內(nèi)河洪水對龍賽湖蓄滯洪區(qū)蓄洪容積影響特點的計算分析

何 小 花

（湖北省水利水電規(guī)劃勘測設計院，湖北 武漢 430064）

蓄滯洪區(qū)指包括分洪設施、退洪設施、堤防在內(nèi)的用于臨時貯存洪水或分泄洪峰的低洼地區(qū)及湖泊等，與堤防、水庫等共同組成江河防洪工程體系［1］。我國主要江河的干支流都建設了蓄滯洪區(qū)，在抵御洪水災害中發(fā)揮了巨大作用。例如1954年荊江分蓄洪區(qū)剛剛建成，就在防御1954長江流域性洪水中發(fā)揮關鍵作用；杜家臺分蓄洪區(qū)建成后先后運用21 次，對保護漢江中下游和武漢市的防洪安全發(fā)揮了重大作用［2］。

蓄洪容積是蓄滯洪區(qū)能夠蓄納洪水的容積，是衡量蓄滯洪區(qū)分蓄洪能力的主要指標。蓄洪容積主要與蓄滯洪區(qū)地形和蓄洪水位有關，也受到蓄滯洪區(qū)內(nèi)已蓄納水量的影響：一方面，為了滿足蓄滯洪區(qū)生產(chǎn)生活的需要，即使是在枯水期，蓄滯洪區(qū)內(nèi)的湖泊也按照相應標準維持一定的蓄水位，與該蓄水位相應的蓄水量習稱底水，通常不計算在蓄滯洪區(qū)的設計蓄洪容積中；另一方面，蓄滯洪區(qū)內(nèi)除了湖泊，還有內(nèi)河，如果內(nèi)河發(fā)生洪水并與干流洪水遭遇，此時蓄滯洪區(qū)內(nèi)的湖泊將首先調(diào)蓄內(nèi)河洪水：當湖泊水位超過控制水位后，通過排水閘、泵站將內(nèi)河洪水外排，超過排水設施排水能力的內(nèi)河洪水就蓄納在蓄滯洪區(qū)的湖泊、圩垸及洼地內(nèi)，占用了蓄滯洪區(qū)的蓄洪容積，其蓄納干流洪水的能力減小，極端情形下，調(diào)蓄內(nèi)河洪水洪水后，蓄滯洪區(qū)的蓄洪容積所剩無幾。例如2016年7月22日，老觀湖蓄滯洪區(qū)被動蓄納龍骨湖蓄滯洪區(qū)漫溢的洪水，蓄洪水位高于老觀湖蓄滯洪區(qū)設計蓄洪水位28.0 m（凍吳高程）［3］，蓄洪容積全部蓄滿。

由于蓄洪容積是制定蓄滯洪區(qū)調(diào)度預案、實時優(yōu)化調(diào)度方案的重要依據(jù)，當前方興未艾的水利數(shù)字孿生中，洪水實時演進以及防洪調(diào)度，更需要掌握蓄滯洪區(qū)有效容積精準的動態(tài)變化。因此考慮蓄滯洪區(qū)已蓄納水量的影響，準確確定蓄滯洪區(qū)尚存蓄洪容積（又稱有效蓄洪容積）的大小至關重要。《湖北省分蓄洪區(qū)圖冊》中指出，“老觀湖分蓄洪民垸有效蓄洪容積0.765 6 億m3（其中底水0.369 3 億m3），龍賽湖分蓄洪民垸有效蓄洪容量1.71 億m3（其中底水0.437 1 億m3）”［4］，將常年蓄納在蓄滯洪區(qū)內(nèi)湖泊的水量作為底水加以反映；近期編制的《湖北省漢北河超標洪水防御預案》，將龍賽湖的控制水位作為計算底水的水位［5］，可計算得到底水水量。《湖北省富水流域蓄滯洪區(qū)建設與管理規(guī)劃報告》中計算有效蓄洪容積時，采用蓄滯洪區(qū)內(nèi)設計洪水過程確定內(nèi)滯水位，將蓄洪容積扣除內(nèi)滯水位相應的蓄水量后得到有效蓄洪容積［6］。

