王英水库防洪限制水位优化研究

王英水库防洪限制水位优化研究

1阳武农河水文气象概况王英水库位于湖北省阳新县长江南岸支流富水支流三河上。规划中心采用王英水库和蔡仙水库。这两个水库通过一个长33033米的渔区连接并联合使用，最终控制总预算的面积为287.7公里（王英水库243km2，蔡仙水库44.7公里），总预算为6.228亿3m（王英水库5.817亿3m，蔡仙水库0.411亿3m）。正常蓄水位为70.00米，多年平均蓄水量为2.35亿米。它是一项以灌溉和防洪为重点的大型节水工程，集供水、螺旋管、发电、旅游等配套功能于一体。水库灌溉（阳武灌溉）位于三个富水盆地的横截面上，包括苏水盆地和金水盆地。设计洪水面积330652hm。该工程于1970年动工兴建,1971年基本建成,同年汛期拦洪蓄水,1975灌区开灌受益。王英水库属长江中游亚热带季风气候类型,流域内多年平均年降雨量1421.3mm,降雨量年内分布极不均匀,4～7月多年平均降雨量774.1mm,占全年降雨量的54.5%。6、7两个月多年平均降雨405.7mm,占全年降雨量的28.5%,7月以后,常有伏旱和秋旱发生。水库洪水主要由暴雨形成,对洪水起控制作用的年最大一日和最大三日降水也多集中在6、7两月,径流主要来源于降雨,径流也具有和降雨同样的特点。随着灌区和下游区域社会经济的迅速发展,水资源供需矛盾日益突出。现在,水库除险加固工程已经完成,防洪标准进一步提高,水库管理单位也积累了大量的控制运行经验,为充分利用雨洪资源提供了现实的基础条件。因此进一步研究王英水库的调度方式,调整水库的防洪限制水位(以下简称汛限水位),提高工程效益,很有必要。2调整洪水极限的必要性2.1水库期控制策略长期以来灌区供水不足,而水库汛期弃水量却很大,浪费了水资源。王英水库枢纽工程是在边勘测、边设计、边施工条件下动工兴建的,仅一个冬春就基本完成了大坝填筑,施工质量差,长期以来带病限制水位运行,水库加固前的汛期控制运用指标:5月1日至6月30日为主汛期,汛限水位66.0m;7月1日至7月15日为后汛期,汛限水67.0m;7月16日水库水位可蓄至正常蓄水位70.0m。由于受汛限水位影响,汛期弃水量较大。根据水库运行记载,自水库运行以来有21a弃水,水库多年平均弃水量4534.4万m3,弃水历时2166h合计90d,最大弃水量达25876万m3。从建库以来,水库水位从来就没有达到正常蓄水位,最高运行水位仅为68.54m(1998年8月2日)。与此同时,长期以来灌区供水不足,在1975～2009年系列中,就有23a缺水,缺水年分占70%,多年平均缺水达0.81亿m3,最多缺水年分达1.5亿m3。2.2增加水源和水资源，突出供应矛盾(1)灌溉需水量变化王英水库灌区续建配套与节水改造工程从1999年开始实施,到目前为止已实施9期,灌区多年实际灌溉面积由16333hm2增加到20467hm2,随着灌区续建配套与节水改造工程的实施,逐步恢复到设计灌溉面积33067hm2,灌区的需水量会越来越大,据测算,80%频率年下灌区需从水库引水9086万m3。(2)评价了水资源在北省的排放量为满足城市日益增长的用水需求,咸宁市拟从王英水库引水,2008年湖北省水利厅对《咸宁市王英水库供水工程水资源论证报告书》进行了评审,同意近期(2010年)取水规模为10万t/d,年均供水量2810万m3;远期(2020年)为20万t/d,年均供水量5619万m3。(3)居民生活用水需求越来越强烈王英水库2005年实施了向咸安区横沟镇、官埠桥镇供水,2006年向阳新县三溪镇供水,随着乡镇的发展和农村安全饮水的需要,居民生活用水需求越来越强烈。灌区农村人口24.5万人,每年需从王英水库供水482万m3。(4)确保水库下游和灌木林的生态水量为维持水库下游及灌区水生态系统稳定,每年需泄放生态用水量约3000万m3。2.3水库的排水能力由于王英水库长期限制水位运行,库水位从未达到过正常蓄水位,库区老百姓误认为水库不能蓄水,因此在设计洪水位高程以下大量建设,违章建筑多达841栋。如此恶性循环,严重影响了水库的防洪安全和效益的发挥,同时也激化了水库管理局与周边居民的矛盾。3调整洪水极限的可行性3.1水利工程建设王英水库枢纽除险加固工程于2001年4月开工,2009年10月完工。