黃河中下游“五庫聯調”在2021年秋汛洪水中的防洪作用淺析

劉 剛，劉博倫，楊 飛，王遠見

(1.華北水利水電大學 信息工程學院，河南 鄭州 450046;2.黃河水利委員會 黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003;3.水利部黃河下游河道與河口治理重點實驗室，河南 鄭州 450003;4.鄭州大學 水利科學與工程學院，河南 鄭州 450001）

1 黃河2021年秋汛基本情況

1.1 秋汛的定義

《中華實用水利大詞典》中汛期的定義為“江河中由于流域內季節性降雨、融冰、化雪引起定時性水位上漲的時期”[1］。《防汛手冊》中汛期的定義為“江河洪水在一年中集中出現明顯的時期”[2］。黃河洪水按其成因可分為暴雨洪水和冰凌洪水兩類,按其出現時節可分為伏汛、秋汛、凌汛和桃汛。其中伏汛主要由集中在夏季的暴雨洪水產生,多見于7—8月黃河主汛期,秋汛主要由華西秋雨產生,多見于8月下旬至10月上旬,兩者合稱為伏秋大汛[3,4-5］。

1.2 2021年秋汛洪水特點

筆者統計了1949—2021年9—10月黃河中下游28場秋汛洪水中代表站洪峰流量與對應時間,見表1。

表1 1949—2021年黃河中下游潼關、花園口站秋汛洪水洪峰流量[3］

2021年秋汛具有洪峰流量歷史最大(潼關站有實測資料以來10月最大洪水)、洪水場次最多、洪水持續時間超長等特點,給水庫群聯合調度帶來了巨大壓力。

具體而言,2021年秋汛,黃河中下游降雨嚴重偏多且持續時間長。8月下旬至10月上旬,汾河、北洛河、渭河、涇河、伊洛河、沁河、三花間(三門峽至花園口區間)干流流域面平均降雨量均為多年最大值[6］。9月24—27日渭河、涇河、伊洛河、沁河、龍三間(龍門至三門峽區間)、三花間大部大雨,局部暴雨,24日渭河最大降雨量195 mm,25日沁河最大降雨量101 mm,26日渭河最大降雨量78 mm,27日伊洛河最大降雨量118 mm。10月3—5日涇河、渭河、北洛河、汾河、沁河大部大雨,局部暴雨,3日渭河最大降雨量130 mm,4日渭河最大降雨量104 mm。

持續的強降雨導致黃河中下游干支流發生了多年來同期最大洪水,汾河河津站10月9日洪峰流量985 m3/s,為1964年以來同期最大流量；北洛河頭站10月7日洪峰流量1560 m3/s,為1999年以來同期最大流量；渭河華縣站9月28日洪峰流量4860 m3/s,10月8日洪峰流量4560 m3/s,均為2011年以來同期最大流量；洛河盧氏站9月19日洪峰流量2430 m3/s,為1951年以來同期最大流量；伊河東灣站9月19日洪峰流量2810 m3/s,為2010年以來同期最大流量；沁河武陟站9月27日洪峰流量2000 m3/s,為1982年以來同期最大流量,10月8日洪峰流量1230 m3/s,為1999年以來同期最大流量。黃河干流在9 d內接連出現3場編號洪水,9月27日15時,潼關站流量5020 m3/s,黃河1號洪水報汛；9月27日21時,花園口站流量4020 m3/s,黃河2號洪水報汛,9月30日潼關站洪峰流量達到7480 m3/s；10月5日23時,潼關站流量5090 m3/s,黃河3號洪水報汛,10月7日潼關站洪峰流量達到8360 m3/s。綜上,此次秋汛,雨情、水情、汛情都為多年罕見。

黃河下游洪水主要來自中游的3個地區,即河龍間(河口鎮至龍門區間)、龍三間、三花間。不同區間來源的洪水,以不同組合形式在花園口形成兩種類型的洪水。以河龍間、龍三間來水為主,三花間來水較少的洪水稱“上大型洪水”；以三花間來水為主,三門峽以上來水較少的洪水稱“下大型洪水”[7］。2021年秋汛,1號、3號洪水為以三門峽以上來水為主的“上大型洪水”,2號洪水為以三花間來水為主的“下大型洪水”。