綜上所述，蓄滯洪區(qū)規(guī)劃建設、調(diào)度方案的制定已經(jīng)開始考慮蓄滯洪區(qū)已蓄納水量對蓄洪容積的影響，并針對底水、調(diào)蓄內(nèi)河洪水等不同情形，提出了有效蓄洪容積的不同計算方法，但顯然，由于水文過程的隨機性，內(nèi)河發(fā)生洪水的頻率是變化的，采用設計洪水過程計算有效蓄洪容積，并不能準確反映干流洪水遭遇不同內(nèi)河洪水時，蓄滯洪區(qū)實際的蓄洪能力；蓄滯洪區(qū)通常既有湖泊，也有圩垸和洼地，蓄滯洪區(qū)已蓄納水量的計算方法可能不同，此外，內(nèi)河洪水調(diào)度對有效容積的影響規(guī)律和程度目前也尚未見研究成果報道。

本文將選取漢北河龍賽湖這一包括湖泊、圩垸和洼地的蓄滯洪區(qū)為研究對象，計算分析內(nèi)河發(fā)生不同頻率洪水時，蓄滯洪區(qū)調(diào)蓄內(nèi)河洪水占用湖泊、圩垸及洼地蓄洪容積的變化特點，調(diào)蓄內(nèi)河洪水后蓄滯洪區(qū)有效蓄洪容積的變化規(guī)律及影響等，為蓄滯洪區(qū)調(diào)度方案的優(yōu)化以及精準調(diào)度奠定基礎，為河流防洪情勢研判、防洪調(diào)度的數(shù)字孿生模塊建設提供強有力支撐。

1 研究區(qū)域概況

1.1 龍賽湖蓄滯洪區(qū)基本情況

龍賽湖蓄滯洪區(qū)位于漢北河以北、大富水以西，地處應城市境內(nèi)，為漢北河六個蓄滯洪區(qū)之一，是漢北河標準內(nèi)洪水需要開啟運用的蓄滯洪區(qū)［7］。蓄滯洪區(qū)南側以漢北河左岸干堤為界，東側以大富水右岸堤防為界，西側與老觀湖蓄滯洪區(qū)以隔堤為界，北側為自然高地。區(qū)內(nèi)的張萬大壩將蓄滯洪區(qū)分為南北兩片，北片為湖泊（含入湖支流），南片為圩垸及洼地，引水河東側為龍湖垸，西側為三臺湖垸和渠邊洼地。

龍賽湖蓄滯洪區(qū)設計蓄洪水位為25.87 m（凍吳高程為28.0 m），按照2022 年2 月份實測地形資料和龍賽湖湖泊水位22.24 m，計算得到設計蓄洪水位下龍賽湖蓄滯洪區(qū)總蓄洪容積為25 091.8 萬m3。龍賽湖蓄滯洪區(qū)范圍及水系分布示意圖見圖1。

圖1 龍賽湖蓄滯洪區(qū)范圍及水系分布圖Fig.1 The scope and river system of Longsai Lake flood storage and detention area

1.2 龍賽湖蓄滯洪區(qū)調(diào)度方案

作為漢北河的蓄滯洪區(qū)，根據(jù)調(diào)度方案［8］，當漢北河發(fā)生20 年一遇及以上標準洪水，視新溝閘水位和上游洪水來源情況，當龍賽湖閘外水位達到29.5 m（凍吳高程）時，開啟龍賽湖閘分蓄漢北河的洪水。

龍賽湖上游主要承接漁子河、毛家河等內(nèi)河來水。因此，除了分蓄漢北河洪水，龍賽湖也調(diào)蓄內(nèi)河洪水。當龍賽湖水位超過控制水位為22.67 m（凍吳高程24.8 m）后，開啟賽湖閘泄水至引水河，通過龍賽湖排水閘或者龍湖泵站排至漢北河：當引水河水位高于漢北河水位時，下泄水量經(jīng)龍賽湖排水閘排至漢北河；當引水河水位低于漢北河水位時，下泄水量經(jīng)龍湖泵站提排至漢北河。

