的水将通过泄洪底孔下泄到下流河道中去，水库水位降低，泄洪底孔的泄洪过程将由有压状态转变为无压状态。通过泄洪底孔泄洪从无压向有压再到无压的转化，即为完成一次削减洪峰过程。为了与传统水库进行区别，对上述这种平时不蓄水、开放泄洪底孔的水库定义为滞洪削峰水库。在非洪水时期，滞洪削峰水库可关闭泄洪底孔进行蓄水，对水资源进行利用开发；在主汛期或者有预报暴雨天气时，需要对水库进行预先腾空，以满足防洪需要。

　　2 滞洪削峰水库的大坝设计

　　滞洪削峰水库由于其水库平时不进行蓄水，因此水库库容相对传统防洪水库并不大，但需要在坝底安设泄洪底孔。遇到超过其泄洪标准的洪水，坝顶还需要参与到泄洪过程。因此，在滞洪削峰水库的设计中，不宜采用土石坝作为坝型，多采用混凝土重力坝或浆砌石重力坝作为滞洪削峰水库的主要坝型。可结合当地的地质条件就地取材，在保证质量的前提下，从经济角度选取相应的坝体类型。

　　2.1 确定最大安全泄洪流量

　　确定最大安全泄洪流量是建设滞洪削峰水库的首要目标。若下游河道的泄洪能力不能满足防洪要求，且受到场地、地形限制，无法对河道进行加固以提高其泄洪能力，而建设传统防洪水库又不现实，此时滞洪削峰水库就成为比较优质的选择。滞洪削峰水库的最大安全泄洪流量需通过下游河道的泄洪能力所确定。计算方法主要有河道流量演进法、洪水流量过程线作图法和等效面积计算法等。

　　若在滞洪削峰水库下游出现两个或多个防洪对象时，需分别计算大坝的安全下泄流量，最小值即为水库的最大安全泄洪流量。

　　2.2 泄洪底孔尺寸和溢洪道堰顶高程

　　泄洪底孔的尺寸选择以及溢洪道堰顶高程的确定也是滞洪削峰水库设计的关键。为此，首先需要计算水库的库容曲线，其次对泄洪底孔的尺寸进行假定，再通过洪水过程线进行推演，以此来计算相应的泄洪底孔尺寸所对应的滞洪库容。再结合最大下泄流量，对泄洪底孔的尺寸进行确定，再对该泄洪底孔进行复核验算，确定堰顶高程。此外，在泄洪底孔设计时，应尽可能保证在常发的小洪水防控中，使其不淹没库区农田。

　　2.3 坝顶溢洪道尺寸

　　考虑到出现超标准洪水情况，若出现超标准洪水，坝顶溢洪道也将结合泄洪底孔参与到泄洪过程，因此溢洪道的设计尺寸也需要进行确定。溢洪道尺寸的确定可参考《防洪标准》(GB 50201-1994),见表1。

表1 校核洪水标准

　　滞洪削峰水库溢洪道尺寸按常规防洪水库溢洪道的确定方法进行设计。在条件允许时，可通过物理模型试验对泄洪底孔和溢洪道的下泄水流进行模拟。

　　3 滞洪削峰水库与传统水库削减洪峰比较

　　某水库位于山区，存在山区河流，长期以来，基础设施如桥梁、护岸等防洪标准较低，特别是老城区的小河流，河道被侵占的问题尤为突出，大多存在较大的防洪排涝问题。本文结合水库实际滞洪削峰水库案例，比较两种水库削减洪峰流量情况。工程溢洪道堰顶高640m, 溢洪道宽10m, 泄洪底孔面积5m2,库容24.5×104m3。传统水库与滞洪削峰水库差距主要在于运作方式上，传统水库通常在库水位不超过溢洪道高度情况下不进行泄洪，而滞洪削峰水库则是始终保持泄洪底孔打开。

