漢江流域洪水資源利用約束機制及調控模式研究

鄒振華 郭含 尹志

摘要：

以強化漢江流域洪水資源調控能力，提高流域水資源綜合利用效益為目標，研究梳理了洪水資源利用的科學概念、內涵及其調控模式；針對漢江流域雨洪特性及水工程運行實踐，系統識別了流域洪水資源利用的防洪安全約束及河道內需水保障約束，并構建了基于預報預泄的汛期運行水位動態調控模式，針對豐、平、枯等不同頻率典型洪水開展洪水資源利用效益評價。結果表明：安康、潘口和丹江口水庫汛期運行水位分別按2，3 m和1.5 m上浮控制運行時，針對各頻率典型洪水，可在有效控制域內平均新增供水量2.7億 m3，新增發電量3.87億kW·h，減少棄水量21.1億m3。研究成果對夯實流域洪水資源利用的基礎理論及實踐應用具有重要作用。

關 鍵 詞：

洪水資源； 約束機制； 調控模式； 漢江流域

中圖法分類號： TV213.4

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.07.002

0 引 言

洪水資源是流域水資源的一種特殊形式，是地表水資源量的重要組成部分［1］。在氣候變化及社會經濟快速發展驅動下，中國社會用水需求不斷增加。且受地域水資源時空分布不均影響，水資源短缺及供需矛盾事態正日益嚴峻。在此背景下作為緩解當前水資源短缺的一個重要途徑，流域洪水資源利用在水資源開發利用和時空重分配中占有極其重要的地位。

為有效提高水資源利用率、強化節約集約利用，近年來國內外洪水資源利用研究及實踐正廣泛開展且不斷深入。如胡慶芳等［2-3］立足水工程調控能力和河道內生態環境需水等約束，提出了流域洪水資源利用評價模式及測評方法；王宗志等［4］進一步深入理論解析，建立了流域洪水資源利用的概念性模型，辨析了洪水資源評價的若干概念及其相關關系；胡向陽等［5］則從實際洪水利用模式出發，提出了中小洪水資源利用的效益風險評價體系，構建了洪水資源利用的基本原則及調控模式；Wang等［6］綜合水庫調節能力、生產生活需水及下游生態用水約束，提出了兼顧各約束的洪水潛力評價方法；Deng等［7］梳理了雨洪資源利用的概念性模型，提出了雨洪可利用性評價的一般性方法，并繪制了流域洪水資源可量性分布圖；Hua等［8］進一步落腳水工程調控模式，基于容量約束預泄，提出考慮枯水期持續時間和洪水預報預見期的水庫水位動態控制方法，在未增加防洪風險前提下有效利用洪水資源。可見，現階段洪水資源利用模式主要以水工程為載體，以其運用方式為調控過程，有效實現洪水資源的疏導、積蓄及再利用。洪水資源利用的核心始終是如何在確保防洪、生態環境、生產生活等約束安全下，通過優化洪水調控模式，實現洪水資源的高效利用，這對于調節中國水資源的時空分布不均、合理配置水資源具有重要意義［9-10］。

漢江流域是中國重要的水源涵養區，也是南水北調中線工程的水源地［11］，水安全問題是保障南水北調中線工程高質量發展的關鍵，也是流域內外社會經濟可持續發展的基礎。但漢江流域水資源年內分配極不均勻，年際變化大且空間不均，外加近年上游來水趨勢性偏枯，使得流域面臨內外用水統籌難度加大、枯期水資源配置矛盾突出、水資源開發和保護協同共生困難等問題。同時漢江流域水工程建設正按規劃趨于完備，不僅建有石泉、安康、潘口、黃龍灘、丹江口、三里坪、鴨河口等大中型水利樞紐，還實施有引漢濟渭（在建）、南水北調中線、鄂北地區水資源配置及引江補漢（在建）等大型跨流域調水工程。漢江中下游沿線除杜家臺蓄滯洪區和14處分蓄洪民垸外，還配套建設有王甫洲、新集（在建）、崔家營、雅口、碾盤山（在建）、興隆等梯級樞紐。眾多水工程建設使得漢江流域正面臨更加復雜的水資源變化情勢。研究該流域洪水資源利用問題，探索安全有效的洪水資源利用模式，對于協調好防洪與興利矛盾、優化好水資源統一配置，提高水資源綜合利用效益十分重要。