圖1 給出了2021年秋汛3場編號洪水在花園口的階段劃分。由圖1可知,經過黃河中下游水庫群的聯合調度,2號洪水在花園口的流量降至報汛流量后1號洪水到達花園口,有效避免了1號“上大型洪水”與2號“下大型洪水”在花園口遭遇,在3場洪水接續期間花園口流量始終得到精準控制,洪峰流量始終控制在4800 m3/s左右,實現了“人員不傷亡、河道不漫灘、工程不跑壩”,確保了黃河下游的防洪安全。

圖1 2021年秋汛編號洪水在花園口的階段劃分

2 “五庫聯調”實踐

黃河中下游防洪調度中有5座關鍵水庫,分別為黃河干流的三門峽水庫和小浪底水庫、伊河的陸渾水庫、洛河的故縣水庫以及沁河的河口村水庫。本節將詳細剖析各水庫2021年秋汛期間的調度過程,評述其各自的洪水防御策略。

2.1 三門峽水庫調度

2021年秋汛,1號、2號洪水期間三門峽水庫大部分時間敞泄運用,3號洪水后期滯洪運用,攔蓄洪水2.6億m3。秋汛期間三門峽水庫出入庫流量和水位變化見圖2。

圖2 2021年秋汛期間三門峽水庫出入庫流量和水位變化

由圖2可知,1號、2號洪水期間,三門峽水庫按照潼關站流量超1500 m3/s即敞泄運用的調度原則運行,秋汛期間共敞泄運用5次,歷時405 h,3號洪水前庫水位不超前汛期水位305 m。10月9日小浪底水庫水位突破273 m,黃河水利委員會水文局多次預報小浪底水位有突破274 m的風險,為減緩小浪底水庫與黃河下游防洪壓力,三門峽水庫開始滯洪運用,到10月12日利用315 m水位以下的防洪庫容攔蓄洪水2.6億m3(圖2中橢圓所標區域)。10月26日黃河干支流相繼退水后,水庫向正常蓄水位318 m過渡。

2021年秋汛,3號洪水報汛后故縣、陸渾水庫關閘停泄,在支流水庫防洪作用最大化的情況下小浪底水位仍有突破274 m的風險,三門峽水庫啟用315 m以下防洪庫容,為保證小浪底水庫安全、緩解下游防洪壓力發揮了重要作用。

2.2 小浪底水庫調度

2021年秋汛,1號洪水報汛后小浪底水庫攔蓄洪水,避免“上大型洪水”與“下大型洪水”在花園口遭遇。2號洪水報汛后支流水庫優先泄洪,然后小浪底水庫逐漸加大流量下泄。3號洪水小浪底水庫先攔后泄,在三門峽、故縣、陸渾水庫攔蓄控泄配合下與河口村水庫錯峰泄洪。秋汛期間小浪底水庫出入庫流量和水位變化見圖3。

圖3 2021年秋汛期間小浪底水庫出入庫流量和水位變化

由圖3可知,9月初和中下旬兩場秋雨過后,9月26日小浪底水庫水位升至262.83 m。1號洪水報汛后故縣、陸渾、河口村水庫均處在泄洪關鍵期,小浪底水庫攔蓄洪水配合3座支流水庫聯合泄洪,9月27日21時花園口站洪峰流量4020 m3/s,“下大型”2號洪水在花園口報汛。10月2日小浪底水位突破271 m后故縣、陸渾、河口村水庫減小下泄流量,小浪底水庫加大流量泄洪,為將要到來的3號洪水騰庫。10月5日小浪底水位回落至270 m,3號洪水報汛,故縣、陸渾水庫關閘停泄為小浪底水庫下泄創造條件。10月10日小浪底水位升至273.50 m,與此同時河口村水庫水位逼近280 m,為緩解小浪底水庫防洪壓力,三門峽水庫緊急啟動滯洪運用方式,到10月20日小浪底水庫水位降至270 m。

小浪底水庫因其防洪庫容大,所處位置關鍵,故在此次秋汛洪水過程中,滯洪量和削峰率都遠超其他水庫,在“五庫聯調”體系當中發揮的作用最為顯著。

2.3 故縣水庫調度

2021年秋汛,2號洪水期間故縣水庫以泄洪運用為主,1號洪水報汛后先攔后泄錯峰調度,3號洪水報汛后關閘停泄歷時7 d。秋汛期間故縣水庫出入庫流量和水位變化見圖4。

