結雅、布列亞水庫對黑龍江防洪需求的響應

李宜雪　董增川　肖敬　施任生　許凌杰

摘要：為定量研究結雅水庫和布列亞水庫對黑龍江干流防洪需求的響應，以2013年黑龍江大洪水為例，基于馬斯京根理論構建了河道洪水反向演算模型，分別以奇克站、烏云站和勤得利站為流域控制站點，分析計算結雅水庫和布列亞水庫對奇克、烏云和勤得利三站的防洪需求響應。位于俄羅斯結雅河上的結雅水庫和布列亞河上的布列亞水庫對黑龍江干流洪水具有明顯的削峰、錯峰作用;干流不同站點對水庫的錯峰要求不同，結雅、布列亞水庫應分別進行錯峰調度，將支流洪峰與干流洪峰錯開，保障干流安全。

關鍵詞：2013年洪水;洪水影響;馬斯京根法;結雅水庫;布列亞水庫;黑龍江

中圖分類號：TV877

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019.03.011

我國是世界上洪澇災害最為頻繁和嚴重的國家之一[1].由洪澇災害所造成的社會經濟損失占各種自然災害損失的首位。黑龍江為世界十大國際界河之一.100多a來曾多次發生大洪水，對人民的生命財產造成巨大的威脅。水庫作為重要的水利工程，在減輕洪水災害方面發揮著舉足輕重的作用。然而黑龍江干流上并無水庫等防洪工程，其防洪形勢十分嚴峻。在黑龍江大洪水期間，位于俄羅斯結雅河上的結雅水庫和布列亞河上的布列亞水庫發揮了重要的削峰、錯峰作用，有效地減輕了黑龍江干流的防洪壓力。因此，分析結雅水庫和布列亞水庫對黑龍江干流防洪需求的響應，對黑龍江流域應對大洪水具有重要的現實意義，同時可為中俄聯合防洪交流與談判提供理論依據。

目前，關于水庫等水利工程對洪水的影響，許多學者已經做了很多研究。李成林等[2-3]采用新安江模型和遙感技術，分析了水利工程對洪水的影響規律：張建云等[4]從水文的角度分析了主要水利工程運用對淮河洪水的影響，并提出了相應的防洪措施：孫新國等[5]將TOPMODEL水文模型耦合到水文模型中，通過歷史洪水來率定水利工程對洪水的影響：張瑞勛等[6]采用優化準則與經驗適線法，分析了上游水利工程對楓樹壩入庫洪水的影響：張志紅等[7]在大量實地考察的基礎上構建流域水文模型，分析了渭河流域水利水保工程對實測洪水的影響：郭生練等[8]采用新安江模型、納西模型和地下線性水庫匯流模型進行分析計算，提出了人類活動影響下的豐滿水庫洪水預報方案。以往的研究主要集中于流域多個水利工程對洪水徑流的綜合影響，目前針對國際河流上大型水庫對我國干流洪水的影響研究較少。本文在總結前人研究工作的基礎上，分別以黑龍江干流奇克站、烏云站和勤得利站為控制站點，構建河道洪水反向演算模型，并以2013年大洪水為例，分析結雅水庫和布列亞水庫對黑龍江干流防洪需求的響應，為流域防洪調度決策提供依據。

1 研究區概況

黑龍江位于北緯42°0′-55°45′、東經108° 21′-141°21′之間，跨中國、俄羅斯、蒙古、朝鮮4個國家。黑龍江流域面積為184.3萬km².自石勒喀河源鄂嫩河起，黑龍江全長4 416 km，石勒喀河和額爾古納河匯合點以下稱為黑龍江干流，干流全長2 833 km。傳統上將黑龍江流域劃分為額爾古納河、石勒喀河、結雅河、布列亞河、松花江、烏蘇里江6大水系，其他支流及黑龍江干流統稱為黑龍江干流區。黑龍江流域屬大陸性氣候區，受中緯度西風帶和西伯利亞寒冷空氣影響，具有春季干旱多大風、夏季溫熱多雨、秋季晴冷溫差大、冬季嚴寒而漫長的氣候特點。流域多年平均氣溫-4.3 -5.1℃，年降水量一般為500 mm左右。受氣候和地形條件等方面的影響，流域年內降水主要集中在6-9月（占年降水量的70%）。降雨年際變化也較為明顯，最大年降水量一般是最小年降水量的2-3倍。黑龍江流域的洪水主要由汛期暴雨形成，暴雨集中在6-9月，其中7月至8月上旬是暴雨的集中期。

