1、2023 年第 2 期水利技术监督建设与管理DOI:10.3969/j.issn.1008-1305.2023.02.033周公宅水库上游梯级水库在防洪中的应用杨益青，王强(宁波市水利水电规划设计研究院有限公司，浙江 宁波 315000)摘要:为有效提升已建水库防洪能力，保障下游城市社会经济高质量发展，通过打破传统水库工程建设思路，从较易实现的工程方案、较低的工程投资、较高的防洪效益出发，于已建大型水库周公宅水库上游，新建平时蓄水、台汛期空库运行，主要用于防洪的水库工程，形成梯级水库，以提升周公宅水库的削峰及拦洪能力。该分析成果可为宁波市已建大中型水库工程防洪能力提升提供借鉴。关键词:梯级水库
2、;防洪;坝址比选;空库运行中图分类号:TV6文献标识码:B文章编号:1008-1305(2023)02-0128-04收稿日期:2022-09-27作者简介:杨益青(1990 年)，男，工程师。E-mail:317162714 宁波市东、南、北三面临海，西面靠山，山区面积占比 50%以上，因地形地势及海陆分布影响，城市易受“洪、涝、潮”三重威胁，水库工程建设历来是宁波市提升流域防洪减灾能力的重要基础水利工程。但一方面，已建大中型水库受制于水库供水功能、大坝型式等因素制约，通过加高扩容等方式提升水库防洪能力的难度较大，且随着规划水库工程逐步建设完成，可用于进一步新建综合性水库的坝址亦较少;另一方
3、面，随着宁波市社会经济的发展，水库建设过程中，征地移民等政策处理费用占工程总投资的比例不断升高，已远超水库工程本身的建设投资，导致传统水库工程建设的性价比不断降低，建设难度不断加大。为提升已建水库防洪能力，保障流域防洪安全，以周公宅水库为例，突破传统思路，在其上游寻找适宜坝址新建水库，形成梯级水库，新建水库采用平时蓄水、台汛期空库运行的方式，充分发挥梯级水库工程的空间分布优势，提升水库整体的防洪效益，切实保障下游人民群众的生命财产安全。1区域概况周公宅水库位于宁波市章水镇大皎溪干流上，距宁波市区 51km，是一座供水、防洪结合发电的综合利用大(2)型水利工程，为完全年调节水库，是下游宁波中心城
4、区重要供水水源。水库坝址以上控制流域面积 132km2，水库按 500 年一遇洪水设计，设计洪水位为 237.70m，2000 年一遇洪水校核，校核洪水位 237.89m，总库容 1.118 亿 m3 1。水库 泄 水 建 筑 物 主 要 为 溢 洪 道，堰 顶 高 程224.13m，设 3 扇 10m 13.5m 弧形闸门控制。一方面，水库防洪库容 2290 万 m3，自身防洪库容小2，仅占水库总库容的 20.5%，且因水库上游集雨面积大，20 年一遇洪水下仅能拦蓄上游来水量的 40.8%，拦洪率不高;另一方面，水库 20 年一遇防洪高水位 237.12m，与设计洪水位、校核洪水位仅差 0.
5、58m 和 0.77m，为保证水库自身防洪安全，水库库水位一旦超高 20 年一遇防洪高水位，下泄洪峰从控制不超过 280m3/s 陡增至控制不超过1300m3/s，直至敞泄，对下游防洪安全影响较大。而随着宁波市社会经济的快速发展，城市防洪保安要求不断提高，对上游周公宅水库防洪能力提升需求越发迫切。因此，本次打破常规，在周公宅水库上游寻找梯级水库坝址，采用台汛期空库运行、完全调蓄洪水的形式，加大周公宅水库的防洪能力，减少水库下泄洪峰、洪量。2梯级水库新建坝址选取2.1汇水片区划分为便于周公宅水库上游梯级水库工程的选址分析，对周公宅水库坝址以上集雨范围划分汇水片区。本次依据流域地形地势、河流水系分
6、布情况，821建设与管理水利技术监督2023 年第 2 期将周公宅水库约 132km2集雨范围划分为 5 个汇水片区，分别为周公宅水库库区、雅庄观下溪所在的西支流、俞白溪所在的西南支流、小麦坑所在的南支流、里湖溪所在的东支流。并分析遭遇 20 年一遇洪水下，各汇水片区的来水量，见表 1。表 1周公宅水库集雨范围内汇水片区划分汇水片区下游支流集雨面积/km220 年一遇降雨来水量/万 m3周公宅水库库区17722西支流雅庄观下溪17722西南支流俞白溪823482南支流小麦坑5212东支流里湖溪11467合计13256062.2梯级水库新建坝址方案梯级水库新建水库坝址选取应尽量位于各汇水片区下游
