長江中下游沿江泵站排澇對干流防洪的影響分析

胡 向 陽，劉 佳 明，吳 家 陽，馬 強

(1.長江水利委員會 水旱災害防御局，湖北 武漢 430010； 2.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

1 研究背景

長江流域地域遼闊、資源豐富，是我國經濟最發達的地區之一。流域廣大地區暴雨多、洪水大，特別是中下游平原地區地勢低平，洪澇災害頻繁而嚴重。經過70余a的建設，特別是1998年大水后的建設，長江流域初步形成了以堤防為基礎，三峽工程為骨干，干支流水庫、蓄滯洪區、河道整治相配套，結合封山植樹、退耕還林，平垸行洪、退田還湖，水土保持措施及防洪非工程措施組成的綜合防洪減災體系。

長江中下游宜昌至徐六涇區間流域面積共約77.26萬km2，分屬湖北、湖南、江西、安徽、江蘇等五省，據統計，其中沿江澇區集雨總面積14.09萬km2，澇區內耕地面積約590.8萬hm2，總人口約1億3 449萬人。澇區地面高程普遍低于當地洪水位4～10 m，區內土地肥沃，是我國的糧食主產區和經濟作物生產基地。長江中下游汛期暴雨集中、覆蓋面廣、強度大、持續時間長，同時江河水位上漲，平原圩區大量積水受江河洪水的頂托而不能自流外排，需依靠圩內河網、湖泊調蓄和泵站提排。

隨著長江經濟帶發展、長三角一體化發展等國家戰略的逐步推進，城鎮化和工業化水平不斷提高，城鎮人口和社會財富日益聚集，加之河道、湖泊、洼地等被占用，城市開發建設與防洪排澇之間的矛盾日益突出。加之近些年來受全球氣候變化影響，長江流域降水及其時空分布顯著變化，極端天氣氣候事件增加。2016年汛期，長江中下游沿江許多區域外洪內澇，水位居高不下，“關門淹”問題十分突出。如武漢等大中城市不同程度受淹，城市生產生活受到嚴重影響；湖北省梁子湖汛期澇水無法及時排出，嚴重威脅鄂州市城區安全。2020年汛期，中下游鄱陽湖區、巢湖、滁河、青弋江、水陽江超歷史或超保證水位，部分支流、湖泊受干流持續高水位頂托影響，洪澇水出路無法解決，長期維持高水位。據統計，沿江澇區共啟用排江泵站2 200余座，總排水量約800億m3，洪澇災害損失巨大。因此有必要結合沿江地區外排能力建設情況，全面分析沿江澇區排澇對長江干流防洪的影響，探索合理的圩區排澇調度方式，統籌協調好排澇與防洪的關系，保障重點地區防洪除澇安全，盡可能減少整體洪澇災害損失。

由于澇區涉及面廣、排澇泵站分布散、洪澇關系問題復雜等困難，長江中下游洪澇關系相關研究較少，僅有少數文獻初步評估了澇區排澇對中游干流洪水位的影響，如劉巧清等[1]基于長江中下游平原澇區排澇規模，運用水文學模型估算了2030年規劃水平年下澇區排澇對中游城陵磯、漢口、湖口等主要控制站的最高洪水位影響；周宏偉等[2]以太湖流域圩區現狀調查為基礎，采用數學模型對不同水利分區的圩區排澇對區域、流域防洪影響進行分析；鐘桂輝等[3]通過構建水動力學模型分析了太湖流域陽澄淀泖區排澇對區域防洪的影響分析。已有研究尚未系統摸排梳理長江中下游沿江排澇泵站建設情況和排澇規模，并精細化模擬評估澇區排澇對防洪的影響。

本文針對近年來長江中下游沿江區域暴露的突出洪澇問題，為應對沿江澇區排澇對長江干流防洪影響逐漸加大、沿江排澇與防洪關系發生新的變化，系統收集梳理長江中下游沿江排澇泵站情況，分河段、分排澇保護對象類型分析沿江泵站排澇能力，構建澇區排澇水文模型和河湖水動力學模型，研究沿江澇區排澇對干流洪水位的影響，為長江中下游洪澇關系研究提供技術支撐。

