汾河二库太原柴村段河道设计洪水影响分析

2011-09-17谢蕊贤

山西水利 2011年9期

谢蕊贤

（山西省水资源研究所，山西太原 030001）

1 概况

1.1 河道设防情况

汾河由北向南纵贯太原城区，是太原市防洪重点。1983年前设计百年一遇洪峰流量为3 250 m3/s，1983年国务院批复的百年一遇设计洪峰流量为3 450 m3/s，1996城市总体规划汾河太原城区段百年一遇设计洪峰流量仍沿用未建汾河二库时的3 450 m3/s，而汾河二库设计洪水的百年一遇最大泄量为3 450 m3/s，与汾河太原城区段百年一遇洪峰流量相等，那么以设计防洪为首要任务的汾河二库，从设计成果来看并没有反映出其防洪功能。

根据兰村站1951—1998年天然洪水系列频率分析求得百年一遇天然洪峰流量为4 000 m3/s，比设计最大泄量大550 m3/s。天然洪峰是指相当于没有建汾河水库的自然条件下的洪峰流量，它比修建汾河水库后设计值大是合理的。省设计院汾河二库设计洪水采用兰村天然洪峰流量（1951—1988年）系列及历史洪水调查成果，其百年一遇洪峰流量为3 920 m3/s，分析成果与此相近。由此认为，汾河水库建成后、汾河二库建成前，汾河太原段百年一遇设计洪峰流量3450m3/s是合理的、安全的。

1.2 设计洪水情况

汾河水库属“病险库”，曾进行过多次除险加固改造，最后以水电部水利水电规划设计院1983年2月17日批复的成果作为该库审定的设计成果，见表1。

汾河二库设计洪水是在1992年前的可行性研究阶段批复的，其设计洪水批复成果见表2。

表1 汾河水库设计洪水批复成果表

表2 汾河二库设计洪水批复成果表

2 设计洪水分析计算

2.1 洪峰洪量频率

以兰村1942年洪峰3 500 m3/s的重现期为50年一遇至60年一遇，采用P-Ⅲ型频率计算曲线，经验频率用公式P=m/（n+1）（%），以离差平方和最小为适线准则，得出汾河水库、汾河水库—兰村区间、兰村各站洪峰流量、24 h洪量、3 d洪量成果见表3。

2.2 设计洪水和洪水调节

选择典型洪水用同频率法把典型过程线按同频率洪量分段控制进行放大，即得到设计洪水过程线。汾河二库百年一遇标准入库洪峰流量典型为4 615 m3/s，即1954年9月2日典型洪水来推求设计洪水。

表3 洪峰流量及洪量频率分析成果表

以汾河水库汛限水位1 126 m为起调水位，当水位在1 126～1 127.8 m之间时，泄量小于750 m3/s，由水电站和8 m洞泄流；水位在1 127.8～1 129 m之间，泄量在750～1 730 m3/s之间时，8 m洞敞泄，溢洪道同时投入泄洪；水位高于1 129 m时，溢洪道、8 m洞和4 m洞全部敞泄。汾河二库设计条件下以汛限水位905.7 m为起调水位，以4个底孔泄流（该水位时4孔泄洪能力3 420 m3/s），在入流较小时控制泄量等于入库流量，保持库水位不变，当入库流量不小于3420m3/s时，4个底孔敞泄；当水位涨至907.32 m时，溢流堰参与泄洪。其百年一遇设计洪水洪峰流量为4 615 m3/s，比原设计洪水4 816 m3/s降低，百年一遇最高洪水为906.11 m，最大泄量3 435 m3/s。与原设计成果相比，最高水位降低1.21 m，最大泄量与原设计3 450 m3/s基本一致。

原设计入库洪水过程线的典型洪水中，汾河水库采用1967年8月22日洪水，汾河水库至兰村区间采用1966年8月24日洪水。本计算汾河水库与库兰区间统一采用1954年9月2日洪水为典型，原设计百年一遇汾河二库入库洪峰流量为4 816 m3/s，本次设计洪峰值为4 615 m3/s，比较结果参见表4。