7、，以便扩大集雨范围，增加洪水拦蓄量，提升梯级水库工程防洪效益。同时，新建水库需考虑两方面因素，一方面，因建设库容在台汛期基本用于防洪，故需考虑坝址上游来水量，避免大坝建设过高，水库库容过大，造成工程总投资浪费;另一方面，水库库区需避开居住人口较为密集的村庄，避免大量拆迁移民，以免造成工程政策处理难度加大，以及政策处理费用占工程总投资比重过大。本次初步选取 7 处梯级水库新建坝址方案，见表 2。其中，西支流、南支流、东支流各 1 处，新建坝址均位于出口，因片区集雨范围小，坝高按20 年一遇洪水全拦拟定;西南支流因下游地势相对平坦开阔，且沿线分布有大俞、百步阶、李家坑等村庄，故新建坝址位于中上游，
8、共计 3 处，分别为:大横山电站下游坝址，且其受上游北溪村地坪高程约428m限制，坝高初拟约60m;岩下山水库坝址，且受上游四明山镇地坪高程约 578m 限制，坝高初拟约 80m;北溪村上游坝址，且受上游茶培村地坪高程约 481m 限制，坝高初拟约 50m;另外，周公宅水库库区新建坝址 1 处，位于西支库尾，汇水范围含西支流及西南支流，且受上游李家坑地坪高程约 305m 限制，坝高初拟约 85m。如图1 所示。图 1梯级水库新建坝址方案示意图2.3梯级水库新建坝址比选2.3.1坝址方案初步分析从新建水库坝址上游集雨范围及建设库容分析可知，南支流、东支流、西支流出口，以及西南支流的岩下山水库四处
9、坝址上游集雨面积相对较小，仅占周公宅水库集雨面积的 3.8%12.8%，20 年一遇下坝址上游来水量有限，新建梯级水库提升的防洪效益有限。同时，西支流出口坝址及岩下山水库坝址新建坝高均达到 80m 左右，相对较高。而北溪村上游坝址、大横山电站下游坝址及库区西支库尾坝址上游集雨范围较大，20 年一遇下坝址上游来水量均超过 1000 万 m3，可新建一座中型水库，对流域防洪能力提升较为明显。因此，本次梯级水库新建坝址方案，重点对北溪村上游坝址、大表 2梯级水库新建坝址方案汇水分区坝址位置集雨面积/km220 年一遇来水量/万 m3坝高/m建设库容/万 m3西支流出口1772280821南支流出口5
10、21280244东支流出口1146755543西南支流大横山电站下游582463601159岩下山水库17722801293北溪村上游331401501435周公宅水库库区库区西支库尾9942048524269212023 年第 2 期水利技术监督建设与管理横山电站下游坝址、库区西支库尾坝址进行比选分析。2.3.2坝址方案重点比选本次从水库防洪效益、工程建设影响、工程总投资等3-5，对 3 处新建水库坝址方案进行重点比选分析。水库防洪效益方面，20 年一遇可拦蓄水量均超过 1000 万 m3，对周公宅水库上游产生一定防洪效益。其中，北溪村上游坝址新建水库库容约1435 万 m3，可基本实现片区
11、来水全部拦蓄;大横山电站下游坝址上游集雨面积虽大，但受库尾村庄高程限制，可新建库容仅 1159 万 m3，三处坝址中为最小;库区西支库尾坝址，可新建库容达到2426 万 m3，较北溪村上游坝址增加约 71%。因此，库区西支库尾坝址防洪效益最为显著，其次为北溪村上游坝址，大横山电站下游坝址防洪效益最小。工程建设影响方面，本次主要从新建水库工程建设的施工交通条件，以及建设期、运行期间对库区及上下游一定范围内，现状已建及规划新建的水利、交通等工程设施的影响角度进行分析。其中，北溪村上游坝址以西为浒溪线，施工便利，但坝址与浒溪线相交，需考虑通行道路恢复，同时水库库区范围内现有茶培水库需进行报废处理;大
