“5.12”汶川地震对紫坪铺水库调度运用的影响分析

由丽华，阳莉，易瑞吉

(四川省紫坪铺开发有限责任公司，四川成都 610091)

1 工程概况与流域自然地理概况

1.1 工程概况

紫坪铺水利枢纽工程位于四川省都江堰市境内岷江上游的麻溪乡，距成都市60余km，是一座以灌溉和供水为主，兼有发电、防洪、环境保护、旅游等综合效益的大型水利枢纽工程，也是都江堰灌区和成都市的水源调节工程。

工程坝址以上控制流域面积22662km2，占岷江上游面积的98%;多年平均流量469m3/s，年径流总量148亿m3，占岷江上游总量的97%;控制岷江上游暴雨区洪水的90%，上游泥沙来量的98%，能有效的调节上游水量、控制洪水和泥沙。水库控灌面积1400万亩(93.3万hm2)，同时提供城市生活及工业用水50m3/s，城市环保用水20m3/s。

工程主要建筑物包括混凝土面板堆石坝、溢洪道、引水发电系统、冲沙放空洞、1#泄洪排沙洞、2#泄洪排沙洞和左岸堆积体处理工程。水库校核洪水位高程883.1m，相应洪水标准为可能最大洪水流量12700m3/s;设计洪水位高程871.2m，相应洪水标准为千年一遇(P=0.1%)流量为8300m3/s;正常蓄水位高程877m，汛限水位高程850m，死水位高程817m，水库总库容 11.12 亿 m3，正常水位库容 9.98 亿 m3。混凝土面板堆石坝坝高156m，坝顶高程为884m，电站装机4×190MW，保证出力168MW，多年平均发电量34.17亿kW·h。该工程为Ⅰ等，主要建筑物为1级。

1.2 流域自然地理概况

岷江是长江上游的一级支流，发源于四川省西北部的岷山山脉南麓。分东、西二源，东源漳腊河发源于松潘县弓杠岭，西源潘卅河发源于松潘县的郎加岭，两源于松潘县元坝乡红桥关汇合后始称岷江。岷江自北向南流经松潘、茂县、汶川，至都江堰经鱼咀分为内外二江，穿成都平原后于新津县与彭山县交界处汇合。再由西北向东南于宜宾市注入长江。岷江全长750km，流域面积135500km2，平均比降5.01‰，流域地理座标界于东经99°42'～104°50'、北纬 28°17'～33°38'之间，流域略呈西北～东南向的长条状。

岷江在都江堰市以上为上游。岷江上游河长341km，集雨面积23000km2，河道平均比降约7.5‰。茂县以上为松潘高原，地势高亢，海拔高程多在3000～4000m。河源至松潘西陵关之间地势平缓，相对高差较小。西陵关以下开始进入峡谷，沿河岭谷高差悬殊，坡陡谷深，滩多弯急，河床深切，水流湍急，河道比降在10‰以上，断面多呈“V”型。出茂县较场乡，地面高程突然下降，河谷较上游略开阔，河道平均比降约在5‰左右。汶川以下又复入高山峡谷，河道平均比降约为8‰。自映秀湾至都江堰一段，岷江逐渐进入平原，平均比降为4.9‰。

岷江上游水系发育。在镇江关有小姓沟入汇，在两河口有黑水河入汇，经茂县至汶川有杂谷脑河入汇，至映秀、漩口有渔子溪、寿溪入汇，至紫坪铺下游有白沙河入汇。各支流中除白沙河由岷江左岸汇入外，其它支流均由右岸汇入。致使岷江上游左右岸面积极不对称。

岷江上游地处龙门山断裂带，茂县以上地质构造复杂，地震活动频繁，为我省有名的高地震区。茂县至汶川一带，岩石风化破碎，植被较差，汶川至漩口一带暴雨强度较大，滑坡、崩坍、泥石流运动较为频繁，是岷江上游泥沙的主要来源地。

2 “5.12”汶川地震对流域产汇流特性的影响

流域产汇流过程就是在不同气候和下垫面条件下，由降雨形成径流的过程，此过程受到降雨特性和下垫面特征及其耦合作用的影响。流域内气候受大气环流、洋流运动及极地冰川等全球大气候趋势变化影响，下垫面条件则受板块运动、地质变迁及人类活动等因素影响，随着时间的推移，呈一定规律性变化。总体来说，针对同一流域而言，经过长期的地质变化，流域气候及地形地貌处于稳定状态。在紫坪铺水库控制流域内，汶川以上区域属于川西高原，受地震影响较小，基本保持原有特性，近坝区包括汶川至坝址干流区域及渔子溪、寿溪下游区域受地震的影响严重，原有地形地貌遭到巨大破坏，原有气候及下垫面特性荡然无存。这种剧烈的变化直接导致了水库径流趋势的改变，影响到了水库固有的运行规律，给日常水库调度工作造成了极大的困难。

