洪澤湖洪水調(diào)蓄能力研究

鄧 恒，徐國賓，樊賢璐，段 宇，陳春錦

(天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300354)

1 研究背景

湖泊是抵御洪水災(zāi)害的天然屏障，在減少洪水災(zāi)害、保障區(qū)域防洪安全等方面發(fā)揮著極為重要的作用[1]。在流域防洪中，湖泊通過蓄滯入湖洪水，實現(xiàn)消減和滯后洪峰的作用，達到調(diào)節(jié)洪水的目的[2]。湖泊的調(diào)蓄能力是湖泊對洪水調(diào)節(jié)作用的表征。湖泊的調(diào)蓄能力越強，其對入出湖洪水過程的影響就越大，在流域和湖區(qū)防洪中發(fā)揮的作用也就越大。

國外學者對調(diào)蓄能力的研究多集中于水庫[3-4]，對湖泊防洪的研究多側(cè)重于生態(tài)系統(tǒng)影響和防洪價值[5-6]，針對湖泊調(diào)蓄能力的研究較少，并且已有的研究多集中于洞庭湖[7-9]，有關(guān)洪澤湖調(diào)蓄能力的研究較少，一般側(cè)重于對湖泊調(diào)蓄量變化的因素研究[10]。

洪澤湖位于淮河中下游的結(jié)合部，是淮河流域防洪工程體系的組成部分[11]。洪澤湖在淮河流域中的位置及其調(diào)蓄功能決定了它在淮河中下游防洪中舉足輕重的地位。洪澤湖的調(diào)蓄能力不僅與洪澤湖地區(qū)的安全相關(guān)，而且對淮河流域的防洪也具有極其重要的意義，研究其調(diào)蓄能力對洪澤湖湖區(qū)以及淮河流域的防洪具有極其重要的意義。

本文通過分析洪澤湖的調(diào)蓄量、洪澤湖對洪水的削峰及滯后作用，并引入調(diào)節(jié)系數(shù)綜合研究湖泊的調(diào)蓄能力。根據(jù)洪澤湖對洪水調(diào)蓄的特點綜合考慮出湖河道的泄流能力，進一步研究洪澤湖的調(diào)蓄能力，以期為淮河流域和洪澤湖湖區(qū)的防洪提供指導(dǎo)思路。

2 研究區(qū)概況

洪澤湖位于淮河中下游結(jié)合部，是我國五大淡水湖之一，是淮河流域的湖泊型水庫，也是南水北調(diào)東線工程重要的調(diào)蓄湖泊。洪澤湖在保障人民生命安全、財產(chǎn)安全和發(fā)展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面發(fā)揮了巨大作用。

洪澤湖主要入湖河道有7條，包括淮河、懷洪新河、新汴河、濉河、泗洪老濉河、徐洪河和池河。洪澤湖承接淮河中游所有來水，經(jīng)由下游出湖河道分泄入江入海。主要的出湖河道有淮河入江水道、蘇北灌溉總渠、淮河入海水道和分淮入沂工程。其中蘇北灌溉總渠、淮河入海水道和分淮入沂工程是自1949年以來先后修建而成。洪澤湖現(xiàn)狀水系圖如圖1所示。

圖1 洪澤湖水系示意圖

3 洪澤湖的調(diào)蓄過程

洪澤湖對洪水的調(diào)控是可以人為控制的。當預(yù)報淮河上中游發(fā)生較大洪水時，通過調(diào)節(jié)洪澤湖出湖河道的下泄流量，降低洪澤湖水位到汛限水位(12.5 m)以下。當洪水來臨時，進入湖泊的流量大于出湖流量，洪水不斷在湖泊中積累，湖泊內(nèi)水位開始增加。湖水位隨之上漲。當洪澤湖水位上漲到13.5 m時，開始相繼啟用入江水道、蘇北灌溉總渠和廢黃河分泄洪水。若洪澤湖水位持續(xù)上漲至14.5 m，此時全開三河閘進行泄洪，并開啟入海水道進行泄洪。如果湖泊內(nèi)水位繼續(xù)上漲，則需要對濱湖圩區(qū)破圩滯洪。當洪澤湖水位超過15.0 m時，控制三河閘的流量到12 000 m3/s。當洪澤湖水位超過16.0 m時，利用各出湖通道進行堤防超高強迫行洪，從而控制洪澤湖蔣壩水位不超過17.0 m。當洪澤湖水位達到甚至超過17.0 m時，通過入海水道和廢黃河之間的夾道地區(qū)進行泄洪，以確保洪澤湖大堤的安全。之后，入湖流量開始減少，湖泊的蓄洪量和湖水位在出入湖流量相等時達到峰值。隨著入湖流量的進一步減小，湖泊內(nèi)水位開始降低，蓄水量也隨之減小。