在此背景下，本文以持續提高漢江流域洪水資源利用能力為目標，在系統梳理洪水資源利用相關概念及調控模式的基礎上，立足漢江流域雨洪特性及水工程建設實踐，解析流域現狀洪水資源安全利用的有關約束條件，并以此構建基于預報預泄的汛期運行水位多方案動態調控模式，比較評價各調控模式下系統供水量及發電量增益，以期深化流域洪水資源利用實踐，為提高流域水資源綜合利用效率提供技術支撐。

1 漢江流域基本情況

1.1 區域水系

漢江又稱漢水，是長江中游最大支流，發源于陜西省境內秦嶺南麓，全長1 577 km，流經陜西、湖北兩省，于武漢市漢口龍王廟處匯入長江，流域面積約15.9萬km2。漢江流域整體地勢西高東低，西部為中低山區，東部為丘陵平原。漢江干流丹江口水庫以上為上游，河長925 km，流域面積9.52萬km2，地勢起伏較大，南、北分別是大巴山和秦嶺山地，中間為漢水谷地；丹江口水庫至鐘祥段為中游，河長270 km，流域面積4.68萬km2，地勢相對平坦，南、北分別為武當山和伏牛山，中間是南陽盆地；鐘祥以下為下游，河長382 km，流域面積1.70萬km2，地勢平坦，屬江漢平原［12］。

漢江流域水系發育呈葉脈狀，支流一般短小，左右岸支流不平衡。流域內集水面積大于1 000 km2的一級支流有21條，其中面積超過1萬km2的有堵河、丹江、唐白河。根據流域地形、水系特點及區域水資源綜合利用情況，將流域劃分為丹江口水庫以上、唐白河及丹江口水庫以下干流3個水資源分區［13］。漢江流域地理分區及水系分布見圖1。

1.2 雨洪特性

漢江流域地處亞熱帶季風氣候區，溫和濕潤，年均降水量894 mm（1956～2016年），水量較充沛。但降水年內分配不均，主要集中在汛期5～9月，且降水空間分布差異較大，呈南岸大于北岸，上、下游大，中游小的空間分布格局［12］。經長歷時暴雨資料統計，流域暴雨多發生在6～10月，具有前后期暴雨顯著特點。夏季暴雨主要發生于陜西省白河縣以下的堵河、南河和唐白河；秋季暴雨多發生在白河縣以上的米倉山、大巴山一帶。近年來流域西南部漢中、安康、神農架及漢江下游天門、仙桃等地降水呈現不同程度上升變化趨勢［13］。

漢江徑流由降水補給，洪水由暴雨產生，水量豐沛。徑流年內分配與降水相應，主要集中于5～10月，占全年的75%～80%，常表現為汛期徑流量大而集中、非汛期徑流量少而不穩等特性［14］。漢江流域主汛期6～10月，有較明顯的夏秋洪水分期特征。其中6月20日至8月20日間的洪水為夏季洪水，往往是全流域洪水；8月20日至10月15日間的洪水為秋季洪水，多來自上游地區。

1.3 水利工程

漢江流域已初步形成以大、中、小型水庫調蓄和引提水工程為主體，跨流域引水為補充的水資源利用體系。流域內已建各類水庫2 987座、塘堰2.91萬處，總庫容約559億m3；已建引提水工程2.36萬處，引水規模達2 515 m3/s［15］。漢江干流建設有黃金峽（在建）-石泉-喜河-安康-旬陽（在建）-蜀河-白河（在建）-孤山（在建）-丹江口-王甫洲-新集（在建）-崔家營-雅口（在建）-碾盤山（在建）-興隆等15級樞紐，實施有引江濟漢、引乾濟石、引漢濟渭（在建）、南水北調中線、鄂北地區水資源配置及引江補漢（在建）等跨流域調水工程。流域內總庫容在10億m3以上的水庫有丹江口、安康、黃龍灘、潘口、鴨河口等5座水庫，對漢江徑流的年內分配和洪水產生較大的影響［16］。漢江流域主要水利工程概化布置見圖2。

