懷柔水庫洪水調度新模式探索

孫艷華 周 寧 楊秀芳

(北京市京密引水管理處,北京 101400)

1 研究區概況

懷柔水庫緊鄰懷柔城區,除防御洪水外,還是北京市重要的地表水飲用水源地之一。懷柔水庫連通了京密引水渠上下段渠道,是正向供水和反向供水的中樞調節庫。正向供水是指京密引水渠引密云水庫水至懷柔水庫調蓄,再由懷柔水庫出庫經京密引水渠下段向北京城區供水;反向供水是指自2015年7月起,南水北調來水調入密云水庫調蓄工程,懷柔水庫承擔輸水的中間調節庫任務。截至2021年,懷柔水庫最大年引水量6.50億m3,最大年調節輸水量7.20億m3,水庫的安全保障作用愈加凸顯。

1.1 懷柔水庫概況

懷柔水庫位于北京市懷柔城區西側,始建于1958年,經4次改擴建,現為大(2)型水庫,庫容1.44億m3。防洪標準按100年一遇洪水設計,設計洪水位64.16m,2000年一遇洪水校核,校核洪水位67.73m,最大下泄流量3036m3/s[1]。懷柔水庫屬海河流域潮白河水系,控制流域面積525km2,上游為懷沙河和懷九河,下游為潮白河支流懷河。水庫流域屬大陸性季風氣候,汛期(6—9月)雨量約占全年降水量的85%,降雨常集中在7月下旬和8月上旬,為暴雨多發區,且山高坡陡,源短流急,極易形成洪澇災害。流域內設有庫區、口頭、沙峪、前辛莊、黃坎、黃花城、大莊科7個雨量遙測站[2]。懷柔水庫流域及雨量站分布見圖1。流域多年平均降雨量為605.0mm,年最大降雨量為1118.2mm(1969年),年最小降雨量為343.0mm(1962年)[3]。歷史洪水統計情況見表1。水庫自建成以來,充分發揮了調蓄、防洪、供水的功能,在向城區輸供水、向密云水庫調水、抵御洪澇災害、保護水土資源和改善生態環境方面發揮了巨大作用[4]。

圖1 懷柔水庫流域及雨量站分布

表1 歷史洪水統計情況

續表

1.2 京密引水渠工程概況

京密引水渠工程始建于1960年10月,1966年5月全線通水,全長105.059km,自密云水庫白河電站下游調節池末端的龔莊子進水閘引水,入懷柔水庫調蓄,通過京密引水渠下段輸水至團城湖樞紐(簡稱“正向供水”),為各用水戶供水。引水渠縱跨密云、懷柔、順義、昌平、海淀5個區,沿線有各類建筑物,包括進水閘、倒虹吸、節制閘、泄洪閘、山洪橋、過渠涵洞等250余座[5]。京密引水渠正向供水平面布置見圖2。

圖2 京密引水渠正向供水平面布置示意圖

1.3 密云水庫調蓄工程概況

密云水庫調蓄工程由團城湖取水,通過73km京密引水渠反向輸水,分別經屯佃泵站、前柳林泵站、埝頭泵站、興壽泵站、李史山泵站和西臺上泵站提升輸水至懷柔水庫,輸水流量為20m3/s。經懷柔水庫調節部分水量回補水源地,另一部分水量通過郭家塢泵站提升,經8km京密引水渠反向輸水至北臺上倒虹吸處,再經雁棲泵站加壓,由京密引水渠一側新建22km直徑2.60m的PCCP輸水管道入密云水庫調節池,再由溪翁莊泵站加壓后,通過白河發電隧洞將水加壓送至密云水庫,輸水流量為10m3/s。南水北調來水調入密云水庫調蓄工程(簡稱“反向調水”)平面布置見圖3[6]。

圖3 南水北調來水調入密云水庫調蓄工程總體布置圖

2 汛情概述

2.1 降雨情況

2021年汛期,受副熱帶高壓中高緯度西風帶環流影響,華北地區多對流性天氣,導致北京降雨量較常年明顯偏多。降雨主要集中在北部山區,6月22—25日,懷柔水庫流域出現入汛以來第一場強降雨,降雨量55.9mm,隨后流域出現連續強降雨過程。降雨主要集中在6月22日至8月23日和9月4日至9月26日,打破了北方地區“七下八上”的雨帶規律。總體特點概括為:降雨總量大、降雨場次多、極端天氣發生次數多、局地雨強大。

2.1.1 降雨總量大,降雨范圍廣

2021年汛期,懷柔水庫流域累計降雨量931.7mm,較常年同期(1958—2020年)501.3mm偏多86%,較2020年同期偏多114%。流域內7個雨量遙測站中有5個降雨量超過900.0mm,單站最大降雨量達1012.9mm(黃坎站)。懷柔水庫流域2021年汛期降雨情況見圖4。

圖4 懷柔水庫流域2021年汛期降雨情況

2.1.2 降雨場次多,持續時間長

2021年汛期,懷柔水庫流域共發生24場降雨過程,場次降雨量大于50.0mm的有7場,大于100.0mm的有3場。各場降雨過程持續天數為2～6天,總降雨天數多達62天。流域平均最大1天(7月12日)降雨量為93.3mm,最大3天(7月11—13日)降雨量為154.7mm。最大雨強發生在8月13日,懷柔區局地強降雨,前辛莊站小時(22—23時)降雨112.9mm。

