流域洪水蓄泄關(guān)系空間分異特征分析及應(yīng)用

李 揚(yáng)

(水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

關(guān)于流域洪水蓄泄關(guān)系的分析，是流域防洪規(guī)劃編制工作過(guò)程中的組成環(huán)節(jié)[1-2]，在分析工程體系應(yīng)對(duì)典型洪水過(guò)程有無(wú)超額洪量的工作過(guò)程中，會(huì)將攔蓄、滯蓄和下泄量做統(tǒng)計(jì)，工作重點(diǎn)在于超額洪量如何安排[3-4]，而對(duì)于蓄泄能力關(guān)系的規(guī)律性及其對(duì)于規(guī)劃防洪體系優(yōu)化調(diào)整的作用考慮的不多。本文將通過(guò)對(duì)較多流域樣本蓄泄能力的數(shù)據(jù)分析入手，探討不同流域洪水蓄泄關(guān)系的空間差異特性，梳理總結(jié)規(guī)律，從洪水蓄與泄的關(guān)系視角分析典型流域未來(lái)防洪體系的建設(shè)方向。

1 流域洪水蓄泄關(guān)系研究目的與方法

以流域?yàn)閱卧_(kāi)展防洪規(guī)劃編制及相關(guān)研究工作，均需要客觀評(píng)估流域防洪工程體系對(duì)于典型洪水過(guò)程的抗御能力[5-7]。根據(jù)典型洪水過(guò)程概化分析各時(shí)段水庫(kù)湖泊攔蓄、分蓄洪區(qū)滯蓄、河道槽蓄及下泄的洪量，從而分析明確是否產(chǎn)生超額洪量，進(jìn)而通過(guò)對(duì)工程體系的補(bǔ)充完善和調(diào)度方案的優(yōu)化消納超額洪量，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃防御一定設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)典型洪水的目標(biāo)。

對(duì)于流域洪水蓄泄關(guān)系的研究，就是以流域?yàn)閱卧鶕?jù)典型洪水過(guò)程條件下的流域工程體系應(yīng)對(duì)策略與能力，分析統(tǒng)計(jì)攔蓄、滯蓄的洪量與河道下泄洪量及剩余超額洪量的關(guān)系。通過(guò)對(duì)流域洪水蓄泄關(guān)系分析，可以更為清晰地認(rèn)識(shí)流域洪水的特點(diǎn)，更好了解防洪工程體系的完善程度，通過(guò)洪水蓄泄關(guān)系比例可以判斷工程體系建設(shè)的潛力與大致的規(guī)劃工作方向，為進(jìn)一步分析謀劃一定重現(xiàn)期的洪水出路安排及超標(biāo)洪水應(yīng)對(duì)策略奠定工作基礎(chǔ)。

流域洪水蓄泄關(guān)系研究，需要對(duì)設(shè)計(jì)洪水過(guò)程進(jìn)行模擬演算，根據(jù)水庫(kù)、蓄滯洪區(qū)調(diào)度規(guī)則及河道控制斷面的行洪能力，按時(shí)段分析水庫(kù)、湖泊、河道與蓄滯洪區(qū)的蓄洪量以及河道泄洪量，累加得到典型洪水過(guò)程的總蓄洪量與泄洪量，形成關(guān)于流域防洪能力的總體判斷。

2 我國(guó)主要流域洪水出路安排總體分析

2.1 代表性流域選取

本次研究工作對(duì)七大江河干流與23條代表性支流開(kāi)展洪水蓄泄關(guān)系分析，見(jiàn)表1。代表性支流是按照河流防洪保護(hù)目標(biāo)重要、防洪體系建設(shè)任務(wù)突出、防洪標(biāo)準(zhǔn)存在潛在調(diào)整需求、具備分析計(jì)算條件等原則進(jìn)行的篩選。

表1 主要河流洪水蓄泄關(guān)系研究范圍表

2.2 七大江河干流洪水出路安排

通過(guò)設(shè)計(jì)洪水過(guò)程模擬演算，七大江河發(fā)生流域防御目標(biāo)洪水時(shí)，約有8077億m3的洪量需要進(jìn)行安排。其中河道下泄規(guī)模按照河道現(xiàn)有最大下泄能力6081億m3考慮，占比75.3%，水庫(kù)與蓄滯洪區(qū)分別按照實(shí)際洪水過(guò)程計(jì)算，攔蓄與滯蓄總量分別為539億、645億m3。在蓄泄能力正常發(fā)揮的情況下，七大江河仍有90億m3的總剩余洪量需要進(jìn)一步安排出路，占規(guī)劃總洪量的1.1%，如圖1所示。