必須說明的是，當老觀湖上游四龍河發(fā)生洪水，老觀湖水位超過控制水位22.3 m（凍吳高程24.5 m）時，且漢北河水位低于老觀湖水位時，開老觀湖排水閘排至漢北河；當湖水位低于漢北河水位時，開啟丁咀閘經(jīng)滅螺河，進入龍賽湖引水河，由龍湖泵站提排至漢北河。

2 計算方法與計算條件

龍賽湖調(diào)蓄漁子河、毛家河等內(nèi)河洪水時，除了賽湖閘下泄水量外，被蓄納在龍賽湖內(nèi)的水量將占用龍賽湖蓄洪容積；而龍賽湖、老觀湖調(diào)蓄內(nèi)河洪水下泄至引水河的水量，超過龍湖泵站或者龍賽湖排水閘排水能力的部分，將漫過引水河、滅螺河兩岸堤防，進入龍湖垸、三臺湖垸和渠邊洼地，加上圩垸及洼地本地降雨產(chǎn)水，形成漬水，占用圩垸及洼地蓄洪容積。本節(jié)給出調(diào)蓄內(nèi)河洪水占用龍賽湖、圩垸及洼地蓄洪容積值以及調(diào)蓄內(nèi)河洪水后，龍賽湖蓄滯洪區(qū)可用于調(diào)蓄漢北河洪水的有效蓄洪容積的計算方法及計算條件。

2.1 計算方法

遭遇內(nèi)河洪水后，蓄滯洪區(qū)可用于調(diào)蓄漢北河洪水的有效蓄洪容積按下式計算：

其中，設計蓄洪容積基于區(qū)內(nèi)實測地形和蓄洪水位量算得到，調(diào)蓄內(nèi)河洪水占用蓄滯洪區(qū)內(nèi)湖泊、圩垸及洼地蓄洪容積值，由于湖泊、圩垸及洼地調(diào)蓄內(nèi)河洪水方式不同，計算方法也不同。

占用湖泊蓄洪容積采用水庫調(diào)洪計算方法。基于上游來水洪水過程和泄水閘的泄流能力曲線，進行水庫調(diào)洪計算［9］，得到蓄納在湖泊的水量和水位變化過程，蓄納水量即為調(diào)蓄內(nèi)河洪水占用湖泊蓄洪容積值。

占用圩垸及洼地蓄洪容積采用區(qū)域內(nèi)澇洪水計算方法。湖泊下泄水量扣除泵站抽排至外江的水量，加上按照降雨產(chǎn)流計算得到的圩垸及洼地本地產(chǎn)水量，即為圩垸及洼地漬水量，也就是內(nèi)河洪水占用圩垸及洼地蓄洪容積值。

2.2 計算工況與計算條件

為了弄清遭遇不同頻率內(nèi)河洪水后，蓄滯洪區(qū)有效蓄洪容積的變化特點，選取P=20%、P=10%、P=5%、P=3.33%和P=2% 5個工況開展計算。

漢北河水位高于湖水位時，龍賽湖與老觀湖均通過龍湖泵站排水，且龍賽湖與老觀湖相鄰，因此本文計算時認為龍賽湖和老觀湖內(nèi)河洪水同頻發(fā)生。

內(nèi)河流域沒有長系列降雨及流量資料，按照《湖北省暴雨統(tǒng)計參數(shù)圖集》［10］中各時段暴雨等值線圖和《湖北省暴雨徑流查算圖表》［11］中瞬時單位線法推求內(nèi)河設計洪水。計算得到各頻率設計洪峰流量見表1，洪水過程分別見圖2和圖3。