2.2 入庫洪水

“7·12”降雨從7月11日20∶30開始至7月14日5∶00結束,懷柔水庫流域平均降雨量154.7mm,最大降雨強度39.0mm/h;繼“7·12”降雨結束1天后,懷柔水庫流域再次出現持續性強降雨,流域平均降雨量129.8mm,最大降雨強度44.0mm/h。

由于降雨過程間隔時間短,相鄰2場洪水出現了疊加效應[7]。發生于7月11—13日的“7·12洪水”,入庫斷面最大洪峰流量205.2m3/s。16日19∶00入庫斷面流量減至9.0m3/s,此后流域逐漸出現持續性強降雨,“7·18”洪水開始入庫,2場洪水形成相互疊加,入庫流量不再衰減,并開始逐步增大,18日11∶50出現最大洪峰流量296.0m3/s,為1999年以來最大洪峰流量。降雨-入庫洪水、出庫洪水過程線見圖5,庫水位過程線見圖6。

圖5 2021年“7·12”“7·18”降雨-入庫洪水、出庫洪水過程線

圖6 2021年“7·12”“7·18”庫水位過程線

3 探索洪水調度新模式

由于北京地區普降暴雨,多地洪水頻發,降低了各泄洪通道的承受能力。懷柔水庫管理部門以將洪水資源化為原則,探索多渠道、多路徑調度洪水的新模式,落實藏水于地的戰略目標,擴大回補地下水范圍,改善水生態環境,最大限度地提高水資源利用率[8-10]。在2021年汛期實踐中,累計入庫水量2.33億m3,其中調蓄工程南水入庫0.31億m3,攔蓄雨洪1.41億m3,承擔密云水庫分洪0.61億m3;累計出庫2.05億m3,其中西溢洪道向懷河分洪0.81億m3,峰山口向京密引水渠分洪0.65億m3,調蓄工程郭家塢泵站向雁棲河分洪0.59億m3。

3.1 停止南水調入懷柔水庫

調蓄工程在汛期持續運行,懷柔水庫維持高水位,調蓄空間減小。為緩解防洪壓力,在遇強降雨之前,水庫管理部門及時與相關單位協調溝通,停止調蓄工程屯佃泵站—西臺上泵站運行,即停止南水調入懷柔水庫,并繼續通過郭家塢泵站調水出庫(反向調水),利用京密引水渠上段雁棲泄洪閘向雁棲河分水,降低庫水位,為攔蓄雨洪騰出庫容。

3.2 利用水庫泄洪建筑物分洪

東、西溢洪道是水庫主要的泄洪通道,可將攔蓄雨洪泄入懷河,在順義區史家口匯入潮白河。泄洪時考慮入庫洪水量級大小以及盡量減小泄洪對下游的影響,確定啟用溢洪道的順序和數量。由于從東溢洪道泄洪,下游需要封兩條公路,從西溢洪道泄洪,下游封一條公路,因此當下泄流量小于100.0m3/s時,優先啟動西溢洪道。

根據氣象預報和洪水預報預測上游來水情況,及時啟動西溢洪道分洪。當下泄流量大于15.0m3/s時,下游南華大街漫水橋開始過水,需采取封路措施。該路段為懷柔城區進出城的主要通道之一,對市民的出行影響較大。經積極與屬地政府溝通協調,控制最大下泄流量92.0m3/s,為1998年以來之最。為快速降低庫水位,在確保水庫工程安全的前提下,采取小流量泄洪,減小對市民出行的影響。

3.3 啟動峰山口輸水閘預泄

“7·12”強降雨后,土壤趨于飽和,根據氣象預報等相關資料分析研判,再次遭遇強降雨,極有可能發生大洪水。為保障工程運行安全,需要在“7·18”降雨之前采取預泄措施。經多次調度會商,提出在維持西溢洪道、雁棲泄洪閘分洪的同時,通過峰山口輸水閘向京密引水渠下段正向輸水,利用沿渠小中河、秦屯、東崔村、興壽、東沙河、土城、柳林、安河閘等泄洪閘向各河道分洪,降低水庫水位。經峰山口輸水閘最大出庫流量43.8m3/s,騰出庫容,為水庫分洪提供新通道,緩解防洪壓力。這一分洪模式的成功應用,為后汛期分擔密云水庫入庫洪水進行河道生態補水積累了重要實戰經驗。

4 結 語

2021年汛期,懷柔水庫流域降雨范圍廣、場次多、持續時間長、總量大,為建庫以來之最。水庫管理部門積極踐行預報、預警、預案、預演的“四預”措施,成功應對了“7·12”“7·18”暴雨洪水。通過探索洪水調度新模式,將懷柔水庫、京密引水渠、調蓄工程作為一個整體統籌調度,采取供水與防洪相結合、正向調度與反向調度相結合、多渠道多路徑小流量分洪的方式,減輕了下游行洪河道壓力,增加了蓄水河道長度,回補了地下水,改善了生態水環境,落實了藏水于地的理念,起到了興水利除水害的作用,提高了水資源利用率,充分發揮了水利工程效益。

建議充分發揮京密引水渠2000年前農業灌溉分水功能,結合歷史及現狀情況,深度調研引渠沿線可利用分水口和下游河道連通情況,利用工程措施,將各條溝渠與河道有序恢復連通。科學利用雨洪資源,擴大生態補水范圍,增加有水河道,惠及周邊群眾,努力構建人水和諧景觀。■