加固工程有王英大坝、泄洪洞、坝下埋管、输水隧洞、蔡贤大坝、蔡贤副坝、溢洪道、防汛公路及管护设施建设等,并于2010年1月通过竣工验收。加固前的防洪标准为100a一遇洪水设计,1000a一遇洪水校核。加固后的防洪标准达到100a一遇洪水设计,2000a一遇洪水校核。因此提高汛限水位不会影响工程安全。3.2洪水调度系统(1)王英水库水文自动测报系统于1991年建立,2001年进行了改造,布设有2个遥测水位站、7个遥测雨量站和1个入库流量站,基本上控制了入库洪水和区间的暴雨洪水。(2)王英水库洪水调度系统由武汉水利电力大学开发,在逻辑上分为5个子系统,即数据库及数据库管理子系统、雨水情信息采集子系统、洪水预报子系统、洪水调度子系统和信息查询子系统。系统的建成为科学调度决策提供了及时、准确的依据,极大地减轻了水库的防洪压力,提高了水库汛期管理运行水平。(3)大坝安全监测系统能够实时监测大坝工程运行状况,从工程安全角度分析水库调度的科学合理性;防汛远程会商系统通过专网与湖北省防办建立实时高清视频会议系统,能够实时向上级汇报水库的汛情,水库调度的实效性大大提高。4调整洪水流量调节方案的制定(1)雨期洪水特征汛期划分主要以气象成因及洪水特性的分析为依据。王英水库的暴雨分为两个阶段:①初夏期,多是移动性低槽引起的过程性暴雨;②梅雨期,6月中旬至7月中旬明显的梅雨季节,此时,冷暖气流势均力敌,移动和阻塞系统混杂,致使连降暴雨。为进一步揭示分期洪水的规律,分析了建库以来的入库流量资料,统计了洪峰流量大于200m3/s的洪水出现的次数及时间分布,见表1。点绘了年最大洪峰流量年内分布图,见图1。根据统计结果,拟定王英水库的汛期划分为5月1日至6月30日为主汛期,7月1日至7月31日为后汛期。(2)样本系列和数据来源从年最大洪峰流量年内分布图及洪水的分期分析,年最大洪水样本系列基本上来源于主汛期(5月1日～6月30日)。为安全起见,主汛期设计洪水仍采用年最大设计洪水;后汛期设计洪水在分期中选样作分期设计洪水,设计洪水成果见表2。(3)水库调发式调泄方案王英水库在70.00m以上高程有房屋373栋,涉及人口1492人,在移民安置未完全到位前,防洪高水位拟定为70.00m。通过调洪演算,推荐王英水库分期汛限水位为主汛期(5月1日至6月30日)68.15m,后汛期(7月1日至7月31日)68.8m。水库调度方案采用控泄方式:①以汛限水位为起调水位;②入库流量小于下游河道安全泄量50m3/s时,按来量下泄;③当库水位在正常蓄水位以下时,控制下泄流量50m3/s;④当库水位在正常蓄水位以上时,不控制泄洪洞泄量。各频率洪水调调洪结果见表3。5要解决的问题是调整洪水限制(1)移民安置及垦殖1970年5月,阳新县成立了王英水库移民指挥部,确定水库移民高程为75.00m,当时实际外迁4944户,22055人;后靠1022户,4105人。一些外迁的移民,或因安置不妥,或因不适应当地生活习惯,又逐渐返迁回来,在原征用土地上及水库消落区盲目建房、垦殖。据调查目前在68.00～69.00m高程有房屋67栋,涉及人口268人;69.00～70.00m高程有房屋369栋,涉及人口1476人,70.00～71.91m高程有房屋373栋,涉及人口1492人。对这些返迁移民应妥善安置处理。(2)坡降缓坡水文水流特征水库下游河道长41.6km,平均坡降为3.4‰,坡降平缓,弯曲系数大,行洪能力低,水流不畅。目前大坝至三溪镇5km长的河道安全泄量仅为50m3/s,约为5a一遇标准,迫切需要疏通加固。6调整洪水流量的效率(1)降雨水、增水汛限水位的调整,将有利于拦蓄汛末雨洪资源,提高水库蓄水量,减少弃水量。以1999年5月1日～2000年5月1日水文年为例,1999年5月1日～8月31日有4次降雨过程,按照现在的汛限水位调度,实际弃水4次共31d,弃水量为13905万m3。按照调整后的汛限水位方案调度,计算得该水文年的弃水为4d,弃水量为1737万m3。两种调度方式相比,按照调整后的汛限水位方案调度可以减少弃水量达12168万m3,即为可以增加利用的雨洪资源水量。通过长系列兴利调节计算定量分析,在灌区现有灌溉面积20467hm2情况下,年均减少弃水量3200万m3。(2)增加库容及保证率主汛期汛限水位由66