圖4 2021年秋汛期間故縣水庫出入庫流量和水位變化

9月初和中下旬兩場秋雨過后,9月20日故縣水庫水位升至534.61 m。為應對洛河流域持續降雨、騰庫迎洪控制水位,故縣、陸渾、河口村水庫聯合泄洪,9月27日花園口站洪峰流量4020 m3/s,2號洪水報汛,9月28日10時,故縣水庫水位降至527.81 m。1號洪水后期,為給小浪底水庫創造下泄條件,故縣水庫逐漸減小下泄流量,此輪洪水末故縣水庫水位升至533.30 m。3號洪水期間,為給小浪底、河口村水庫創造下泄條件,10月6日起故縣水庫關閘停泄7 d,10月12日水位升至建庫以來最高水位537.60 m。此后水位緩慢下降,10月26日開始向正常蓄水位過渡。

1號、2號洪水期間故縣水庫與其他水庫聯合調度,保證了洛河下游及庫區移民線以下人員、財產的安全。3號洪水關鍵期故縣水庫關閘停泄7 d,為保證小浪底水庫安全、緩解黃河下游防洪壓力發揮了重要作用。

2.4 陸渾水庫調度

2021年秋汛,陸渾水庫調度策略與故縣水庫類似,2號洪水期間水庫以泄洪運用為主,1號洪水報汛后先攔后泄錯峰調度,3號洪水報汛后關閘停泄5 d。秋汛期間陸渾水庫出入庫流量和水位變化見圖5。

圖5 2021年秋汛期間陸渾水庫出入庫流量和水位變化

9月初和中下旬兩場秋雨過后,9月20日陸渾水庫水位升至318.93 m。2號洪水前,為應對持續降雨、保證庫區水位不超過人員轉移水位,騰庫迎洪水位降至317 m以下。1號洪水過程中,以花園口站流量不超4700 m3/s、小浪底水位不超270 m為原則,減小流量控泄,9月30日水位升至319 m后錯峰泄洪。3號洪水期間,為給小浪底水庫創造下泄條件,10月6日起關閘停泄5 d,10月25日水位升至正常蓄水位附近(319.39 m)。

1號、2號洪水期間陸渾水庫與其他水庫聯合調度,保證了伊河下游及水庫自身的安全。3號洪水關鍵期關閘停泄5 d,為保證小浪底水庫安全、緩解黃河下游防洪壓力發揮了重要作用。

2.5 河口村水庫調度

2021年秋汛,2號洪水前河口村水庫騰庫迎洪控制水位,1號、2號洪水接連報汛后河口村水庫減小下泄流量錯峰泄洪,3號洪水期間河口村水庫先攔后泄,與小浪底水庫錯峰泄洪。秋汛期間河口村水庫出入庫流量和水位變化見圖6。

圖6 2021年秋汛期間河口村水庫出入庫流量和水位變化

由圖6可知,9月初和中下旬兩場秋雨過后,河口村水庫水位升至274 m,9月17日起加大流量下泄,騰庫迎洪。1號、2號洪水期間,沁河流域同時發生較大洪水,為控制水位不超280 m,河口村水庫先攔后泄,與其他水庫配合錯峰泄洪。3號洪水期間,受沁河流域持續降雨和上游張峰水庫泄洪調度的影響,河口村水庫以水位不超過280 m為原則,與小浪底水庫錯峰泄洪。10月9日水位上漲至最高279.89 m,與此同時小浪底水庫也出現了最高水位,三門峽水庫啟動滯洪運用方式,為小浪底、河口村水庫下泄創造條件。10月20日水位下降至275 m,25日降至271 m,此后向正常蓄水位275 m過渡。

河口村水庫建成不久,此次秋汛前最高蓄水位為275 m,3場編號洪水期間受沁河上游持續降水影響,河口村水庫大部分時間以保證水庫自身安全、水位不超280 m為調度原則,但洪水過程中其間歇性滯洪也起到了重要作用。

2.6 “五庫聯調”總結

應對洪水,“五庫聯調”總體上以先小浪底水庫后支流水庫再三門峽水庫為原則。2021年秋汛1號洪水以潼關以上干支流來水為主,2號洪水以三花間支流來水為主。1號、2號洪水前,故縣水庫接近汛限水位,陸渾水庫超汛限水位,河口村水庫超正常蓄水位,小浪底水庫攔蓄洪水、支流水庫優先泄洪。3號洪水以潼關以上干支流來水為主,此次洪水過程中,伊河、洛河流域來水明顯減小,故縣、陸渾水庫先減小出庫流量后關閘停泄,為小浪底水庫泄洪創造條件,在小浪底水庫水位突破273 m且上游持續來水的情況下,三門峽水庫啟動315 m以下防洪庫容,減小了小浪底水庫及黃河下游的防洪壓力。河口村水庫因沁河上游持續來水,3號洪水期間與小浪底聯合泄洪,期間間歇性滯洪。