12、横山电站下游坝址以东为细北线，施工便利，但坝址与细北线相交，需考虑通行道路恢复，同时需对现状大横山水库进行报废处理，大横山电站、岩下山电站需拆除重建;库区西支库尾坝址以南为细北线，施工便利，但坝址与细北线相交，需考虑通行道路恢复，同时库区西支库尾坝址以上集雨范围为周公宅水库主要来水区间，工程建设期内度汛、导流难度大，对下游周公宅水库防洪调度有较大影响，不利于下游地区的防洪安全。因此，北溪村上游坝址建设产生的工程建设影响略小于大横山电站下游坝址，大横山电站下游坝址小于库区西支库尾坝址。工程总投资方面，本次主要从工程投资、征地移民费用、专项费用等方面进行对比分析。其中，工程投资部分与各坝址建坝的混
13、凝土方量呈正相关关系，北溪村上游坝址大坝高度最低，投资最低，约 6.6 亿元，其次为大横山电站下游坝址，约 8.8亿元，最高为库区西支库尾坝址，约 11.8 亿元。征地移民费用与各坝址征地及拆迁面积相关，且受征地范围内地类分布影响，大横山电站下游坝址费用最低，约 4.9 亿元，其次为北溪村上游坝址征地移民，为 5.5 亿元，最高为库区西支库尾坝址，为7.0 亿元;专项费用，三处坝址差别不大，北溪村上游坝址及大横山电站下游为 1.3 亿元，库区西支库尾坝址为 1.4 亿元。因此，北溪村上游坝址工程总投资最低，为 13.4 亿元，其次为大横山电站下游坝址，为 15 亿元，库区西支库尾坝址最高，为2
14、0.2 亿元。综上，于北溪村上游坝址处新建梯级水库，基本可实现上游集雨范围内 20 年一遇洪水全部拦蓄，防洪效益适中，工程建设影响及工程投资最小，可初步作为周公宅水库上游梯级水库新建坝址方案。3梯级水库防洪效益分析3.1梯级水库总体调度原则北溪村上游坝址水库工程建设后，与已建周公宅水库形成梯级水库，旨在提升周公宅水库上游整体的防洪能力，本次为充分发挥梯级水库工程的防洪效益，并兼顾水资源、水生态环境等，提出梯级水库的总体调度原则6-7 如下:(1)北溪村上游坝址水库:台汛期，新建水库保持空库运行;非汛期，新建水库蓄水运行;梅汛期，新建水库适当降低水库水位，限制运行、拦蓄洪水。(2)周公宅水库:现
15、有总体调度原则基本不变，对泄洪闸控制下泄流量进行调整，以确保水库防洪库容得以充分利用，水库 20 年一遇防洪高水位、50 年一遇洪水位保持不变。3.2水库调洪演算计算方法本次水库调洪演算主要采用联解水库水量平衡方程和相应水库蓄泄方程实现8-10。对调洪过程中任一 t(t=t2 t1)时段，计算式可表示如下:Q1+Q22t q1+q22t=V2 V1(1)q=f(V)(2)式中，Q1、q1时段初入库、出库流量，m3/s;Q2、q2时段末入库、出库流量，m3/s;V1、V2时段初、末水库蓄水量，m3。q=f(V)表示水库下泄流量是水库蓄水量的函数。求解时联解上述两式，通过试算法编程求解。031建设
16、与管理水利技术监督2023 年第 2 期对任意的 t 时段，其 Q1、Q2、q1、V1已知，欲求q2、V2。、其求解步骤是:假定 V2(或 q2)后，代入式(2)可求得 q2(或 V2)，再以此 q2(或 V2)代入式(3 1)算得 V2(或 q2)后，若计算的与假定的一致，则试算完成，否则重新假定 V2(或 q2)，直到满足为止。q=f(V)表示水库下泄流量是水库蓄水量的函数，根据水库调度原则确定。3.3梯级水库防洪效益分析本次梯级水库防洪效益分析，主要从水库削峰、拦洪效果进行分析11。遭遇台汛期 20 年一遇洪水下，削峰率由建库前 82.7%提升到 92.9%，拦洪率由建库前 40.8%提升至 65.9%，提升约61.1%;遭遇台汛期 50 年一遇洪水下，下泄洪峰削减至小于建库前 20 年一遇下泄洪峰，削峰率由建库前 41.5%提升到 88.2%，提升约 79.8%，水库洪水拦洪率由建库前 33.1%提升至 53.1%，水库防洪能力提升效益显著，具体见表 3。建库前后，水库调洪过程如图 23 所示。表 3梯级水库建设前后，洪水削峰、拦蓄对比表工况入库洪峰/(m3/s)出库洪峰/(m