石应水电站改建方案淹没影响分析研究

李慧超 韶关市曲江区水利工程建设与防御服务中心

叶志恒 苗青 陈丕翔 广东省水利水电科学研究院

广东省水系发达，河流密布，集雨面积50～3000km2的河流多达1190条[1]，中小河流洪水是当前广东省最严重的自然灾害之一[2]。广东省山区五市（韶关市、河源市、梅州市、清远市、云浮市）中小河流合共计536条，河长为1.7万km，分别占广东省的44%和49%[3]。山区中小河流比降较大，两岸较为密集分布村落和农田，沿线建有密集的拦河发电或引水灌溉水陂[4]。经过大量现场勘测表明，由于上世纪农村供电需求，沿河建设了众多小型水陂用以满足农村发电需求，多数小水电未经充分论证，其引水陂头、拦河闸坝及交通桥梁等跨河建筑物存在严重阻水现象，致使河道排洪不畅、水位暴涨，加剧了两岸的洪涝灾害[5]。本文以罗定市石应水电站为例，分析电站改建后对河道上游村落淹没影响，为广东省小型拦河闸坝拆除或改建提供参考和借鉴。

1.工况概况

罗定江是西江右岸一级支流,发源于信宜市鸡笼山，总集雨面积为4480km2，干流全长为202km，河流平均比降为0.829‰[6]。石应水电站位于云浮市罗定江生江镇云桂村河段，上游距古榄水文站约6.0km，下游距生江陂头约12.5km，电站建设于上世纪90年代，设计水头3.5m，设计总流量16.0m3/s，总装机容量480kW为小（二）型无调节河床式水电站。水电站主要由高约6.0m陂头以及左岸电站厂房组成，因电站建设年代久远，施工技术水平相对落后加之运行管理欠佳，随着社会经济的发展，石应水电站泄洪能力达不到预期效果。根据现场调研表面，石应水电站目前已严重阻碍了罗定江云桂村河段行洪能力，导致上游村落常年受到水患的影响，水电站改建工程迫在眉睫，电站位置见图1。

图1 石应水电站位置图

2.模型计算

罗定江生江陂头至古榄桥段两岸主要为山丘高地，古榄桥河段附近较为密集地分布着众多村落和大片农田，选取生江陂头至古榄桥的防洪标准为20年一遇[7]。

2.1 计算原理

水面线采用一维恒定均匀流数学模型（Mike11模型）进行计算，该程序水面线计算基本原理为圣维南方程[8]∶

式中：x、t分别为距离和时间的坐标；A为过水断面面积；Q为流量；h为水位；q为旁侧入流流量；C为谢才系数；R为水力半径；α为动量校正系数；g为重力加速度。

2.2 计算条件

2.2.1 模型范围

模型下边界选取为生江陂头（桩号K0+000）所在断面，模型上边界取在古榄桥断面（桩号18+546.0），模型范围见图2。

图2 水动力数学模型范围

2.2.2 设计洪水

罗定江干流建有官良和古榄水文站，自1958年均有连续实测资料。本文采用水文站实测数据，运用皮尔逊Ⅲ型理论频率曲线得到官良和古榄水文站断面设计洪水（表1）。因官良水文站代表性优于古榄水文站，基于官良水文站成果，采用水文比拟法得到研究河段各断面设计洪水，其中古榄桥断面直接采用古榄水文站设计成果（表2）[9]。

表1 官良水文站设计洪峰流量成果表

表2 上边界设计洪峰流量成果表

2.2.3 起推水位

本文以石应电站下游生江陂头为下边界，其水位流量关系可根据堰流公式推求[9]。当罗定江发生10年一遇洪水时，断面水位为53.09m；当罗定江发生20年一遇洪水时，断面水位为54.40m。

2.2.4 河道糙率

糙率是河道阻力的综合反映，它直接影响水面线的计算结果，本文根据主槽形态、植物生长状态、河道曲率及涉河建筑物分布情况等因素，结合已有资料设置河道糙率。其中有护岸河段主槽糙率取值为0.025～0.03之间，无护岸河段主槽糙率取值0.03～0.35之间，滩地糙率取值0.035～0.12之间。