4 湖泊的調(diào)蓄能力研究

湖泊對洪水的調(diào)蓄是多方位的作用，不僅將洪水滯蓄于湖泊中，還有削峰作用，表現(xiàn)為對洪水的蓄滯作用和調(diào)節(jié)作用。湖泊對洪水的蓄滯作用一般以調(diào)蓄量表示[5]。但湖泊的調(diào)蓄量受洪水特性、洪水起漲前湖泊水位等諸多因素的影響，無法完全表示湖泊對洪水的蓄滯作用。因此在湖泊調(diào)蓄量研究的基礎(chǔ)上提出了調(diào)節(jié)系數(shù)，表示一次調(diào)蓄過程中湖泊對洪水的蓄滯作用的大小。

4.1 蓄滯作用分析

洪水來臨時，洪澤湖水位上漲，因入湖流量大于出湖流量，部分洪水滯蓄于湖泊中，湖水位上漲。出湖流量在不斷地增加，入湖流量開始減小，當入湖流量減小至與出湖流量相等時，洪澤湖具有最大的蓄洪量和最高的湖水位。隨著出湖流量進一步增加，入湖流量小于出湖流量，湖水位降低，洪水消退，洪水過程如圖2所示。將圖2中出入湖洪水過程線峰前的交點作為調(diào)蓄起點，峰后的交點作為調(diào)蓄終點，兩過程線之間包圍的面積為調(diào)蓄量。對于在汛期發(fā)生過多次洪水的調(diào)蓄，在第一個調(diào)蓄起點和最后一個調(diào)蓄終點之間的任意兩個起點和終點之間的最大滯蓄水量為此次洪水過程的調(diào)蓄量，其計算公式可以表示為:

(1)

式中：I(t)為入湖流量，m3/s；Q(t)為出湖流量，m3/s；W為調(diào)蓄量，m3；Δt為采樣間隔時間，s。

圖2 調(diào)蓄過程曲線

調(diào)蓄量的大小受各種因素的影響，包括湖泊的初始水位，洪水形態(tài)以及出湖河道的泄流能力等。出湖河道的泄流能力越小，滯蓄在湖泊中的洪水越多，調(diào)蓄量越大。但出湖河道的泄流能力越強，滯蓄在湖泊中的洪水越少，調(diào)蓄量越小。僅用調(diào)蓄量無法充分反映洪澤湖對不同等級洪水的蓄滯作用。因此在分析洪澤湖對洪水的蓄滯作用時引入調(diào)節(jié)系數(shù)，即一次調(diào)蓄過程中調(diào)蓄量與其對應(yīng)時間段的入湖洪水總量之比。調(diào)節(jié)系數(shù)越大，表明湖泊在調(diào)蓄過程中滯蓄的水量比越大，對于洪水的蓄滯能力越強，其計算公式可以表示為:

(2)

式中：I(t)為入湖流量，m3/s；W為調(diào)蓄量，m3；Δt為采樣間隔時間，s。

1991年，國務(wù)院頒發(fā)《關(guān)于進一步治理淮河和太湖的決定》，確定實施治淮19項骨干工程。近10年來，淮河流域淮河水系尚未爆發(fā)10年一遇以上洪水。1991和2003年在淮河水系發(fā)生洪水的同時沂沭泗水系也發(fā)生了洪水，2003年的洪水量級稍大于1991年，2007年淮河流域發(fā)生了與2003年洪水量級相當?shù)牧饔蛐源蠛樗＿@3年的洪水重現(xiàn)期均為10～20年一遇。

本文通過選取1991、2003和2007年3次暴雨洪水，對洪澤湖的調(diào)蓄能力進行研究(見表1)。從表1中可以看出，洪澤湖對于10～20年一遇的洪水調(diào)蓄總量變化不大，均為30×108m3左右，但1次調(diào)蓄量從1991-2007年逐漸上升。1991年洪澤湖對洪水的調(diào)蓄過程有兩次，第一次調(diào)蓄的洪水量級較小，經(jīng)過一次泄洪過程之后又迎來了第二次的洪水。第二次洪水量級較大，能夠表現(xiàn)洪澤湖對一次大洪水過程的調(diào)蓄特征。洪澤湖對洪水的一次調(diào)節(jié)系數(shù)從1991年的0.19上漲到2003年的0.21至2007年的0.38，表明洪澤湖對洪水的蓄滯能力在逐漸增強。治淮19項工程的完成是洪澤湖調(diào)蓄能力增強的一個重要原因。

表1 洪澤湖調(diào)蓄量及調(diào)節(jié)系數(shù)