2.1 年径流总量变化趋势

由水库运行资料中挑取1990年至2010年20年径流量趋势(图1)。由图1可见，年径流总量基本呈现3～5a为一周期的波动变化，但大趋势呈逐年下降，至2006年110亿m3为近年历史最低值，然后进入上升趋势，至2008年趋势有所放缓，然后逐年上升至2010年，达到146亿m3。由图2、表1也可看出2006年至2011年年降雨总量变化处在正常范围，且降雨个月分配情况符合原有流域特性。因此可以判断地震并未对年时间尺度径流量趋势产生突变影响，即并未对整个流域气候趋势产生影响。

2.2 局部气候分析

图1 1990年至2010年年径流总量趋势图

紫坪铺水库自2005年投入运行以来，正值大气候周期处于偏干旱阶段，2006、2007年水库来水较为平稳并未出现极端恶劣天气，其中单站降雨量极值均在50mm左右，且降雨过程较为分散，雨强不大，产生洪峰流量较小，其中2006～2008年最大洪峰流量为1961m3/s。进入2009年以来，流域内极端暴雨天气频次增加，暴雨点主要集中在近坝区渔子溪、寿溪流域下游～龙溪河～白沙河一带，其中2009年最大一次降雨过程出现在7月17日的白沙河虹口站，5h降雨量达226mm，白沙河流量从数十陡涨至623m3/s;2010年最强的降雨出现在8月18日的坝上站，8 h降雨量达232mm，临近的虹口站12h降雨量达235mm，白沙河流量陡涨至接近2000m3/s左右(P=1%)。2011年7月4日凌晨，寿溪河流域最大雨量达到270mm，渔子溪达到130mm，此次降雨过程产生水库运行以来最大洪峰2761m3/s。

表1 2006～2011年降雨量时间分布及对比表 单位:mm、%

图2 2011年降雨量时间分布及对比示意图

图3 2008年汛期降雨空间分布示意图

图4 2009年汛期降雨空间分布示意图

图5 2010年汛期降雨空间分布示意图

图6 2011年汛期降雨空间分布示意图

表2 2006年至2011年流域暴雨洪峰一览表

由表2可知，2008年地震后近坝区出现暴雨天气几率增加，雨量陡增且雨日增多。图3、4、5、6分别是2008年至2011年汛期降雨空间分布情况，从中可以清楚地看到2008年除个别站点在地震中损坏缺测外，总体降雨较为均匀，其中上游高原区降雨略少于近坝区区域;地震后历年暴雨中心有向近坝区附近集中的趋势。

究其原因，在大的水气环流未发生显著变化的情况下，由于震中附近震损严重，山体较为松散，导致植被破坏出现大面积裸露山体，造成局部区域持水能力下降，蒸发量激增，伴随地形地貌特点易形成强对流天气，同时强降雨往往造成大面积泥石流等地质灾害，更加加剧了山体植被的破坏，形成恶性循环，导致近些年暴雨天气有增多加剧的趋势。这也是本次大地震后地震断裂带周围地区连续数年普遍暴发山体滑坡泥石流等次生地质灾害的原因之一。

2.3 产汇流特点分析

图7和图8分别为地震前和地震后两场较为典型的洪水过程，分别发生在2007年和2011年，两场洪水虽量级有一定差别，但降雨类型较为相似，暴雨中心均发生在寿溪河黑土坡站，洪水主要由近坝区降雨补给构成，形成洪水过程均表现为陡涨陡落，峰高且瘦。由两图比较可知，地震前从降雨至起涨到产生洪峰入库需3～5h左右，而地震后过程于4h雨强出现最大，紧随其后即产生入库最大洪峰，其间隔仅为1h左右，较地震前产汇流时间缩短2～3h。分析其原因，震后降雨强度较之前降雨增大，加速了洪峰形成，洪峰传播速度亦得到加强，同时区域内植被条件较差，迟滞洪水作用不明显，山洪顺落差急速奔泄，造成了产汇流速度的提高。震后水库调度运用中应对此引起足够的重视。