3 对防洪标准影响

3.1 设计洪水与防洪效益关系

上游水库对下游城市的防洪效益通常体现在滞洪、削峰和错峰等几方面，对于以堤防防洪为主要手段的汾河太原段来说，洪峰流量起控制作用，关键是削峰，而削峰通过滞洪来实现。汾河二库泄流底孔规模大（在汛限水位905.7 m时，泄量可达3 420 m3/s，与太原设防标准流量相近），可为防洪调度提供较大的余地。但按其4孔敞泄的调度规则操作，常遇洪水均为穿堂过，即使发生百年一遇设计洪水也只有洪峰前后约2 h入流大于出流，这样只能起较小的削峰作用，其调洪结果为最大泄量，与汾河太原段百年一遇设防流量相同，汾河二库原设计洪水成果对太原的防洪效益没有充分体现。

表4 汾河二库设计流量及洪量频率分析成果与原设计比较表

3.2 防洪调度规则与防洪效益关系

原设计4孔敞泄调洪规则因泄洪能力太大，不能充分发挥水库调洪库容的削峰作用，如果把调洪规则调整为3孔敞泄（即来水小于泄洪能力2 562 m3/s时保持起调水位905.7 m不变，来水大于2 562 m3/s时限3孔敞泄），则按本次百年一遇设计入库洪水调洪，最大泄量为2 608 m3/s，最高蓄水位907.19 m，可显著地显示出二库的防洪效益；当设计入库洪水为300年一遇时，适当调整调洪规则，仍能达到较大的削峰作用，显示出汾河二库的防洪效益，不同调洪规则结果对比见表5。

表5 百年一遇来水不同调洪规则调洪结果对比表

为保证大坝在调洪过程中平稳泄流，不致发生局部应力集中情况，在调洪具体操作上按4孔均匀同开，用调节闸门开启度来达到控制下泄流量的结果，并预先在闸门启闭控制系统中做好处理。

3.3 调洪方式与设计洪水关系

若汾河二库入库设计洪水成果按新的调洪规则进行调洪，可发挥汾河二库对汾河太原段的作用。入库设计洪水包括50年、100年和300年一遇，起调水位均为905.7 m，最高允许洪水位907.32 m，调洪结果见表6。

表6 不同标准设计洪水及不同调洪方式调洪结果对比表

结果表明，汾河二库发生百年一遇设计洪水时，其最大下泄量从原设计的3 450 m3/s降为2 608 m3/s，降低了24%；当发生300年一遇洪水时，最大泄量3 471 m3/s与汾河太原段百年一遇设防流量3 450 m3/s十分接近，也即兴建汾河二库之后使汾河太原段的防洪标准由原来的百年一遇提高到了300年一遇，汾河二库对提高太原市防洪标准的作用十分显著。

4 结论和建议

4.1 结论

第一，汾河太原段在建成汾河二库前百年一遇设计洪峰流量3 450 m3/s是合理的，采用新资料得出的数据比原设计成果有所降低，百年一遇入库设计洪峰流量由4 816 m3/s降为4 615 m3/s，洪峰、洪量频率分析成果更为合理。

第二，通过调整汾河二库调洪方式，即百年一遇来水时泄流底孔由4孔敞泄改为3孔敞泄调洪，起调水位不变，原百年一遇设计洪水位作为上限不变，其调洪结果为最高水位907.19 m，低于设计洪水水位0.13 m，最大泄量为2 610 m3/s，比原设计3 450 m3/s降低24%。而300年一遇来水按原4孔敞泄调洪，其最高水位为907.02 m，比百年一遇设计洪水水位低0.3 m，最大泄量3 471 m3/s，很接近下游设防标准流量3 450 m3/s，这种调洪作用使防洪标准从原来的百年一遇提高到了300年一遇，汾河二库对提高汾河太原段防洪标准效果十分显著。