圖1 典型洪水過(guò)程七大江河洪量分配關(guān)系

如考慮蓄滯洪區(qū)和洪泛區(qū)的實(shí)際啟用難度，蓄滯洪區(qū)現(xiàn)僅有約200億m3具備完全啟用條件，洪泛區(qū)現(xiàn)僅有65億m3庫(kù)容保障分洪運(yùn)用，最不利工況下，七大江河有約726億m3剩余洪量需要進(jìn)一步安排出路，占規(guī)劃總洪量的9.0%，見(jiàn)表2。

表2 七大江河干流設(shè)計(jì)洪水蓄泄總量分析表 單位：億m3

3 典型洪水過(guò)程蓄泄比空間分異特征分析

3.1 典型洪水過(guò)程蓄泄比

為研究不同區(qū)域工程體系的洪水蓄泄能力差異性，本文定義了洪水蓄泄比的概念，即：蓄泄比為規(guī)劃設(shè)計(jì)條件典型洪水過(guò)程的河流攔滯蓄總量與總設(shè)計(jì)洪量的比值。這個(gè)概念反映的是在流域防洪體系中，攔滯蓄能力及其發(fā)揮的作用情況。蓄泄比值較高的流域，一方面說(shuō)明了水庫(kù)、蓄滯洪區(qū)等作用突出，另一方面也可能與河道下泄洪水能力不足直接相關(guān)；而蓄泄比值較低的流域，一方面說(shuō)明河道行洪能力較強(qiáng)，洪水主要通過(guò)河道下泄來(lái)解決，另一方面也可能與攔滯蓄工程措施不足有關(guān)系。

蓄泄比反映的是一個(gè)流域應(yīng)對(duì)典型洪水過(guò)程時(shí)的狀態(tài)，是依據(jù)工程體系能力在蓄與泄之間的策略選擇，并不能直接評(píng)價(jià)流域防洪工程體系的優(yōu)劣，但可以對(duì)未來(lái)體系調(diào)整優(yōu)化的方向提供分析依據(jù)。

根據(jù)上述概念，本次研究對(duì)七大江河干流及23條主要支流按照設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)分析計(jì)算典型洪水過(guò)程的洪水蓄泄比，概化得到了蓄泄比計(jì)算成果見(jiàn)表3。

表3 主要江河干支流蓄泄比

3.2 典型洪水過(guò)程的蓄泄比空間分異特征

通過(guò)計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)我國(guó)各流域蓄泄能力間的關(guān)系呈現(xiàn)出明顯的空間規(guī)律性。海河流域的蓄泄比值最高，以其為中心，向南向北依次遞減。

海河流域干支流的蓄泄比值均在0.6以上，干支流的蓄泄比呈現(xiàn)一致性，洪水過(guò)程特點(diǎn)是洪峰流量大、峰現(xiàn)時(shí)間短。一方面是流域內(nèi)水庫(kù)與蓄滯洪區(qū)建設(shè)充分，山區(qū)建成大型水庫(kù)33座，控制了山區(qū)面積的84%；除灤河河系外設(shè)有蓄滯洪區(qū)的5個(gè)主要河系共有蓄滯洪區(qū)28處，蓄滯洪區(qū)容積可滯蓄30天洪量的75%，水庫(kù)和蓄滯洪區(qū)對(duì)洪水的調(diào)控作用很強(qiáng)[8]。另一方面，海河中下游各河道行洪能力本就不足，加之多年未發(fā)生流域性洪水，部分河道常年斷流，下墊面條件變化較大，河道斷面萎縮問(wèn)題突出，加劇了行洪能力不足的問(wèn)題。

海河流域以北的遼河流域與以南的黃河、淮河流域，干流蓄泄比在0.2～0.5之間，干支流蓄泄比的關(guān)系卻明顯不同。遼河流域支流蓄泄比均高于干流，呈現(xiàn)出來(lái)的特點(diǎn)是位于流域上游的各支流水庫(kù)建設(shè)相對(duì)充分，攔蓄能力較強(qiáng)，比如蓄泄比值最高的西遼河已基本形成由紅山、孟家段、莫力廟、他拉干等水庫(kù)，臺(tái)河口、蘇家堡、總辦窩堡3座水閘樞紐與干流堤防共同組成的防洪工程體系，而干流河道行洪能力較強(qiáng)，堤防建設(shè)充分[9]，因而從全流域來(lái)看，總體呈現(xiàn)出蓄泄均衡的體系格局。黃河流域支流蓄泄比均小于干流，支流上的攔蓄能力仍有不足，而干流現(xiàn)有防洪體系總體防御能力較強(qiáng)。

再向北的松花江流域和再向南的長(zhǎng)江流域、珠江流域[10-12]，干支流蓄泄比均在0.2以下，表現(xiàn)出了較強(qiáng)的一致性。流域洪水主要出路是直接通過(guò)干流下泄，攔蓄滯蓄能力總體有限。這一方面是由于洪量較大、河道行洪能力較強(qiáng)，另一方面也說(shuō)明可以發(fā)揮攔蓄滯蓄作用的相關(guān)工程建設(shè)仍有一定的空間。