3 “5.12”汶川地震对紫坪铺水库库容的影响

3.1 地震对库容曲线总体影响分析

水位库容曲线作为水库调度的重要参数，关乎整个汛期防洪调度的安全，以及枯期兴利目标的实现。在“5.12”地震中，库区两岸出现大面积山体垮塌现象，同时由于山体松散及强降雨造成的泥石流等次生灾害，也导致大量泥沙石块涌入库区，汛期洪水夹带大量泥沙入库，均会造成水库库容的减少，那么，影响究竟如何?紫坪铺水库分别于震前2008年初和震后2011年初对库容断面进行了复测，对于分析“5.12”地震对水库库容的影响提供了实时数据。两次测量成果的比较详见表3。

图7 2007年5月23日降雨产流过程图

图8 2011年7月4日降雨产流过程图

表3 库容变化情况表 /亿m3

通过对初设库容及地震前后两次测量成果进行比较可以看出，2008年和2011年两阶段各特征水位下库容均有不同程度减小，但2008年成果较初设库容减少幅度较小，其中死库容下为0.05亿m3，证明水库自2006年投入运行后两年时间里运行较为平稳，水库淤积处于正常状态。2011年库容较2008年则发生较大变化，其中正常蓄水位高程877m下库容减少0.5305亿m3，校核水位高程883m下库容减少0.5517亿m3，汛期限制水位以下库容减少0.4788亿m3，死水位以下库容减少0.3468亿m3，可见地震对于水库库容的影响程度。由图9可以看出，2008年与2011年两库容曲线在高程较低处存在较大偏差，然后基本处于平行状态，即意味着减少库容淤积部分主要位于死库容，其占总减少库容的63%。可见目前库容参数的改变对于水库的正常调度影响较小。

图9 紫坪铺水库库容变化比较示意图

3.2 地震前后两次测量出现明显差异的典型断面对比分析

两次测量过程中大部分断面布设基本相同，经过对相关断面逐个进行比较可以看出，2011年较2008年各个断面变化趋势相同，变化规律随水库库底高程的变化而变化，说明既使发生了大地震，水库的淤积趋势亦是相同的，但其中M12断面在两次测量中出现明显的差异，见图10。

图10 2008年及2010年M12断面对比图

该断面位于都汶高速紫坪铺大桥上游，图中虚线断面为2011年成果，底部高程为815m，较2008年该断面底部高程775m最大变幅达40m，存在严重的山体滑坡现象，充分体现出紫坪铺水库在抗击地震第一波次破坏以及震后次生灾害的防御上所起到的关键作用，彻底阻挡了上游堰塞湖及泥石流等灾害的威胁，为下游成都平原的安危筑起了一道天然缓冲区。

4 地震发生对紫坪铺水库调度运用的影响分析

2008年5月12日，汶川发生8级大地震，距离震中仅17km的紫坪铺水利枢纽工程的水工建筑物、金属结构、机电设备等受到不同程度的损坏。地震发生时，紫坪铺水库水位高程为829m，入库流量约为40m3/s，电站四台机组发电，1#、2#泄洪洞处于挡水检修状态(不具备放水条件)，冲沙放空洞处于工作门挡水备用状态。下午14时28分地震发生后，川西电网解列，电站4台机组中的三台甩负荷，一台紧急事故闭门，枢纽及电网全部失电，河道断流，对外通讯及交通亦同时中断。为满足下游供水要求，经过枢纽运行单位积极抢险并及时采取有效措施，于震后约20min开启水轮机组空载运行，1h之后成功实施电站机组黑启动，保证了枢纽区自供电，为后续的应急救援和应急抢修提供了电力保障;由于震后至5月13日库区内发生了强降雨，入库流量已增至600 m3/s，水库水位达到高程834m以上，经过抢修，5月13日14∶12开启冲沙放空洞工作门，下泄流量约300m3/s;5月13日17∶33开启2#泄洪排沙洞检修门和工作门，总下泄流量达800m3/s，实现了对水库水位的有效控制，及时缓解了上游来水对大坝造成的压力和风险，同时利用对水库水位的调整开通了都江堰至汶川水上救援通道;5月17日17∶55，电站4台机组投入发电运行，发电流量约800m3/s，解除了长期过流对已经受地震损害的高流速泄洪洞的威胁，保障了下游持续安全供水;5月20日12∶25，成功开启了1#泄洪排沙洞检修门和工作门，彻底解除了水库水位上涨对大坝和下游受损严重的都江堰市的威胁。

4.1 地震前的水库调度运用

紫坪铺水库调度以灌溉和供水为主，在确保工程运行安全的前提下，充分利用水库调节性能削峰、错峰，通过科学调度，满足了下游地区用水需要，并尽量多发电。水库主汛期6～9月汛限水位为高程850m，10月份水库蓄水可至正常蓄水位高程877m，次年5月水库水位逐步消落至死水位高程817m。