　　图1为滞洪削峰水库与传统水库削减洪峰流量的情况。从图1中可以看出，在洪水流量较小时，传统水库起始不泄洪，水库开始蓄水，流量为零，相对天然流量降低明显。而滞洪削峰水库在初期天然流量较小时，未参与防洪，泄洪底孔完全打开且处于无压状态，滞洪削峰水库流量与天然流量保持一致。随着时间的增长，传统水库蓄水高度超过堰顶高度，通过溢洪道开始泄洪，此时泄洪底孔也将打开，传统水库调洪后的流量与天然流量差异甚微，在洪峰到来时，经传统水库削减，洪峰流量降低7 m3/s, 洪峰削减效果不明显。随着洪峰的到来，水流量增大，上游流量无法全部通过泄洪底孔流出，滞洪削峰水库的泄洪底孔由开始时的无压泄洪状态逐渐转变为有压泄洪状态，滞洪削峰水库开始蓄水，随着蓄水增多，当蓄水高度超过堰顶高度时，溢洪道开始参与泄洪。因此，滞洪削峰水库在洪峰到来时，通过泄洪底孔压力状态的转化，一部分洪水进入水库，有效削减了洪峰流。从图1中也可以看出，在洪峰到来时，滞洪削峰水库调洪后流量为98m3/s, 共削减洪峰流量67m3/s, 是传统水库洪峰削减效果的近10倍。由于滞洪削峰水库在溢洪道参与泄洪时，明显使洪峰滞后，因此还发挥出较大的错峰效应。

图1 滞洪削峰水库与传统水库削减洪峰流量比较

　　此外，由于传统防洪水库在运作时，无水流流出，会导致下游的河道阻断和断流，使河流的连续性遭到破坏，也会对水生物的迁徙和生存环境造成影响，不利于河流生态的发展。而相对于传统的防洪水库，滞洪削峰水库由于泄洪底孔完全打开，水库在常规时间不进行蓄水，不会影响到下游河道，既能防洪又不对生态环境造成影响，因此滞洪削峰水库也是一种生态水库。

　　4 有限元计算分析

　　4.1 滞洪削峰水库模型建立

　　通过有限元软件建立水库模型，研究滞洪削峰水库滞洪流量和倒灌流量之间的关系。模型河道长度设置为95km, 基本囊括水库上下游区域。为在保证计算精度的前提下兼顾计算效率，在模型划分网格时对水库周边进行局部加密处理，共划分出312 054个有限元网格。有限元网格模型见图2。

图2 有限元网格模型

　　模型边界条件有两种，分别为开边界条件和闭边界条件。河流两岸边界条件为闭边界条件，其法向流量为零。上下游径向为开边界条件，上游的边界条件通过流量进行控制，下游边界条件通过水位进行控制。初始条件设置为冷启动，即设定初始水位，将初始流速场设置为零流速场。水流通过运动方程进行计算和控制。

　　4.2 结果讨论

　　图3为滞洪量与倒灌流量过程曲线。

图3 滞洪量与倒灌流量过程曲线

　　可以发现，在初始阶段水流较小，滞洪削峰水库泄洪底孔完全打开未进行滞洪，因此滞洪量与倒灌流量均为零。随着流量的增加，水库开始逐渐发挥滞洪作用，滞洪量开始增加，而此时的倒灌流量急剧增加，洪峰到达时，倒灌流量也达到峰值，而水库的滞洪量处在上升阶段。洪峰过后，水库滞洪量达到峰值，溢洪道开始参与泄洪，此时的泄洪能力最大，倒灌流量出现减小。滞洪量达到峰值时，倒灌流量呈现下降趋势。后随着洪峰远离，流量减小，倒灌流量呈现负值，表示从流入转变为流出，之后滞洪量和倒灌流量开始逐渐回归到正常值。

　　5 结 论

　　本文阐述了滞洪削峰水库的防洪机理，对滞洪削峰水库的设计方法和流程进行了描述。结合水库工程实例，对比防洪水库滞洪削峰模式与传统泄洪模式的防洪效果。结论如下：

　　1)滞洪削峰水库调洪后流量为98m3/s, 共削减洪峰流量67m3/s, 是传统水库洪峰削减效果的10倍。此外，滞洪削峰水库发挥出较大的错峰效应。

　　2)滞洪削峰水库由于泄洪底孔完全打开，水库在常规时间不进行蓄水，不影响下游河道，既能防洪又不会对生态环境造成影响，是一种生态水库。

　　3)滞洪削峰水库库容要求小于常规防洪水库，对选址范围要求不高，建设更为便利。

　　4)有限元结果表明，洪峰到达时，倒灌流量也达到峰值，水库滞洪量处在上升阶段。随着洪峰远离，倒灌流量从流入转变为流出，之后逐渐恢复平稳。

　　参考文献

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