大清河流域白洋淀以上庫(kù)淀聯(lián)合防洪調(diào)度研究

于京要

(河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 天津 300250)

1 基本情況

1.1 流域概況

大清河分南、北兩大支流。南支由扇形分布的潴龍河、唐河、清水河共7條較大河流構(gòu)成,均匯入白洋淀,經(jīng)白洋淀滯蓄后通過(guò)趙王新河匯入東淀。北支洪水經(jīng)新蓋房分洪道和大清河故道入東淀,且有白溝引河與白洋淀相通[4]。東淀是南、北支洪水共同遭遇、滯蓄、泄流的淀區(qū)。東淀出口包括海河干流和獨(dú)流減河,其中獨(dú)流減河是根治海河過(guò)程中人工開挖的單獨(dú)入海通道。

大清河流域總面積43060km2,其中白洋淀以上流域面積21045km2。大清河流域地跨山西、河北、北京、天津四省市,防洪保護(hù)區(qū)涉及河北、天津兩省市36個(gè)縣 (區(qū)),保護(hù)區(qū)面積10960km2,保護(hù)區(qū)內(nèi)總?cè)丝?14萬(wàn)人,耕地面積1090萬(wàn)畝。

圖1 大清河流域示意圖

1.2 工程概況

大清河流域內(nèi)大型水庫(kù)總庫(kù)容33.02億m3,主要集中于南支山區(qū),控制流域面積9243km2,占南支山區(qū)面積的80%;北支的安各莊水庫(kù)控制流域面積476km2,亦可通過(guò)白溝引河為白洋淀提供水資源。

王快水庫(kù)、西大洋水庫(kù)為大 (Ⅰ)型,其余為大 (Ⅱ)型。水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程完成后將全部達(dá)到《防洪標(biāo)準(zhǔn)》 (GB50201-94)的要求,其中王快、西大洋水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到萬(wàn)年一遇,對(duì)低標(biāo)準(zhǔn)洪水的控制能力較強(qiáng)。

白洋淀是大清河南支洪水共同匯集地,由主淀區(qū)和周邊分洪區(qū)組成。當(dāng)主淀區(qū)達(dá)到保證水位后即啟用周邊分洪區(qū),以減輕下游洪水災(zāi)害。

大清河南支洪水控制邊界清晰,工程自成體系,因此為減輕白洋淀周邊分洪所帶來(lái)的淹沒(méi)損失,對(duì)白洋淀以上流域內(nèi)的大型水庫(kù)和白洋淀進(jìn)行聯(lián)合防洪調(diào)度研究具有十分重要意義。

2 大清河流域防洪調(diào)度現(xiàn)狀

2.1 流域洪水調(diào)度

大清河南支洪水以白洋淀為總控制節(jié)點(diǎn),確保千里堤、保證潴龍河千里堤防洪安全。白洋淀十方院汛限水位按8.0m～8.3m(大沽高程,下同)動(dòng)態(tài)控制,保證水位10.5m。當(dāng)白洋淀十方院水位超過(guò)汛限水位時(shí),開啟棗林莊樞紐泄洪。當(dāng)十方院水位達(dá)到10.5m且繼續(xù)上漲時(shí),在棗林莊樞紐充分泄流的前提下,依次扒開障水埝、淀南新堤、四門堤及新安北堤向白洋淀周邊分洪[1]。

2.2 大型水庫(kù)調(diào)度

流域內(nèi)的王快、西大洋兩座大 (Ⅰ)型水庫(kù),采取三級(jí)控泄調(diào)度,按保證下游主河槽、堤防與京廣鐵路橋安全分級(jí)控制泄量。其余四座大 (Ⅱ)型水庫(kù),因防洪庫(kù)容較小,雖部分調(diào)度中也有控泄措施,但在流域洪水中所起作用較小,以保證自身防洪安全為主[2]。

王快、西大洋水庫(kù)分級(jí)洪水調(diào)度控制見表1。

表1 王快、西大洋水庫(kù)分級(jí)洪水調(diào)度指標(biāo)表

2.3 存在問(wèn)題

流域內(nèi)大型水庫(kù)控制面積占白洋淀以上總面積的一半,對(duì)山區(qū)洪水起到了絕對(duì)控制作用,但現(xiàn)狀調(diào)度運(yùn)用中水庫(kù)和白洋淀均從自身洪水出發(fā),缺乏流域整體防洪調(diào)度理念,從而未使上述工程發(fā)揮出最大的防洪作用。