2 洪水資源利用概念及模式

2.1 洪水資源利用概念

洪水的突出特征是資源和災害兩重性。洪水一方面是可供生產、生活所用的水資源，另一方面因集中性強而具有極強破壞性。學界普遍認為洪水資源利用一般是采取以“空間”換“時間”的做法，通過調控、疏導或回補工程將洪水存蓄或引導輸送至其他流域，降低洪水災害屬性，提升其資源利用屬性的過程。故可將流域洪水資源利用定義為：依托各類水利工程和洪水管理措施，在保障防洪安全、河流健康和適度承擔風險的前提下，對洪水期河道內集中性徑流采取調控、疏導和回補等措施，使之轉化為適宜利用的經濟社會和生態環境用水的過程［17］。

洪水資源利用包括兩方面內涵：① 明確流域洪水資源利用的約束機制，即以保障流域防洪安全與河流健康運行為前提，受流域洪水調控能力限制。其中防洪安全是洪水資源利用的基本前提，是資源利用的安全上限和基本保障；河流健康運行則強調了資源利用的可持續性，以維護好河道生態環境及生產系統健康為下限約束。② 界定雨洪資源利用方式及方向，即依托現有工程及管理措施，通過優化水工程運用或涉水工程布局，提高流域洪水調控能力及利用水平。上述洪水資源利用定義點明了洪水資源利用對象、約束條件，也明確了利用的主要途徑和目標。

2.2 洪水資源利用模式

2.2.1 洪水資源利用模式定義

洪水資源利用高度依賴各類水利工程設施運用。流域水利工程，特別是具有調節能力的控制性、樞紐性工程是洪水資源利用的基本物質基礎。根據流域防洪系統的組成要素（水庫、河道、蓄滯洪區等），當前洪水資源利用模式可描述為：在保障流域防洪安全與河流健康前提下，以大型水庫為主體的洪水調控系統，以控制性樞紐、堤防、蓄滯洪區為主體的洪水蓄滯系統，以河道、濕地、湖泊為主體的河網化分泄系統，共同組成流域“點-線-面”洪水資源利用模式［3，9］。洪水資源利用的一般模式見圖3。

洪水資源利用模式的“點”指水庫調控系統，技術手段包括水庫汛限水位分期或運行水位動態控制等；“線”指河網河渠涵閘互濟調蓄系統，技術手段包括河系連通補償優化調控、水工程聯合調度等；“面”指蓄滯洪區、湖泊和濕地控滯系統，技術手段包括蓄滯洪區分區分類運用、河湖濕地疏導和引調等。通過各單項調控措施組合及優化，對洪水的流域儲水空間進行協調統籌安排，達到充分合理利用洪水的目的。

2.2.2 洪水資源利用模式構建

洪水資源利用模式常以風險效益進行綜合評判。一般認為洪水利用所產生的效益越高，且風險越低，則該洪水資源利用模式越優。可采用式（1）概念性模型原理［7］進行表示：

maxXΔW=f（x）-f（x0）=W-W0

maxXΔR=r（x）-r（x0）=R-R0

s.t. O≤O， O≥O—（1）

式中：O為保障流域防洪安全所允許的最大泄流；O—為河流健康及其他基本用水需求保障的最小安全泄量；f（x）為調控能力x對應的系統資源利用量；r（x）為調控能力x對應的水安全風險；ΔW為水系統洪水資源利用變化量；ΔR為洪水利用的風險變化量。

式（1）清晰地描述了洪水資源利用的直接目的、實現手段及約束條件，即在滿足流域防洪安全及河流健康條件下，通過提高洪水資源調控能力，實現最大化附加效益且最小化附加風險。因此，洪水資源利用評價是效益與風險博弈的過程，也是洪水資源利用方式的優選過程。

漢江中下游干流河道泄流能力沿程減小，洪水來量大和泄流能力不足的矛盾十分突出。流域洪水資源利用的核心主要以安康、潘口、丹江口等大型水庫為核心的“點”工程利用模式，通過汛限水位分期或運行水位動態控制技術實現。