2 沿江泵站排澇能力分析

2.1 沿江排澇泵站建設情況

本文在全國水利普查數據等資料的基礎上，通過文獻資料整理、遙感影像比對、調研查勘復核等多種方法，構建了長江中下游沿江排澇泵站基礎數據庫。據統計，截至2020年直接排入長江干流及通江水體(各支流主要控制站以下)的排澇泵站共計2 629座，總設計流量19 401.3 m3/s。其中，湖北省403座，設計流量7 122.7 m3/s；湖南省967座，設計流量4 572.3 m3/s；江西省494座，設計流量2 381.4 m3/s；安徽省341座，設計流量2 763.2 m3/s；江蘇省424座，設計流量2 561.8 m3/s(見圖1)。

2.2 分河段排澇能力分析

根據洪水組成、蓄泄能力、防洪特點等，將長江中下游劃分為宜昌至城陵磯(含洞庭湖區)、城陵磯至漢口、漢口至湖口(含鄱陽湖區)、湖口至大通、大通至南京、南京以下等5個河段分別進行統計分析。從表1可知，長江中下游排江泵站主要集中在宜昌—湖口河段，泵站總數和排澇規模均占全部泵站的約70%，主要是由于該段沿江(湖)澇區范圍包括江漢平原、洞庭湖平原和鄱陽湖平原，面積較大且地勢普遍低，汛期基本只能靠泵站抽排出江。

圖1 長江中下游沿江排澇泵站分布Fig.1 Pumping stations at middle and downstream of Changjiang River

2.3 分保護對象類別排澇能力分析

根據澇片防洪保護的重要性差異，分重點防洪城市、一般城鎮、農田等3類不同保護對象統計分析，其中重點防洪城市包括荊州、長沙、岳陽、武漢、黃石、九江、南昌、安慶、蕪湖、南京等10座城市；一般城鎮包括如宜昌、黃岡、鄂州、池州、銅陵、馬鞍山、鎮江、南通等地級市以及沿江沿湖的縣城、集鎮等；農田澇片為農排區。長江中下游平原水系脈絡復雜，再加上沿江城市城鎮化快速發展，導致城鎮和農田澇區的界限難以準確劃定，本次通過GIS工具比對、遙感影像識別、規劃資料核對等多種手段，分析得到重點防洪城市、一般城鎮、農田等澇片面積分別約為7 638，2 434，130 795 km2。

從表2可知，農田澇片面積大、分布廣，排澇泵站個數和規模總量也最大，占全部泵站的83%，其中洲灘民垸排澇規模較小，占全部泵站的6%；重點防洪城市澇片面積占比約為3%，但由于其防洪重要性高、治澇標準高，泵站規模總量占全部泵站的14%；其他城鎮澇片由于面積最小，排澇規模也最小，占全部泵站的3%。

表2 沿江泵站分河段、分保護對象排澇能力統計Tab.2 Drainage capacity of each reach aiming at different protected targets by pumping station

3 研究方法

本次研究重點分析沿江澇區對長江干流防洪的影響，不具體分析各澇區內部的排澇調度。歸納合并同種概化計算類型的澇片，以澇片作為一個整體計算單元，分析沿江澇區的外排流量過程。本次將沿江澇區共劃分為81個排澇計算單元，對于較大的湖泊水系流域澇片，如西涼湖片、湯遜湖片、梁子湖片、東湖片等，進行單獨計算；對于洞庭湖區和鄱陽湖區的圩垸，根據其空間位置和水系河網分布，進行分片計算。

針對每個計算單元，首先運用流域水文模型進行天然產匯流計算，然后根據各澇片單元特點進行排澇調蓄演算得到澇水入江流量過程，作為長江中下游水動力學模型的入流邊界條件。考慮沿江泵站控制不排、沿江泵站同時運行2種計算方案，構建并運用水動力學模型分別計算其對沙市站、城陵磯站(蓮花塘)、漢口站、湖口站、大通站等主要控制站的水位、流量的變化情況，分析沿江澇區排澇對防洪的影響。

3.1 澇區天然產匯流模型

水文模型是對自然界復雜水循環過程的近似描述，通常可分為集總式水文模型和分布式水文模型。一般而言，分布式水文模型對水文過程的考慮比較詳細、物理機制相對完備，但集總式水文模型具有結構簡單，對基礎資料的要求相對較低等優點，且一些常用的集總式水文模型對徑流模擬的精度實際上不低于分布式水文模型。本次研究采用的水文模型GR4J模型[4]全稱為mode′le du Ge′nie Rural a′ 4 parame′tres Journalier，是由法國人提出的概念性降雨徑流模型。經過國內外多位學者的完善和發展，已在法國、中國、澳大利亞等400多個不同氣候條件的區域得到驗證，廣泛應用于洪水預報、水資源規劃等方面。