3 大清河流域聯(lián)合防洪調(diào)度研究

3.1 流域洪水組成

流域內(nèi)發(fā)生的最大實(shí)測(cè)洪水為“63.8”洪水,白洋淀以上不同分區(qū)的洪水組成見表2。

表2 白洋淀以上流域“63.8”洪水組成表

“63.8”洪水量級(jí)相當(dāng)于50年一遇[5],有控山區(qū)(水庫(kù)控制流域)占流域總洪量的46%～57%,其中王快、西大洋兩座大(Ⅰ)型水庫(kù)占34%～42%。從入淀區(qū)域分,入馬棚淀(潴龍河流域)、唐河入淀(唐河流域)、入藻雜淀(北部其他河流)的關(guān)系大致為5︰3︰2。由于入馬棚淀、唐河入淀流域內(nèi)有王快、西大洋水庫(kù)控制,其總水量比例占白洋淀以上80%左右,因此王快、西大洋水庫(kù)與白洋淀進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度的潛力很大。

對(duì)于較低標(biāo)準(zhǔn)的洪水,出現(xiàn)區(qū)域性暴雨洪水的機(jī)遇增大,因此在聯(lián)合調(diào)度研究中也同時(shí)兼顧到更集中于其一區(qū)域的類型。

3.2 聯(lián)合防洪調(diào)度理念

大型水庫(kù)在除險(xiǎn)加固措施實(shí)施后防洪標(biāo)準(zhǔn)均得到極大提高,對(duì)低標(biāo)準(zhǔn)洪水具有較大的調(diào)洪空間和靈活調(diào)度余地。

匯入白洋淀的洪水按先后次序?yàn)槠皆瓰r水、無(wú)控制山區(qū)洪水和大型水庫(kù)泄水。根據(jù)流域洪水量級(jí)不同和上述洪水特點(diǎn),聯(lián)合防洪調(diào)度理念可概括為:

(1)降低白洋淀周邊分洪區(qū)啟用機(jī)遇;

(2)減少白洋淀周邊分洪區(qū)啟用數(shù)量;

(3)減少西三洼(指東淀、文安洼、賈口洼,重點(diǎn)為文安洼)蓄滯洪量;

(4)降低白洋淀超標(biāo)準(zhǔn)分洪機(jī)遇。

本次研究重點(diǎn)是減輕白洋淀周邊分洪損失的調(diào)度方案,也就是對(duì)20年一遇及其以下低標(biāo)準(zhǔn)洪水。

3.3 聯(lián)合防洪調(diào)度研究

(1)調(diào)度基礎(chǔ)研究

白洋淀以上流域聯(lián)合防洪調(diào)度的基礎(chǔ)是大型水庫(kù)具有承擔(dān)錯(cuò)峰、預(yù)泄、動(dòng)態(tài)水位控制等能力。

對(duì)水庫(kù)而言,錯(cuò)峰與限泄的結(jié)果相類似,即水庫(kù)必須承擔(dān)更多的調(diào)洪任務(wù)。但錯(cuò)峰調(diào)度是具有時(shí)限性的,錯(cuò)峰期以外仍可回歸正常調(diào)度甚至加大泄量,因此錯(cuò)峰調(diào)度的風(fēng)險(xiǎn)在于未來(lái)非預(yù)期洪水的出現(xiàn)概率。

預(yù)泄調(diào)度并不會(huì)加大水庫(kù)防洪風(fēng)險(xiǎn),但庫(kù)水位恢復(fù)期的洪水標(biāo)準(zhǔn)與預(yù)估洪水標(biāo)準(zhǔn)間的差異仍構(gòu)成了水庫(kù)調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)。

動(dòng)態(tài)水位控制是指汛期在一定時(shí)限內(nèi)超汛限水位運(yùn)行且沒(méi)有按正常調(diào)度泄流。很顯然,動(dòng)態(tài)水位控制是加大水庫(kù)防洪風(fēng)險(xiǎn)的最主要因素,因此合理掌握動(dòng)態(tài)水位控制運(yùn)用幅度和時(shí)機(jī)是保證水庫(kù)安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