表1 各頻率設計洪峰流量成果表Tab.1 Designed flood peak discharge at different frequencies

圖2 龍賽湖內(nèi)河設計洪水過程Fig.2 Inflow flood hydrograph of Longsai Lake

圖3 老觀湖內(nèi)河設計洪水過程Fig.3 Inflow flood hydrograph of Laoguan Lake

3 內(nèi)河洪水調(diào)度對蓄滯洪區(qū)有效蓄洪容積的影響

3.1 湖泊洪水調(diào)節(jié)計算

賽湖閘為龍賽湖流域內(nèi)河來水經(jīng)調(diào)蓄后泄流至引水河的排水閘。根據(jù)調(diào)度方案，龍賽湖控制水位為22.67 m（凍吳高程24.8 m），當湖泊水位超控制水位時，開賽湖閘泄水。賽湖閘共2 孔，單孔3 m×5 m（寬×高），閘底高程為22 m，設計排水流量93 m3/s。

丁咀閘為老觀湖流域內(nèi)河來水經(jīng)調(diào)蓄后外排經(jīng)滅螺河至引水河的排水閘。根據(jù)調(diào)度方案，老觀湖控制水位為22.3 m（凍吳高程24.5 m），當湖泊水位超控制水位時開丁咀閘泄水。丁咀閘共2 孔，單孔3 m×6 m（寬×高），閘底高程為22 m，設計排水流量54 m3/s。

依據(jù)內(nèi)河洪水過程、湖泊水位-容積曲線、排水閘泄流能力曲線即可計算得到湖泊各頻率洪水排水閘泄流過程。

龍賽湖和老觀湖湖泊水位-容積曲線、賽湖閘和丁咀閘泄流能力曲線見圖4，龍賽湖和老觀湖各頻率洪水排水閘泄流能力曲線分別見圖5和圖6。

圖4 龍賽湖和老觀湖湖泊水位-容積曲線以及排水閘泄流能力曲線Fig.4 Water level-volume relation of Longsai Lake and Laoguan Lake and water release capacity curve of drainage sluice

圖6 老觀湖丁咀閘泄流及湖泊水位變化過程Fig.6 Outflow flood hydrograph of Dingzui sluice and variation of water level in Laoguan Lake

由圖可見：不同頻率內(nèi)河洪水龍賽湖賽湖閘、老觀湖丁咀閘泄流及水位變化過程不同。初期不同頻率洪水的湖泊水位變化不大，隨著洪水流量超過排水閘泄流能力，湖泊水位抬升，排水閘泄流量也迅速增加，不同頻率洪水顯現(xiàn)差別：洪水頻率越高，相同時刻排水閘泄流量越小，湖泊水位越低，相應占用蓄洪容積也就越小，反之亦然。

3.2 圩垸及洼地漬水計算

龍賽湖、老觀湖下泄洪水經(jīng)龍湖泵站提排至漢北河，龍湖泵站設計排水流量為30 m3/s，計算得到的圩垸及洼地漬水量見表2。

由表2 可見：不同頻率洪水經(jīng)調(diào)度在圩垸及洼地產(chǎn)生不同的漬水量。洪水頻率越低，產(chǎn)生的漬水量越大，50 年一遇洪水在圩垸及洼地產(chǎn)生漬水量63.9 萬m3，5 年一遇洪水產(chǎn)生的漬水量為40.35 萬m3，減小了40%。

3.3 有效蓄洪容積計算

由上述計算得到的龍賽湖和老觀湖各頻率洪水排水閘泄流過程、圩垸及洼地漬水量等，可以計算得出遭遇不同頻率內(nèi)河洪水時龍賽湖蓄滯洪區(qū)的有效蓄洪容積，見表3。同時圖7給出了不同頻率內(nèi)河洪水時，由于蓄納內(nèi)河洪水占用湖泊、圍垸及洼地的蓄洪容積、占用蓄洪容積總量以及有效蓄洪容積與總蓄洪容積的比值。

表3 龍賽湖蓄滯洪區(qū)有效蓄洪容積計算結果Tab.3 Calculation Results of effective flood storage volume of Longsai Lake flood storage and detention area

圖7 不同頻率內(nèi)河洪水時龍賽湖蓄滯洪區(qū)有效蓄洪容積變化圖Fig.7 Variation of effective flood storage volume under different inland river flood frequencies