3.2 澇區排澇計算方法

對每個澇片計算單元進行概化計算，充分考慮澇區內湖泊、溝渠等調蓄水體的蓄滯作用，泵站開機臺數、排水流量視水情而定，盡快將澇區水位降至汛期控制水位。各沿江澇區根據區內防洪排澇工程和排澇方式的不同，可概化為以下兩種計算方法。

(1) 對于排田澇區、泵站起排水位等于湖泊汛前控制水位或農田不受澇水位的排湖澇區。① 汛前利用外江(湖)水位低，通過涵閘搶排盡快將調蓄水體水位降至汛前控制水位；② 汛期外江(湖)水位較高而不能自排時，關閉閘門，通過外排泵站將降雨產生的澇水抽排出江(湖)；③ 當時段澇水小于等于澇區外排能力時，來多少排多少；④ 當時段澇水大于澇區外排能力時，按外排能力排水，減去外排能力的剩余澇水計入下一時段澇水。排澇流量計算公式為

(1)

式中：Qt表示t時段的澇區排澇流量；qi表示i時段的澇區來水流量；Qmax表示澇區排澇能力。

(2) 對于泵站起排水位大于湖泊汛前控制水位的排湖澇區。① 計算湖泊汛前控制水位至起排水位之間的蓄澇容積，當澇區累計澇水小于等于蓄澇容積時，澇區不外排；② 當澇區累計澇水大于蓄澇容積時，與公式(1)計算方法相同。

3.3 長江中下游洪水演進水動力學模型

長江中游河湖洪水演進水動力學模型[5]計算范圍為干流宜昌—大通段、荊江三口洪道、洞庭湖、鄱陽湖。本次研究為進一步研究各澇區排澇對長江干流防洪影響、各澇區限排效果等，增加沿江澇區排澇計算模塊，優化改進水動力學模型。

4 研究結果

4.1 沿江澇區排澇水文分析

綜合考慮宜昌—徐六涇各河段歷史發生的大洪水與澇區暴雨資料分析，選取1954，1983，1996，1998，2016，2017年等典型年進行計算分析。根據實地調研和資料分析，長江中下游沿江澇區多在5月左右進入汛期后就由于外江水位較高不能自排，區內澇水需要通過泵站抽排入江，故本次計算時段選擇為5月1日至9月30日。

采用經分河段率定和驗證后的水文模型對各典型年各澇片5～9月產流過程進行模擬，進而計算出各澇片以及各河段泵站抽排入江過程，為沿江排澇對干流洪水影響研究提供邊界條件。

通過對47個澇區的1954，1983，1996，1998，2016，2017年等典型年汛期排澇流量分析計算，得到各河段總排澇過程，如遇1954年降雨的宜昌至城陵磯河段、宜昌至湖口河段、宜昌至徐六涇河段排澇過程如圖2所示。可以看到：河段沿江各澇區排澇過程疊加后，最大排澇流量小于排澇總設計流量，如宜昌至城陵磯河段最大排澇流量為4 875.5 m3/s，小于河段排澇總設計流量5 928.0 m3/s；宜昌至湖口河段最大排澇流量為11 508.2 m3/s，小于河段排澇總設計流量13 973.1 m3/s；宜昌至徐六涇河段最大排澇流量為14 779.21 m3/s，小于河段排澇總設計流量19 401.3 m3/s。由于各典型年沿江澇區實際降雨時空分布特點不同，一般會導致各澇區排澇流量峰現時間錯開，同時段疊加后，河段總排澇流量峰值一般會小于河段排澇總設計流量。

圖2 各河段1954年典型年排澇計算過程Fig.2 Drainage hydrograph of several reaches under typical year of 1954

各河段沿江澇區在干流警戒水位以上時段排澇水量計算成果見表3。從泵站正常運行方案下各河段澇區警戒水位以上時段排澇水量分析結果來看，宜昌至徐六涇河段排澇量由大到小排序為1954，1998，1983，2016，1996，2017年，其中1954年為574.1億m3。

表3 各典型年各河段沿江澇區排澇水量計算成果Tab.3 Volume of drainage in each reach in typical years 億m3