為防止上述調(diào)度超出水庫(kù)可承受的風(fēng)險(xiǎn),特對(duì)王快、西大洋水庫(kù)防洪風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究。研究方法是按設(shè)計(jì)洪水統(tǒng)計(jì)參數(shù)隨機(jī)生成10000個(gè)洪水系列,對(duì)每個(gè)系列都按正常調(diào)度、動(dòng)態(tài)水位控制調(diào)度進(jìn)行水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)演算,統(tǒng)計(jì)分析高標(biāo)準(zhǔn)洪水超出設(shè)計(jì)值的概率。

經(jīng)分析,王快水庫(kù)按汛限水位193m進(jìn)行調(diào)度的1000年一遇洪水風(fēng)險(xiǎn)為0.10%,與設(shè)計(jì)要求相符。當(dāng)動(dòng)態(tài)水位控制在汛限水位2m幅度以內(nèi)時(shí)洪水風(fēng)險(xiǎn)不超過(guò)0.11%,當(dāng)動(dòng)態(tài)水位控制幅度超2m時(shí)洪水風(fēng)險(xiǎn)顯著加大;西大洋水庫(kù)按汛限水位134.5m進(jìn)行調(diào)度的2000年一遇洪水風(fēng)險(xiǎn)為0.05%,與設(shè)計(jì)要求相符。當(dāng)動(dòng)態(tài)水位控制在汛限水位2m幅度以內(nèi)時(shí)洪水風(fēng)險(xiǎn)不超過(guò)0.055%,當(dāng)動(dòng)態(tài)水位控制幅度超2m時(shí)洪水風(fēng)險(xiǎn)顯著加大。因此調(diào)度中應(yīng)嚴(yán)格控制動(dòng)態(tài)水位控制幅度不超過(guò)2m。

(2)聯(lián)合錯(cuò)峰調(diào)度

聯(lián)合錯(cuò)峰調(diào)度是白洋淀以上聯(lián)合防洪調(diào)度最主要措施之一。

對(duì)于白洋淀啟用周邊分洪區(qū)的臨界標(biāo)準(zhǔn)洪水,通過(guò)上游水庫(kù)聯(lián)合錯(cuò)峰調(diào)度,使后期入淀洪水過(guò)程均勻化,從而盡可能控制淀水位不超過(guò)分洪控制水位,實(shí)現(xiàn)減少白洋淀周邊分洪損失的目標(biāo)。

對(duì)于白洋淀已啟用部分周邊分洪區(qū)情況下,可通過(guò)上游水庫(kù)的聯(lián)合錯(cuò)峰調(diào)度控制白洋淀水位的上漲趨勢(shì),從而減少白洋淀周邊分洪區(qū)啟用的數(shù)量,降低淹沒(méi)損失。

由于白洋淀在保證水位10.5～10.7m時(shí)的棗林莊樞紐下泄能力為2000～2300m3/s左右,因此上游水庫(kù)聯(lián)合錯(cuò)峰調(diào)度的控制目標(biāo)就是在白洋淀主淀區(qū)水位達(dá)到保證水位時(shí)的總?cè)氲砹髁靠刂圃?000～2300m3/s以內(nèi)。

(3)聯(lián)合預(yù)泄調(diào)度

聯(lián)合預(yù)泄調(diào)度是在預(yù)報(bào)可能產(chǎn)生洪水過(guò)程的流域提前泄水,通過(guò)騰留庫(kù)容的方式加大對(duì)后期洪峰的調(diào)蓄作用。

在考慮水庫(kù)以下基流的前提下,水庫(kù)按下游河道最低級(jí)別的控制流量預(yù)泄,即王快水庫(kù)泄量與下游組合流量不超過(guò)800m3/s,西大洋水庫(kù)泄量與下游組合不超過(guò)300m3/s。

預(yù)泄調(diào)度及其他聯(lián)合調(diào)度措施均應(yīng)考慮到水庫(kù)與白洋淀之間的洪水傳播時(shí)間。另一方面,當(dāng)前地下水位埋深較大,洪水在演進(jìn)過(guò)程中對(duì)地下水補(bǔ)給形成的損失也應(yīng)考慮在內(nèi)。

(4)調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)與實(shí)時(shí)控制調(diào)度

上述各種調(diào)度方式都與水文預(yù)報(bào)緊密相關(guān),受預(yù)報(bào)精度所限,既應(yīng)防止盲目抬高庫(kù)水位,也應(yīng)防止過(guò)量泄空庫(kù)容,為后期蓄水帶來(lái)影響。