位于俄羅斯的結雅河是黑龍江左岸最大的支流，發源于外興安嶺馬洛托科湖南30 km處，河長1 242km，流域面積23.3萬km³。結雅水庫位于俄羅斯結雅河上，于1976年建成，水庫水面長度為225 km，中部寬度為24 km，平均水面面積2 420 km²，庫容873.8億m3，防洪庫容161億m³。水庫可調蓄的壩址以上流域產生的徑流量占結雅河總徑流量的36%。布列亞河河長739 km.流域面積7.07萬km².布列亞水庫位于布列亞河上，為山區水庫，庫區水面長234 km，面積750 km²（相應于正常高水位），總庫容209億m³，水庫調節徑流量占整個布列亞河的92%。圖1為黑龍江干支流及研究站點位置分布情況，由于黑龍江流域面積很大，因此只截取了研究站點和水庫所在的區域。

2 控制河道洪水反向演進模型

2.1 基本原理

反向演進模型可將防洪斷面目標流量過程反演到水庫壩址斷面，本次洪水反向演算采用過程迭代法。過程迭代法設下游控制斷面的目標流量過程為0_t，入庫流量過程為Q_t，符合控制斷面目標流量過程的上斷

由式（3）可知，當K、x已知，上游斷面的來水過程以及下游斷面上一時刻的出流已知，就可以計算出下游斷面下一時刻的出流。該方法在實際應用中的一個關鍵問題是如何正確估計模型的參數K、x或CO、C1、C2。馬斯京根法要求人流和出流過程在計算時段At內呈線性變化，并且在任何計算時段△t內，在河段內沿程呈線性變化。在實際應用中，一般計算河段較長，人流洪水的漲落洪歷時遠小于河段的傳播時間，馬斯京根法的計算誤差較大。因此，為滿足馬斯京根法的線性假定，需要把演算河段劃分成若干子河段，使子河段內的流量在計算時段△t內及沿程均呈線性分布，然后采用分段連續演算的方法將防洪斷面目標流量過程反演到水庫壩址斷面。

2.2 控制站點

本次關于結雅水庫、布列亞水庫對黑龍江干流防洪需求的響應研究，考慮了奇克、烏云、勤得利3個控制站點。奇克站洪水受結雅水庫調節的影響，為單獨防洪點：烏云站和勤得利站的洪水受結雅水庫和布列亞水庫共同調節的影響，為公共防洪點。因此，在對控制站點目標流量過程進行反向演算時，需要將控制站點目標流量過程減去區間來水過程，然后反向分段演算至各水庫壩址處。反向連續演算的分段情況見表1，洪水傳播時間見表2。

3 結雅水庫、布列亞水庫防洪響應分析

結雅水庫、布列亞水庫分別位于黑龍江干流兩條支流結雅河與布列亞河上，主要控制這兩條支流的來水。奇克、烏云和勤得利分別作為單獨防洪點、公共防洪點，兩水庫對不同防洪點防洪需求的響應模式各有不同，總的來說可以歸納為削峰和錯峰兩種方式。削峰體現在洪峰流量上，而錯峰體現在洪水傳播時間上。

3.1 結雅水庫、布列亞水庫對黑龍江干流的削峰錯峰作用

結合黑龍江流域的實際情況和結雅水庫、布列亞水庫的洪水資料，采用馬斯京根法分段連續演算，將各水庫的入庫流量、出庫流量分別演算至黑龍江干流各控制斷面，并將入庫流量、出庫流量演算后的流量差疊加到實測流量過程中，即可還原得到無結雅水庫、布列亞水庫調度情況下各控制斷面的洪水過程。

3.1.1 結雅水庫對奇克站的削峰、錯峰作用

奇克站位于黑龍江干流與結雅河的交匯處，由圖2、表3可以看出，結雅水庫對奇克站流量具有明顯的削峰、錯峰作用。

3.1.2 結雅水庫、布列亞水庫對烏云站、勤得利站的削峰、錯峰作用

烏云站位于黑龍江干流與布列亞河的交匯處，勤得利位于黑龍江干流的下游。由表4、圖3、圖4可以看出，結雅水庫和布列亞水庫對黑龍江干流具有明顯的削峰、錯峰作用。

3.2 以奇克站為流域代表站

3.2.1 水庫防洪響應分析

從洪水組成上看，奇克站來水主要受結雅河與黑龍江干流的影響。可將奇克站來水分為黑河、結雅水庫以及結雅水庫與別洛戈里耶區間來水（以下稱結別區間）3個主要部分。根據結雅水庫建庫前的資料分析，結雅水庫以上來水約占別洛戈里耶洪水量的50% - 60%，結別區間來水約占別洛戈里耶洪水量的40% - 50%。奇克站洪水組成可以表示為