基于漢江流域近年洪水資源利用實踐，本次研究擬構建基于預報預泄法的汛期運行水位動態控制利用模式，核心是采用自適應分級預泄法確定水庫汛期運行水位上浮控制域。基本思路是：根據有效預見期和下游防洪安全組合流量中允許的水庫最大下泄流量，確定水庫汛期水位動態控制域。在有效預見期內根據泄流能力大小將運行水位上浮運行實現洪水資源利用。當預報有洪水發生時，根據水庫實時水位狀態自適應推求下泄流量，確保在大洪水來臨時將庫水位預泄至汛限水位，以滿足防洪要求。與傳統方法相比，其創新性在于克服了傳統約束法在預泄時一直按下游允許泄量下泄導致水庫水位削落過快、洪水過后水庫回蓄困難等問題，具有可操作性強等優勢。涉及的影響因素包括庫區水雨情，入庫洪水預報和預見期，水庫泄流能力，以及下游河道防洪、生態等水安全約束等［18-19］。水庫運行水位上浮控制域基本方程可描述為

zlmax=zlmin+Δz

Δz=f［（qmax-Qin）×T］

（2）

式中：Zlmax為汛期水位上浮控制域值；Zlmin為下限值；T為有效預見期；qmax為下游防洪點安全泄流約束；Qin為Δt內考慮預報誤差的平均入庫流量；f［］為水位庫容關系函數。

3 漢江洪水資源安全利用約束

3.1 河段防洪安全約束

漢江流域防洪風險主要聚焦在漢江中下游流域。近年來按照“上蓄下疏、蓄泄兼籌、適當擴大中下游泄量”的防洪治理原則，漢江中下游已基本形成以堤防為基礎，丹江口水庫為骨干，支流潘口、三里坪、鴨河口等水庫攔蓄和杜家臺分洪、東荊河分流配合，中游民垸分蓄洪、河道整治相配套，結合防洪非工程措施組成的綜合防洪體系［15］。

丹江口水利樞紐是漢江中下游防洪系統的主體，除自身防洪安全約束外，還承擔著以碾盤山為控制點的分級控泄約束。不同來水條件下漢江中下游防洪控制河段允許安全泄量約束見表1，丹江口水利樞紐主要特征參數見表2。碾盤山至皇莊河段允許最大泄量為30 000 m3/s，沙洋至新溝河段允許最大泄量為19 400 m3/s。由于漢江干流越往下游河道越窄，故安全泄量越小。

3.2 河道內需水保障約束

（1） 生態環境基流。

生態基流是指維持河床基本形態，保障河道輸水能力，保持水體一定自凈能力的最小流量，是洪水資源利用的下限約束。采用Qp法、Tennant 法等［20］水文學法中常用的代表方法，根據1956～2021年水文系列計算各主要控制斷面生態流量，并與已批復生態流量保障目標相協調［21］，計算成果見表3。其中黃家港、皇莊斷面生態基流分別為174 m3/s和200 m3/s，約占其斷面年均流量的14.7%和12.7%。

（2） 航運用水基流。

航運需水為河道內基本用水，不消耗水量，但需根據航道條件保持一定流量，以維持必要的航深和航寬，通常以最低通航水深90%～95%保證率對應的流量作為航運用水基流，其中黃家港、皇莊斷面航運基流分別為490 m3/s和500 m3/s，約占其斷面年均流量的41.5%和31.8%。

（3） 最小下泄流量。

最小下泄流量是指在維持河床生態環境基流基礎上，綜合考慮斷面下游區間生產生活和航運的用水要求而綜合確定的斷面最小下泄流量。參考已批復水量分配方案成果［22］，漢江流域主要控制斷面最小下泄流量見表3。顯然，最小下泄水量為流域洪水資源利用過程中需在河道內蓄存的最小水量。

4 漢江洪水資源利用調控模式解析

4.1 洪水調控模式構建

根據漢江流域防洪體系建設，選取漢江上游調節能力較強的安康、潘口、丹江口等水利樞紐為研究對象，構建基于預報預泄法的汛期運行水位動態控制利用模式。并綜合選取1983，2010，2007，2015，2016等典型年汛期5～10月洪水過程，分別代表特豐、豐、平、枯、特枯等不同量級水文條件開展模式評價研究。不同量級代表年如表4所列。