4.2 沿江泵站排澇對干流防洪影響分析

4.2.1計算方案選擇

4.2.1.1 長江上游控制性水庫運用方案

本次研究上游水庫群聯合調度方式依據批復的《2020年長江流域水工程聯合調度運用計劃》，考慮上游三峽等21座水庫，其中三峽水庫運行方案依據《三峽(正常運行期)-葛洲壩水利樞紐梯級調度規程(2019年修訂版)》。

4.2.1.2 泵站運用方案

(1) 方案一：泵站控制不排。該方案模型邊界條件考慮：① 長江干支流、洞庭湖四水、鄱陽湖五河等各控制站流量匯入，其中宜昌站為上游水庫群聯合調度后的流量；② 宜昌至螺山區間、漢口至九江區間、湖口至大通區間、大通至徐六涇區間、洞庭湖區間、鄱陽湖區間等未控區間，其中的澇區范圍產流不匯入河道。

(2) 方案二：泵站正常運行。與泵站不排方案相比，各澇區的產流經澇區內排澇泵站按照前文計算規則進行排澇計算后，在水動力模型中匯入相應河流。

4.2.2計算結果分析

針對各典型年，考慮長江中下游干流不同河段的洪水組成、蓄泄能力、防洪特點等，分宜昌至城陵磯(含洞庭湖區)、城陵磯至漢口、漢口至湖口(含鄱陽湖區)、湖口至大通、大通以下等5個河段，結合長江上游水庫群聯合調度情況，分析排澇對各河段干流水位的影響。對于1954年洪水，本文考慮不分洪方案進行計算分析，充分反映排澇對干流最高洪水位的影響。

表4 各排澇方案下控制站最高水位計算成果Tab.4 Maximum water levels under different drainnge schemes m

考慮到河道高水位時，防汛情勢緊張，分析排澇對防洪影響更為重要，選擇沙市、城陵磯(蓮花塘)、漢口、湖口水位分別在44.50，33.95，28.50，20.50 m(洲灘民垸運用水位)和14.40 m(大通警戒水位)以上的高水位時段，統計分析高水位持續時間T及增加時間ΔT、控制站水位增量最大值ΔZM、控制站最高水位增加值ΔZ以及河段排澇量在干流螺山站水量的占比K等指標，見表5。

從分析結果可知：由于沿江泵站排澇影響，在各典型年干流高水位時段，沙市水位增量最大值為0.21 m，最高水位抬高0.04 m；城陵磯(蓮花塘)高水位持續時間增加5～22 d，水位增量最大值為0.49～0.82 m，最高水位抬高0.41～0.72 m；漢口高水位持續時間增加5～10 d，水位增量最大值為0.80～0.92 m，最高水位抬高0.55～0.85 m；湖口高水位持續時間增加10～12 d，水位增量最大值為0.81～0.89 m，最高水位抬高0.89～0.90 m；大通高水位持續時間增加5～15 d，水位增量最大值為0.67～0.73 m，最高水位抬高0.61～0.68 m。結果表明：各典型年河道斷面以上排澇量占螺山站水量的比例均在5%以內，占漢口站、八里江站水量的比例均在10%以內，占大通站水量的比例基本在10%以內，排排澇對河道水量影響有限，但是對河道水位有一定抬升影響且持續，導致干流高水位時間也隨之延長。

表5 沿江澇區排澇對防洪影響指標Tab.5 Influence indices of drainage on flood aontrol

4.2.2.1 不同河段泵站排澇影響

為分析不同河段沿江澇區排澇對干流防洪影響，分別選取各河段沿江澇區單獨排澇，并選擇排澇對干流防洪影響較大的1954，1998，2016等典型年進行分析，與不排方案對比結果見表6。

表6 不同河段澇區對干流主要控制站最高洪水位影響Tab.6 Influences of drainage in different reaches on highest water level of major gauging station m