鑒于洪水預(yù)報(bào)可能存在的誤差及調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)[3],實(shí)時(shí)控制調(diào)度是消除誤差和糾偏的最有效措施。實(shí)時(shí)調(diào)度所依據(jù)的信息盡可能多樣化,包括上游入庫(kù)控制站實(shí)測(cè)流量、庫(kù)水位、淀水位、分洪區(qū)水位及河道流量等等。由于王快水庫(kù)、西大洋水庫(kù)控泄級(jí)別較多,且級(jí)差較大,實(shí)時(shí)控制調(diào)度同時(shí)也是防止盲目加大泄量,有效減輕下游洪災(zāi)的重要手段。

(5)調(diào)度效果分析

常規(guī)調(diào)度遇流域10年一遇洪水需破障水埝啟用一個(gè)分洪區(qū),而通過(guò)聯(lián)合調(diào)度則可不再啟用,相應(yīng)減少淹沒(méi)面積50km2。遇20年一遇洪水,白洋淀周邊分洪區(qū)將全部啟用,通過(guò)聯(lián)合調(diào)度將減少1～2個(gè)分洪區(qū),相應(yīng)減少淹沒(méi)面積90～230km2。

4 聯(lián)合防洪調(diào)度效益分析

大清河流域聯(lián)合防洪調(diào)度中不同洪水標(biāo)準(zhǔn)的效益不同,可采用頻率法分析多年平均效益,每一頻率標(biāo)準(zhǔn)的效益為常規(guī)調(diào)度與優(yōu)化調(diào)度的損失差值。防洪效益計(jì)算的最高洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇,水資源利用效益計(jì)算的最高洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。

由于調(diào)度中利用了洪水預(yù)報(bào)成果,鑒于洪水預(yù)報(bào)中可能存在的誤差,按產(chǎn)生預(yù)報(bào)誤差的幅度和概率進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)效益分析。

表3 大清河流域聯(lián)合防洪調(diào)度效益分析表

不同淹沒(méi)對(duì)象按其可能產(chǎn)生的損失特點(diǎn)計(jì)算損失值。 在考慮下游蓄滯洪區(qū)整體運(yùn)用條件下且計(jì)入預(yù)報(bào)風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)化調(diào)度效益成果見表3。

5 結(jié)語(yǔ)

大清河流域防洪對(duì)象涉及京、津、冀三省市,因此在海河流域防洪調(diào)度中占據(jù)舉足輕重的地位。經(jīng)過(guò)新中國(guó)成立以來(lái)的防洪工程和調(diào)度體系建設(shè),以及水文預(yù)報(bào)能力的不斷提高,已具備了對(duì)流域洪水統(tǒng)籌兼顧,并對(duì)上游水庫(kù)、中游洼淀與分洪區(qū)、下游入海通道進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度的條件。

大清河白洋淀以上庫(kù)淀聯(lián)合防洪調(diào)度以洪水預(yù)報(bào)為基礎(chǔ),以防洪工程體系為依托,以實(shí)時(shí)調(diào)度為控制,以減災(zāi)保安全為目標(biāo)。庫(kù)淀聯(lián)合防洪調(diào)度結(jié)合洪水預(yù)報(bào),針對(duì)不同洪水量級(jí)和地區(qū)組成,充分利用流域內(nèi)控制工程整體的調(diào)蓄能力,對(duì)于白洋淀在臨界洪水條件下減小周邊分洪區(qū)啟用機(jī)遇或啟用數(shù)量具有十分重要意義。

1 國(guó)務(wù)院.大清河防御洪水方案[M].2007.

2 邱人立.淺談大清河系洪水調(diào)度規(guī)程編制中的幾個(gè)問(wèn)題[J].河北水利水電技術(shù),2002,3.

3 侯召成,翟宜峰等.水庫(kù)防洪預(yù)報(bào)調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)分析研究[J].中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2005,1.

4 吳新玲,王文林,田新敏.大清河系北支洪水特點(diǎn)及其防御[J].河北水利水電技術(shù),2002,3.

5 魏智敏,李群.關(guān)于大清河系“96?8”洪水調(diào)度評(píng)價(jià)的幾個(gè)問(wèn)題[J].河北水利,2001,4.