Q奇克=f（ q黑河+Q結雅+q結別區間+q區間匯流） （5）式中：q黑河為黑河站來水，代表黑龍江干流上游來水;Q結雅為結雅水庫以上來水;q結別區間為結別區間來水，g結別區間/Q結雅∈（0.67，1）;q區間匯流為黑河站、別洛戈里耶至奇克區間匯流，由于該部分來水量較小，因此忽略不計。

若兩江來水量較大且洪峰遭遇，將對下游堤防安全造成巨大威脅，此時結雅水庫應充分發揮攔洪削峰作用，盡可能削減結雅河上游來水.避免兩江洪峰疊加，以下討論皆以此為前提。干支流來水不同，則結雅水庫調度下泄也不相同。2015年黑龍江干流加固堤防后，奇克段堤防的防洪標準為50 a一遇，對應安全泄流量為26 800 m³/S。根據奇克斷面防洪標準和洪水組成情況，估算干支流不同洪水組合情況下結雅水庫下泄限值，結果見表5。

由表5可知，黑龍江干流的來水流量越大，在同樣的結別區間來水和入庫洪水下，為了減少支流結雅河的來水，結雅水庫的下泄限值也越小。極限情況為當黑龍江干流出現20 a一遇的洪水，且結別區間來水和入庫流量都很大時，結雅水庫不能放水。這對水庫壓力太大，基本不可能實現，因此奇克站肯定會發生超標準的洪水。因此，提高下游防洪斷面的防洪標準極為重要。

3.2.2 典型年響應分析

2013年黑龍江流域發生全流域大洪水，圖5為2013年奇克站洪水組成情況。以奇克站防洪安全泄流量26 800 m³/s為防洪上限值，將其分段減去區間來水并反演至結雅水庫壩址處，得到結雅水庫為保證奇克站安全的最大允許下泄流量，即結雅水庫對奇克站防洪需求的響應。

由圖5可知，結雅河和黑龍江干流黑河站以上均發生了較大的洪水，且持續時間長，從而干支流洪水遭遇，造成下游奇克站洪峰流量達到27 600 m³/s，超過其防洪標準。

2013年來水情況下，結雅水庫對奇克站防洪需求的響應結果見圖6。由圖6可知，反演至水庫斷面的最小下泄流量為6 530 m³/s，水庫削峰率為44.2%，對應下游奇克站洪峰流量27 600 m³/s。從傳播時間上看，水庫最小下泄限值出現在8月11日，奇克斷面洪峰出現在8月17日前后，表明結雅水庫應提前5-6 d進行錯峰補償調度，將水庫下泄流量調整至相應限值以下，避免與黑河以上來水洪峰疊加，保證奇克斷面的防洪安全。

3.3 以烏云站為流域代表站

3.3.1 水庫防洪響應分析

從洪水組成上看，烏云站位于布列亞河與黑龍江干流匯合口下游，其來水主要受結雅河、黑龍江干流以及布列亞河的影響，因此可將烏云站來水分為上游奇克站來水、布列亞水庫以及區間匯流3個主要部分。烏云站洪水組成可以表示為

Q烏云=f（Q奇克+Q布列亞+q區間匯流）

（6）式中：Q奇克為奇克站來水;Q布歹忸為布列亞水庫以上來水;q區間匯流為奇克站、布列亞水庫至烏云站區間匯流，該部分忽略不計。

若奇克站來水流量較大且與布列亞河洪峰遭遇，將對下游烏云堤防安全造成巨大威脅，此時結雅水庫和布列亞水庫應充分發揮攔洪削峰作用，盡可能削減支流來水，避免干支流洪峰疊加。2015年黑龍江干流加固堤防后，烏云站堤防的防洪標準為50 a一遇，對應洪峰流量為31 000 m³/s。根據烏云斷面防洪標準和洪水組成情況，估算干支流不同洪水組合情況下兩水庫下泄限值，結果見表6。q結雅+q布列亞表示兩水庫下泄限值之和，兩水庫具體下泄流量應根據實際情況調整，但為保證上游奇克站的防洪安全，結雅水庫下泄流量還應滿足其下泄限值要求。