紫坪铺工程于2005年9月30日下闸蓄水，运行3a多时间来，发挥了向下游供水、发电、抗旱救灾、应急调水等方面的重要作用。至2008年底已累计发电79.39亿kW·h，向下游供水366亿m3，紫坪铺水库已成为都江堰灌区和成都市最重要的调节水源，紫坪铺电站已经成为成都市负荷中心最重要的支撑电源。

水库投入运用以来，基本按照初步设计拟定的调度方式运用。2006～2008年年最大入库洪峰流量的量级在1210～1960m3/s之间，小于多年平均洪峰流量均值2470m3/s。水库最高水位出现在2006年10月，为高程875.56m。水库2006年1月～2008年5月各月运用最高水位见表4。

表4 水库各月运用最高水位表 /m

图10 2007年入库、出库流量及日均库水位随时间变化示意图

图11 2008年入库、出库流量及日均库水位随时间变化示意图

4.2 地震对工程防洪能力的影响

4.2.1 地震前的工程防洪能力

紫坪铺水库蓄水安全鉴定期间对工程防洪能力进行了复核，大坝高程由校核洪水位控制，复核后的校核洪水位高程为883.04m，比初步设计阶段的校核洪水位低0.06m。经复核，工程的防洪标准满足规范规定，工程建成后的防洪能力达到了设计要求。

4.2.2 地震后的工程防洪能力

由于地震的影响，地震后防浪墙顶高程较初步设计确定的高程低1.02m。经计算，在对工程震损部位进行修复前，10000年一遇洪水时坝前最高水位高程为875.9m，坝顶和防浪墙加高前工程可达到超过10000年一遇洪水的防洪标准。鉴于防浪墙顶高程由校核洪水位加超高确定，因此，在防浪墙顶和坝顶加高前，大坝的防洪标准达不到可能最大洪水的校核洪水标准。

4.2.3 灾后重建完成后的工程防洪能力

根据水利部批复的《紫坪铺水利枢纽工程灾后恢复重建初步设计报告》，经过3a时间的灾后重建，紫坪铺水利枢纽在地震过程中受损的部位得到了全面修复和加固，大坝、泄洪设施、引水发电系统及电站厂房和机电设备全部达到或超过了原初步设计水平，具备了初步设计报告设计的防洪标准和防洪能力，工程在灾后重建完成后达到要求。

4.3 地震后的水库调度运用

震后水库调度运用在既要保证抗震救灾、大坝除险加固以及灾后重建的要求前提下，又要保证下游成都市和都江堰灌区供水、供电和防洪的兴利需求。与震前不同的是，面对震后地质灾害频发对成都市安全供水造成极大影响的情况下，水库还承担了应急供水的任务。从2008年5月至2011年9月，共向下游供水477.36亿 m3，枯期增加供水18.09亿 m3，汛期应急供水达2.64亿m3。

4.3.1 震后抢险及除险加固阶段的水库调度运用

2008年5月12日震前，水库按正常调度运用计划为保证灌区用水需求已消落至高程829m水位，地震发生后至5月末，为保证大坝安全和至映秀镇的水上生命救援通道，水位维持在高程830m附近运行。根据水利部水规总院对震后大坝面板修复设计报告的初步审查意见，需对大坝面板及止水系统进行修复处理。由于6月将进入主汛期，涉及工程安全度汛的大坝面板防渗系统修复尤为重要，修复施工于5月下旬展开，根据施工进度安排，23#～24#面板垂直缝修复完成前水库水位需控制在825m高程运行;845m高程水平施工缝错台处理完成前水库水位需控制在843 m高程;至2008年8月，大坝面板和止水系统修复工作基本结束后，水库恢复至汛限水位高程850m运行。受地震影响，坝址以上20余km处的右岸百花桥震毁，百花镇至映秀镇(约3km)的通行改由老213国道，受公路高程(最低点高程为861.03m)控制，2008、2009年汛后水库最高蓄水位限制在高程860m运用，水库较正常蓄水位高程877m减少调节库容2.83亿m3。