根據(jù)上述分析，將我國(guó)各主要流域根據(jù)蓄泄比值可以分為3個(gè)類型：以蓄為主類型(蓄泄比>0.5)，蓄泄平衡類型(0.2<蓄泄比<0.5)，以泄為主類型(蓄泄比<0.2)。

4 從蓄泄關(guān)系看流域防洪體系建設(shè)方向

綜合考慮各流域現(xiàn)有洪水出路安排，以及各流域洪水蓄泄比的總體情況，分析提出各主要流域蓄泄能力重點(diǎn)提升方向，見(jiàn)表4。

表4 主要江河蓄泄能力提升重點(diǎn)方向

對(duì)于以蓄為主類型的海河流域，未來(lái)增加攔蓄滯蓄的空間有限，防洪體系建設(shè)重點(diǎn)方向應(yīng)以提升河道泄洪能力和逐步調(diào)整蓄滯洪區(qū)為主。例如在北三河系，考慮在通州區(qū)上游開(kāi)挖溫潮減河，減少北運(yùn)河流經(jīng)北京城市副中心的洪量；研究開(kāi)辟薊運(yùn)河入海通道，解決下游尾閭受永定新河影響泄洪不暢的問(wèn)題，同時(shí)降低青甸洼、盛莊洼蓄滯洪區(qū)的啟用頻率。大清河系在設(shè)立雄安新區(qū)后，白洋淀的部分設(shè)計(jì)蓄洪量由文安洼承擔(dān)，考慮開(kāi)辟新入海行洪通道并對(duì)現(xiàn)有河道挖潛，初步預(yù)計(jì)可增加10億m3河道下泄量，進(jìn)而對(duì)蓄滯洪區(qū)可進(jìn)一步研究調(diào)減，取消賈口洼、文安洼Ⅱ區(qū)等蓄滯洪區(qū)。

對(duì)于蓄泄平衡類型的淮河流域，上中游按照100年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)、下游按照300年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防，相應(yīng)典型洪水過(guò)程均有超額洪量需要提升防洪體系能力來(lái)安排，根據(jù)蓄泄兼籌的方針，需要同步提升攔蓄、滯蓄與泄洪能力。上中游可通過(guò)“三增一減”來(lái)消化超額洪量，即上游新建水庫(kù)(張灣、袁灣、晏河、白雀園)增加攔蓄量，完善蓄滯洪區(qū)建設(shè)增加滯蓄量，以及疏浚河道、退建堤防增加河道蓄泄量；上述能力提升后，在消納超額洪量的同時(shí)，也可使湖泊減少滯蓄量。下游通過(guò)“增泄置換”來(lái)消化超額洪量并調(diào)整防洪體系結(jié)構(gòu)，即實(shí)施入海水道二期工程，下泄流量由2270m3/s提高到7000m3/s，可顯著提升泄洪能力，并減輕入江水道、分淮入沂、灌溉總渠泄洪壓力，同時(shí)減少洪澤湖蓄量[13-14]。

對(duì)于以泄為主類型的長(zhǎng)江流域，設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的典型洪水過(guò)程無(wú)超額洪量，蓄泄關(guān)系中的攔蓄能力仍有提升空間，考慮進(jìn)一步增加水庫(kù)的攔蓄置換蓄滯洪區(qū)的滯蓄，優(yōu)化調(diào)減蓄滯洪區(qū)。通過(guò)上游水庫(kù)群建設(shè)(烏東德、白鶴灘等)增加攔蓄量，以及中下游河道整治進(jìn)一步提升泄洪能力，對(duì)應(yīng)1954年型洪水，下游蓄滯洪區(qū)分洪量可相應(yīng)減少70億m3以上，因而可以研究調(diào)減蓄滯洪區(qū)的可行性問(wèn)題[15]。

5 結(jié)語(yǔ)

流域洪水蓄泄關(guān)系的分析，清晰地展示出流域洪水的規(guī)律性特征以及防洪工程體系與洪水過(guò)程的適配程度，也展示出現(xiàn)有防洪體系未來(lái)的建設(shè)潛力，為流域防洪布局優(yōu)化調(diào)整提供參考判斷。通過(guò)對(duì)七大江河干支流大量流域樣本的蓄泄比數(shù)據(jù)分析，本次工作發(fā)現(xiàn)蓄泄比數(shù)值具有相當(dāng)明顯的空間規(guī)律性，這一特征對(duì)于未來(lái)流域防洪工程體系布局優(yōu)化以及洪水資源化、精細(xì)化防御調(diào)度具有一定的參考意義，未來(lái)可以進(jìn)一步探究流域洪水蓄泄比與流域產(chǎn)匯流條件、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展等方面的關(guān)系，由表及里力圖探索研究其背后的科學(xué)機(jī)理，從而更好地指導(dǎo)流域防洪工作實(shí)踐。