4.2 調(diào)節(jié)作用分析

湖泊對洪水的調(diào)節(jié)作用表現(xiàn)在對洪峰的削減、滯后以及對洪水過程的延長。湖泊通過對入湖洪水的調(diào)節(jié)，使出湖洪水過程變得平緩。其中對洪峰的削減可以用削峰系數(shù)表示，對洪峰的滯后作用可以用滯后時間Δt表示，即Imax(t)所對應(yīng)的的時間與Qmax(t)所對應(yīng)的的時間之差。削峰作用可以用下面的公式計算：

(3)

式中:Imax(t)為最大入湖洪峰流量，m3/s；Qmax(t)為最大出湖洪峰流量，m3/s。

1991年淮河流域暴雨過程多且間隔時間較短，洪水起漲和消退較慢，洪水過程在湖泊內(nèi)持續(xù)時間長，洪水表現(xiàn)為“矮胖型”。2003年淮河流域降雨較大且降雨集中，其特點是間隔時間短、強度大，洪水表現(xiàn)為“高瘦型”。2007年暴雨歷時長，降雨范圍廣，但最大30 d暴雨介于1991和2003年之間，洪水表現(xiàn)為“高瘦型”。從表2中可以看出，洪澤湖對不同類型洪水過程影響的差別較大，1991年的削峰系數(shù)與滯后時間均較大，表明洪澤湖對“矮胖型”洪水的調(diào)節(jié)作用較強。

表2 洪澤湖削峰系數(shù)及滯峰時間

洪澤湖處于淮河中下游結(jié)合部，是淮河河道的組成部分。其出湖河道的泄流能力影響著洪澤湖對洪水的調(diào)節(jié)能力。出湖河道泄流能力越大，洪澤湖對淮河洪水的調(diào)節(jié)作用越強，反之，出湖河道泄流能力越小，洪澤湖對淮河洪水的調(diào)節(jié)作用越弱。表3為洪澤湖各出湖河道的最大泄流量。

洪澤湖對不同類型和不同組合方式的洪水調(diào)節(jié)方式是不同的，并且人類可以參與到調(diào)洪過程，故洪水過程受人類調(diào)控方式和自身條件共同影響。入海水道在2003年首次投入使用，從表3中可以看出入海水道在調(diào)洪過程中發(fā)揮了巨大的作用。雖然1991年蔣壩水位比2007年高，但入江水道的最大流量卻小于2007年，這說明2007年入江水道的泄流能力較1991年強。綜合表3和4，可以看出雖然出湖河道的泄流能力有一定的增強，但遠未達到設(shè)計泄流能力。

表3 洪澤湖各出湖河道的最大泄流量

表4 洪澤湖出湖河道設(shè)計泄洪能力[12]

4.3 影響因素分析

湖泊對洪水的調(diào)蓄能力受湖泊演變的影響。自然因素和人類活動是湖泊演變的兩個重要影響因素。由于泥沙淤積和人工圍墾，洪澤湖的調(diào)蓄庫容發(fā)生了較大的變化[13]。虞邦義等[14]結(jié)合實測資料研究了洪澤湖的泥沙淤積，結(jié)果表明洪澤湖呈現(xiàn)淤積狀態(tài)，庫容減小。范亞明等[15]分析了1930年以來洪澤湖水域面積的變化，結(jié)果表明洪澤湖的水域面積日益縮小，其中人類活動對水域面積的變化起主導(dǎo)作用。因此，通過研究湖泊調(diào)蓄能力的影響因素以及各影響因素對調(diào)蓄能力的作用機理及影響程度，可以為湖泊治理指明正確的方向，對于湖區(qū)以及流域的防洪具有積極意義。

5 結(jié)論與建議

本文通過梳理并分析洪澤湖調(diào)洪過程，根據(jù)洪澤湖調(diào)蓄的特點選取合適的指標，研究淮河流域典型洪水年洪澤湖的調(diào)蓄能力。研究結(jié)果表明：洪澤湖對10～20年一遇洪水的調(diào)蓄量基本不變，但是調(diào)蓄系數(shù)在逐步增長，洪澤湖對洪水的蓄滯作用逐漸增強。洪澤湖對不同類型和組合方式洪水的調(diào)節(jié)方式存在明顯的差別，但其整體調(diào)節(jié)作用在逐漸增強。在調(diào)洪過程中，洪澤湖出湖河道的泄流能力未達到設(shè)計泄流能力，建議采取適當?shù)拇胧┰鰪姵龊拥赖男沽髂芰Γ嵘闈珊樗恼{(diào)節(jié)能力。

由于當前公開的資料有限，本文對洪澤湖調(diào)蓄能力的研究主要為大洪水發(fā)生時期，未能深入分析洪澤湖對各級洪水的調(diào)蓄能力，較難滿足實際運用中洪澤湖對各級洪水調(diào)節(jié)的需求。在后續(xù)數(shù)據(jù)資料逐步公開并且數(shù)據(jù)量充足的情況下，可以根據(jù)本文的研究思路，綜合研究洪澤湖對各級別洪水的調(diào)蓄能力。