4.3.2 灾后重建期间的水库调度运用

大坝应急除险工程完成后，水利部水规总院组织专家对工程进行了安全评估，认为水库可按原初设调度原则与方案进行调度。2010年，结合枯水期给下游供水，于4月末、5月初将水库水位消落至死水位附近，并利用水位水消落时段完成了灾后重建项目泄洪洞、引水洞进水塔塔侧加高回填混凝土施工。至2010年汛期结束时，涉及防洪度汛和安全运行的灾后重建工作已基本完成，挡水及泄水建筑物等主要功能指标已恢复至设计水平。本着“安全、科学、稳妥、渐进”的原则，自9月开始进行高程877m试验恢复蓄水，蓄水过程中采取分阶段控制水库蓄水位的调度方式，于9月底蓄水至高程865m。但受上游映秀镇“8.14”泥石流灾后河道疏浚影响，将汛后最高蓄水位调整至高程870m。2011年9月底，三年灾后恢复重建工作已全部结束，水库具备恢复正常运行的条件。但从7月中旬至9月，流域内遭遇伏旱及高温天气，上游来水减少三成左右，8月份最严重，来水减少七成左右，9月初水库水位一度消落接近死水位，至10月末仅回蓄至高程870m。地震后水库各月运用最高水位见表5。

5 结论与建议

5.1 结 论

图12 2009年入库、出库流量及日均库水位随时间变化示意图

图13 2010年入库、出库流量及日均库水位随时间变化示意图

图14 2011年入库、出库流量及日均库水位随时间变化示意图

表5 水库各月运用最高水位表 /m

通过以上的分析叙述，2008年“5.12”汶川地震发生后，从紫坪铺水库控制流域范围内局部气候特征、近坝区产汇流过程、库容曲线、水库上下游灾后重建对水库水位的限制、枢纽本身因震损对防洪能力的影响等各方面的变化可以看到地震这一不可抗力因素给紫坪铺水库调度运用带来的影响是十分明显的，在外部环境以及自身参数发生变化的情况下，这种影响并不能完全通过枢纽建筑物的修复而得以消除，而是需要通过科学的手段、利用现有资源去逐步化解。紫坪铺水库从地震发生后应急调度到灾后重建过程中过渡性调度，在顺应大气候变化趋势的同时，充分利用气象预报、水雨情测预报和工程在震后修复过程中不同时段所能具备的不同条件，及时调整了水库调度运用计划，科学调度和运用水库，最大限度地缓解了地震对水库调度运用的影响，在保障抗震救灾、应急抢险及灾后重建顺利进行的同时，仍能在震后三年实现灌溉、供水、防洪、发电、应急调水及环保供水等原设计功能。

5.2 建 议

(1)对于震后几年近坝区小气候环境的改变与产汇流特征的变化在今后一段时间内水库调度运用中应引起足够的重视。

紫坪铺水库流域内暴雨区位于库区附近映秀以下的渔子溪、寿溪一带，这一带也是“5.12”汶川地震的重灾区。受地震影响，山体破碎，植被破坏严重，灾后重建三年中，这一带极端天气现象频发，局地强降雨在汛中发生次数多、强度大，该区域降雨后产汇流时间缩短，洪峰入库速度加快，导致洪水预见期缩短，洪水入库时间提前，对洪水调度是一个考验。应进一步提高天气预报精度，加强水雨情监测，逐步掌握上游地区尤其是震中区域的产汇流特性，有效延长预见期，减轻防洪压力。

(2)应进一步研究大地震发生后库区泥沙冲淤规律的变化，制定合理的泥沙调度方案，有效延长水库寿命。

在库周和上游山体尚未稳定前，泥沙入库情况仍处于不断变化的过程中，应进一步加强泥沙监测，研究地震对水库泥沙淤积的影响，充分掌握水库淤积规律，制订合理的泥沙调度方案，有效延长水库寿命，以发挥其更大的社会和经济效益。

(3)继续研究水库调度运用过程中应急调度详细方案。

“5.12”地震及震后抢险及灾后重建过程中，紫坪铺水库调度运用是紫坪铺水利枢纽工程应急预案的一次实战考验，本次应急调度时间跨度长、情况复杂、影响因素多、异常气候频发，震后三年的调度运用是合适的。但“5.12”地震对枢纽工程及周边地区的影响尚未完全显现，随着时间的推移，仍有可能产生新的变化，建议继续研究水库调度运用过程中应急调度的详细方案，在保证枢纽大坝安全的前提下，充分实现紫坪铺水库灌溉、供水、防洪、发电等综合效益。

(4)进一步发挥水雨情监测系统的功能，实时优化水库调度运用方案。

不论震前还是震后，在紫坪铺水库调度运用过程中，水雨情测预报系统都发挥了较好的作用，尤其是在汛期。但由于水库按固定汛限水位进行管理，导致在实际调度运用中水资源浪费严重，加重了泄洪设施的运行负担，对汛期经常发生的伏旱或秋旱抗击能力不足。建议研究进一步发挥枢纽水雨情监测系统的功能、汛限水位动态控制的运行方案，科学进行洪调、水调和电调，在安全度汛、抗旱及洪水资源化等方面更好地发挥水库的作用。