由圖表可知：

遭遇內(nèi)河洪水時，龍賽湖蓄滯洪區(qū)蓄洪容積減小，內(nèi)河洪水頻率不同，龍賽湖蓄滯洪區(qū)蓄洪容積減小程度不同。不同頻率內(nèi)河洪水共占用龍賽湖蓄滯洪區(qū)有效蓄洪容積1 959.35～3 379.9 萬m3，有效蓄洪容積為總蓄洪容積的92.2%～86.5%。發(fā)生5 年一遇洪水時，龍賽湖蓄滯洪區(qū)有效蓄洪容積為總蓄洪容積的92.2%，減小了7.8%；當發(fā)生50年一遇內(nèi)河洪水時，龍賽湖蓄滯洪區(qū)有效蓄洪容積為總蓄洪容積的86.5%，減小了13.5%。

內(nèi)河洪水占用蓄洪容積主要集中在湖泊，即占用湖泊蓄洪容積顯著大于占用圩垸及洼地的蓄洪容積。不同頻率內(nèi)河洪水條件下，龍賽湖湖泊蓄洪容積被占用1 919.0～3 316.0 萬m3，圩垸和洼地蓄洪容積被占用40.35～63.9 萬m3，前者約為后者的47～52倍。

3.4 有效蓄洪容積減小對蓄滯洪區(qū)調(diào)度的影響及對策

上述計算并未考慮漢北河水位較高、龍湖泵站停止抽排的情形，顯然，調(diào)度內(nèi)河洪水對蓄滯洪區(qū)蓄洪容積的影響是很大的，也會影響蓄滯洪區(qū)的調(diào)度。

一方面，內(nèi)河發(fā)生洪水時，蓄滯洪區(qū)分洪干流洪水時可用的有效蓄洪容積減小。以龍賽湖蓄滯洪區(qū)為例，當內(nèi)河發(fā)生5年一遇標準到50 年一遇洪水時，有效蓄洪容積從總容積的92.2%降低到86.5%，實時調(diào)度時，應根據(jù)蓄滯洪區(qū)有效蓄洪容積的變化，提前啟用其他蓄滯洪區(qū)或者啟用保留蓄滯洪區(qū)。

另一方面，內(nèi)河洪水調(diào)度主要占用湖泊的蓄洪容積，在被占用蓄洪容積總量中，占比達到97.9%～98.1%，分蓄洪區(qū)啟用分蓄干流洪水時，進入圩垸和區(qū)內(nèi)低洼地的洪量更多，時間更早，而圩垸和低洼地通常是人口和耕地分布的地方，因此實時調(diào)度時，應提早啟動轉移，減小分蓄洪區(qū)運用帶來的損失。

4 結論與建議

（1）對于同時包括湖泊、圩垸和洼地的蓄滯洪區(qū)，在調(diào)蓄內(nèi)河洪水時，占用湖泊蓄洪容積顯著大于占用圩垸及洼地蓄洪容積，內(nèi)河洪水越大，占用湖泊與圩垸及洼地蓄洪容積的差別就越大。

（2）調(diào)蓄內(nèi)河洪水，蓄滯洪區(qū)的有效容積將會減小，不同頻率內(nèi)河洪水占用蓄滯洪區(qū)蓄洪容積差別很大。內(nèi)河洪水越大，蓄滯洪區(qū)有效蓄洪的減小就越顯著，龍賽湖蓄滯洪區(qū)內(nèi)河發(fā)生50年一遇洪水時，有效蓄洪容積減小了約13.5%，而在發(fā)生5年一遇洪水時，有效蓄洪容積僅減小了7.81%。

（3）由于調(diào)蓄內(nèi)河洪水減小蓄滯洪區(qū)有效蓄洪容積，因此當內(nèi)河發(fā)生洪水并可能遭遇干流洪水時，應根據(jù)來水情況開展計算，實時優(yōu)化或調(diào)整調(diào)度方案；提前判斷可能增加的淹沒范圍和風險，制定人員和財產(chǎn)轉移方案。