從各典型年不同河段排澇泵站影響結果來看：沙市最高水位的增高受宜昌至城陵磯河段澇區排澇泵站的影響最大，占各典型年全部沿江澇區排澇影響的54%～64%；城陵磯(蓮花塘)最高水位的增高受宜昌-漢口河段澇區排澇泵站的影響較大，達85%以上，其中宜昌-城陵磯河段澇區影響占50%～62%，城陵磯-漢口河段澇區影響占各典型年28%～33%；漢口最高水位的增加受宜昌-湖口3個河段沿江澇區的影響均較大，影響大小排序為宜昌至城陵磯、城陵磯至漢口、漢口至湖口河段澇區，對最高水位的影響分別為0.33～0.37 m、0.22～0.26 m、0.20～0.24 m；湖口最高水位的增加同樣是受宜昌-湖口3個河段沿江澇區的影響均較大，其中漢口至湖口澇區排澇影響最大，對最高水位抬高的影響為0.32～0.39 m，湖口至大通沿江澇區對其也有一定影響，但相對較小；大通最高水位的增高同時受到漢口-湖口河段和湖口-大通河段澇區排澇泵站的影響，但前者影響更大，這是由于漢口-湖口河段包含了鄱陽湖區的澇區，排澇流量相對更大；大通以下河段對大通和南京站最高水位的增加分別占全部沿江澇區排澇影響的7%～13%、15%～30%，占比較小，大通以上河段沿江澇區排澇對大通-南京河段防洪影響占主要作用，這是由于大通以上河段包括洞庭湖和鄱陽湖兩個湖區澇區，排澇流量大，對干流水位影響大，同時大通以下河段干流流量較大，河段排澇流量占比較小，對水位抬升不敏感，所以大通以下河段沿江澇區排澇對防洪影響不大。

4.2.2.2 不同類型澇片泵站排澇影響

為分析不同保護對象類型澇片排澇對干流河段防洪影響，分別選取重點防洪城市、一般城鎮、農田等3種類型澇片的排澇泵站單獨排澇，并選擇對干流防洪影響較大的1954，1998，2016年等3個典型年進行計算，與不排方案對比結果見表7。

表7 不同保護對象類型澇片排澇對干流主要控制站最高洪水位影響Tab.7 Influences of drainage in different waterlogging areas on highest water level of major gauging stations m

從各典型年不同保護對象類型澇片排澇影響結果來看：沙市最高水位的增高受農田澇片排澇泵站的影響最大，增加0.04～0.29 m，占各典型年全部澇區排澇影響的86%；城陵磯(蓮花塘)最高水位的增高亦受農田澇片排澇泵站的影響最大，增加0.34～0.63 m，占各典型年全部澇區排澇影響的78%～85%；漢口最高水位的增加主要受農田、重點防洪城市澇片排澇的影響，對最高水位的影響分別為0.46～0.69 m、0.12～0.21m，分別占各典型年全部澇區排澇影響的72%～82%、13%～25%；湖口最高水位的增加同樣主要受農田、重點防洪城市澇片排澇的影響，對最高水位抬高的影響分別為0.50～0.62 m、0.11～0.17 m，分別占各典型年全部澇區排澇影響的77%～83%、14%～18%；大通最高水位的增加同樣主要受到農田、重點防洪城市澇片排澇的影響，對其最高水位的影響分別為0.52～0.54 m、0.08～0.25 m，分別占全部澇區排澇影響的70%～84%、13%～25%；大通以下河段不同保護對象類型澇片對河段的影響與其對大通的影響類似。

5 結 論

(1) 長江中下游沿江及兩湖澇區總面積14.09萬km2，直排入湖入江排澇泵站共2 629座、總設計流量19 401.4 m3/s，其中直排入江12 175.7 m3/s。沿江排澇泵站主要集中在宜昌至湖口河段，數量和規模均占全部泵站的70%左右。

(2) 沿江澇區排澇量占干流洪量比例較小，排澇對長江干流防洪影響主要表現為抬高部分時段河道行洪水位。通過各典型年分析，在各河段洲灘民垸運用水位以上的洪水位時段，排澇對城陵磯(蓮花塘)水位抬高幅度為0.52～0.82 m，漢口水位抬高幅度為0.89～0.94 m，湖口水位抬高幅度為0.81～0.90 m。

(3) 在長江流域大水年，廣大中下游平原區往往外洪內澇、遭遇成災。一方面，由于外江水位高導致內水不能外排時，未受洪災的澇區易形成嚴重澇災；另一方面，大量澇水通過泵站抽排出江，會不同程度抬高外江水位，加重長江干流防汛負擔。下一步將繼續深化研究沿江澇區排澇泵站的限排條件、限排范圍、限排方式，統籌協調流域防洪與區域排澇的關系，保障流域大洪水年份長江干流與沿江澇區的防洪除澇安全。