2.2.5 模型率定结果

根据拟定参数，采用其中小河流治理成果验证模型合理性[9]（表3）。结果显示20 年一遇洪水计算值与设计值差值为-0.07～0.09 m之间，10 年一遇计算值与设计值差值为-0.08～0.06 m 之间，其中各洪水频率下研究河段差值为-0.08～0.03m之间。不同洪水频率下计算值与设计值相差较小，且村庄分布河段（古榄桥附近）水位最大偏差0.04m，表明此次计算成果合理可靠，建立的数学模型可用于电站改建水动力学计算。

表3 维水动力模型验证成果表

2.2.6 改建方案

石应水电站陂头顶高程约为54.0m，根据电站上下游河床地形并考虑电站改建后的水流衔接，石应水电站拟自上而下拆除陂头部分至高程51.0m。为充分利用河流的水能资源，避免原有厂房和设备的浪费，计划在改造后的陂头上加建3m高的橡胶坝，枯水期可利用橡胶坝蓄水进行发电，汛期将橡胶坝放至51.0m高程进行泄洪。

3.计算结果及影响分析

3.1 计算结果

分别计算石应水电站改建前后洪水水面线，为较为直观反映水位变化情况，将P=10%和P=5%二种洪水频率下的改建前后水面线成果绘制于图3、图4。

图3 水电站建前后水位变化图（P=10%）

图4 水电站建前后水位变化图（P=5%）

3.2 河道行洪的影响分析

石应水电站改建后，不同洪水频率下，模型范围内，电站上游约6.0km范围水位均有不同程度的下降（见表4）。

表4 水电站改建后水位下降表

石应水电站的改建，有效地降低了石应水电站～古榄桥段的洪水水位，其中20年一遇洪水条件下，村落分布密集的马溪村～古榄桥河段，水位平均可下降约1.30m。电站重建后沿河村落河段洪水位均有较大幅度下降，表明电站重建可有效地缓解周边村落的洪灾受淹情况，减轻洪灾对两岸居民的生命财产的损失。

3.3 淹没影响分析

采用现有洪水水面线成果进行样条差值以形成连续水位高程模型[10]，基于水位高程模型和流域数字高程模型（DEM）运用Arcgis栅格分析模块对石应电站上游河段进行淹没计算[11]。由于研究河段其防洪标准为20年一遇，本文着重对该工况下淹没范围进行损失统计（图5）。

图5 石应水电站改建前后洪水淹没范围图（P=5%）

工程前水电站上游淹没的村庄和农林地面积分别为1025.1亩和4103.5亩，工程后淹没的村庄和农林用地面积分别为504.3亩和3552.3亩，分别减小了50.8%和13.4%。从损失统计可知，电站改建后村庄淹没范围将大幅度减小，其中泗盆村改建前几乎全村受淹，改建后绝大部分民房将不再受到洪水侵袭。

为比较不同频率下电站改建后对淹没水深的影响，本文分4个级别对不同水深淹没范围进行统计（表5）。对比不同洪水频率条件下淹没面积可知，电站改建后能有效减小上游河道淹没范围，2种工况下改建后淹没范围减少比例均约为20%。20年一遇和10年一遇洪水情况下，淹没水深大于3.0m的范围分别减小了43.5%和18.0%，表明电站改建后可大幅度减少上游河段两岸淹没范围降低淹没水深以保障人民群众的生命财产安全。

表5 水电站改建前后洪水淹没范围分析统计表

针对上述情况本文建议（1）对石应水电站进行改建或拆除，同时需做好相应的保障措施；（2）对省内建设年代久远且未经合理规划的小型拦河闸坝，建议进行淹没影响分析，对影响较大的闸坝可进行拆除或重建；（3）未来小水电规划实施方面，需着重考虑其对上游村落淹没影响，对于影响较大的电站建设需要切实可行的保护措施；（4）基于现有的河道管理范围线，对河湖“四乱”进行彻底清拆[12]，以保障行洪安全。

4.结论

通过建立罗定江生江陂头～古榄桥河段的一维水动力数学模型，对石应水电站改建前后的水动力进行了计算分析，并采用Arcgis对电站改建前后淹没范围进行计算分析。分析结果表明电站改建能有效降低上游村落淹没水深和淹没范围，其中20年一遇洪水条件下淹没范围降低了20%，村庄用地淹没范围减少50.8%，农林用地淹没范围减小了13.4%，就淹没影响而言建议改建石应水电站。