3 “五庫聯調”的防洪作用

通過還原計算的方式,應用自主研發的數學模型,分別計算了2021年秋汛3場洪水期間各水庫對應的最大滯洪量與削峰率,計算結果見圖7和表2。圖8給出了無水庫條件下花園口站還原計算的流量與實測流量對比。由圖7和表2可知,在3場洪水的滯洪作用對比中,小浪底＞三門峽＞故縣＞陸渾＞河口村,干流水庫因其所處空間位置及可調控庫容大,在攔蓄洪水中發揮了更顯著的作用；在削峰作用對比中,小浪底貢獻最大,三門峽次之,故縣、陸渾和河口村水庫因在不同場次洪水中采取的調度策略不同而在貢獻率上出現差異。

圖7 2021年秋汛3場洪水期間各水庫對應的最大滯洪量

表2 2021年秋汛“五庫聯調”整體與各水庫3場洪水期間對應的削峰率 %

圖8 2021年秋汛花園口實測與還原流量對比

由圖8可知,在防御秋汛洪水的過程中,“五庫聯調”發揮了巨大的防洪作用。經還原計算,1號洪水花園口還原洪峰流量9742 m3/s,實測流量4940 m3/s,削峰率49.29%；2號洪水花園口還原洪峰流量8906 m3/s,實測流量4800 m3/s,削峰率46.10%；3號洪水花園口還原洪峰流量9279 m3/s,實測流量4840 m3/s,削峰率47.84%。

需要特別指出的是,在削峰率計算中,花園口的峰現時間受上游水庫的共同調控,當不考慮其中任一水庫對洪水的調節作用時,花園口的峰現時間不同,而且3場洪水是連續發生的,各水庫在對其中一場洪水的峰值進行調節時會影響其他洪水的峰值,從而導致計算所得各水庫削峰率相加不等于五庫削峰率的總和；此外,由于故縣水庫在2號洪水期間以泄洪運用、確保水庫和壩上游安全為主,水庫的出庫流量大于入庫流量,因此其在2號洪水期間的削峰率為負值,這里的負值僅說明故縣水庫在2號洪水期間對于花園口洪峰的影響,并不能代表其對洪水整體防御的貢獻。

4 結語

2021年秋汛洪水因其洪峰流量歷史最大(潼關站有實測資料以來10月最大洪水)、洪水場次最多、洪水持續時間超長等特點給黃河中下游防洪調度帶來嚴峻挑戰。“五庫聯調”在此次秋汛防御中發揮了關鍵作用。本文系統梳理了2021年秋汛洪水的基本特點,剖析了洪水過程中5座水庫的調度過程,闡明了其各自的洪水防御策略,采用還原計算的方法確定了各自的防洪作用。

(1)“五庫聯調”中各水庫結合來水實際情況和防洪需求,采取了不同的調度策略,但均對洪水防御做出了積極貢獻,還原計算結果表明,3場洪水“五庫聯調”的削峰率分別為49.29%、46.10%、47.84%。

(2)“五庫聯調”中干流水庫因其所處空間位置及可調控庫容大,故在攔蓄洪水中發揮了更顯著的作用,其中小浪底水庫貢獻最大,三門峽水庫次之；故縣、陸渾和河口村水庫因在不同場次洪水中采取的調度策略不同而在貢獻率上出現差異。

(3)黃河下游防洪是多目標任務,其中最重要的是確保下游洪水不漫灘,保障灘區近200萬群眾的生命財產安全。本次秋汛洪水的成功防御,一方面體現了“五庫聯調”的重要作用,同時也反映出黃河下游河道行洪能力不足是制約防洪安全最關鍵的因素。在整個調度過程中,花園口站洪峰流量始終是制約水庫調度的最關鍵因素,其主要原因是孫口附近局部河道平灘流量不足5000 m3/s,遠小于花園口至高村段及艾山以下的平灘流量,成為制約洪水下泄的卡口。近年來黃河流域極端天氣事件增多,洪水災害風險長期存在,因此迫切需要進一步提高下游河道卡口段行洪能力,進一步擴大梯級水庫群調度空間,確保黃河安瀾。