預報預泄法首先根據預報精度及預見期、河道安全泄量、水庫防洪安全約束，推求汛期運行水位最大上浮控制域，即安康、潘口及丹江口水庫汛期水位上浮控制域分別為2，3 m和1.5 m。

以各水庫控制域為基礎制定動態上浮策略。其中安康、潘口水庫上浮水位按控制域50%，100%設定，丹江口水庫按50%，80%，100%設定。考慮不同上浮水位組合，擬定13種水庫群汛期動態調控模式，如表5所列。其中模式1為常規調度方式，模式2～13為預報預泄方式，即安康、潘口水庫汛期水位運行范圍分別為325.00～327.00 m和347.60～350.60 m，丹江口水庫夏、秋汛期水位運行范圍分別為160.00～161.50 m和163.50～165.00 m。各水庫預報預見期均為3 d。

4.2 洪水資源利用評價

根據不同洪水資源利用調控方案，對各典型年汛期5～10月洪水過程進行水庫群聯合調節，得到各方案綜合效益對比成果，如表6所列。由表可知，在各典型年平均條件下，各模式綜合攔蓄洪量39.0～39.8億m3，供水量49.8～52.5億m3，發電量56.4～60.2億kW·h，棄水量280.4～301.5億m3。相比常規模式（模式1），模式7的綜合效益最好。在安康、潘口和丹江口水庫汛期水位均按2，3 m和1.5 m上浮控制運行時，各典型年平均可新增供水量2.7億m3，增益5.42%；新增發電量3.87億kW·h，增益6.86%；減少棄水量21.1億m3，增益7.00%（見圖4），洪水資源利用效益顯著。

5 結 論

本文系統梳理了洪水資源利用的相關概念及調控模式，解析了漢江流域洪水資源安全利用有關約束條件，構建并評價了汛期運行水位動態控制模式的效果增益，研究成果對夯實流域洪水資源利用的基礎理論及實際應用具有重要作用。研究得出的主要結論如下：

（1） 洪水資源利用是依托各類水利工程和洪水管理措施，在保障防洪安全、河流健康的前提下，通過“點-線-面”洪水資源利用模式，對洪水期河道內集中性徑流采取調控、疏導和回補等措施，使之轉化為適宜利用的經濟社會和生態環境用水過程。

（2） 本文系統識別了漢江流域洪水資源安全利用的防洪安全約束及河道內需水保障約束，構建了基于預報預泄法的汛期運行水位動態控制調控模式，針對各頻率典型洪水，在有效控制域內可實現新增供水量2.7億m3，新增發電量3.87億kW·h，減少棄水量21.1億m3。

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（編輯：謝玲嫻）

Constraints mechanism of flood resources utilization and control modes in Hanjiang River basin

ZOU Zhenhua，GUO Han，YIN Zhi

（Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Middle Reaches of Changjiang River，Bureau of Hydrology of Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430014，China）

Abstract：

For strengthening and improving the control capability of flood resources in the Hanjiang River basin and increasing the benefits of comprehensive utilization of water resources，the scientific concept，connotation and regulation mode of flood resource utilization were studied.Aiming at the rain-flood characteristics in the Hanjiang River basin and the operation of water projects，we systematically identified the constraints of flood control and water demand in river channel during the flood resources utilization.Then a dynamic water level regulation model for flood season based on forecast and pre-discharge was constructed，and the benefit evaluation of flood resource utilization was performed for typical floods with different frequencies such as flood，normal and dry.It is found that when the operating water levels of the Ankang，Pankou and Danjiangkou reservoirs were raised by 2 m，3 m and 1.5 m respectively during the flood season，for typical floods of each frequency，an average of an additional water supply of 270 million m3 and an additional power generation of 387 million kW·h could be achieved，and 2.11 billion m3 abandoned water could be avoided，which gained 5.42%～7.00% more benefits compared with traditional operation scheme.The results play an important role in consolidating the basic theory and practical application of flood resource utilization in the Hanjiang River basin.

Key words：

flood resources；restraint mechanism；regulation mode；Hanjiang River basin