2007～2008年度龍、劉水庫用于黃河寧蒙河段防凌作用分析

雷 鳴，高治定

（黃河勘測規(guī)劃設計有限公司，鄭州 450003）

2008年3月20日1時50分和3時45分鄂爾多斯市杭錦旗獨貴特拉奎素段黃河大堤先后發(fā)生兩處潰堤，淹沒面積106km2，……，總經(jīng)濟損失9．35億元。這是多年來損失比較嚴重的一次凌汛災害。在這次凌汛決口之前，除劉家峽水庫已加大控泄流量之外，從3月10日至24日還動用了三盛公樞紐工程分水，但仍然未避免其下游231km處冰凌堵塞壅水決口之患。2007～2008年度龍、劉水庫防凌調(diào)度對減輕凌汛災害作用如何，是值得進一步探討的問題。

1 水庫防凌運用情況

龍、劉水庫聯(lián)合用于寧蒙河段冬季防凌運用是通過控制劉庫壩下小川站水量大小與過程來實現(xiàn)的，粗算時可用蘭州站流量過程來表達?，F(xiàn)按凌汛期總體概況和分別按流凌初封期、封河期與開河期，分析2007～2008年度龍、劉水庫下泄流量的基本情況，見表1。

由表1可見，2007～2008年度與1968～2008、1999～2008年兩個凌汛年段同期相比，水庫下泄流量經(jīng)蘭州站后，進入寧蒙河段水量總體是偏多的，特別與近9a平均情況相比，各月下泄水量明顯偏多。就各月情況看，11、2月較其它各月偏大更多，均在10%以上。但綜合水庫運用以來40個冰凌年度看［1］，凌汛期來水明顯多于2007～2008年度的有13個，近9個冰凌年度中，該年度處于第三位。故該年度來水量雖較多，但仍處于較常見范圍之內(nèi)。水庫與河道各控制站位置見圖1。

表1 小川站、蘭州站2007～2008年度與1968～2008、1999～2008年凌汛期各月平均流量比較Table 1 Comparison of average runoff of per month during the ice flood period at Xiaochuan Station with that of Lanzhou Station，which are observed in the years of 2007－2008，1968－2008and 1999－2008

圖1 黃河上游龍羊峽～頭道拐站河段測站位置圖Fig．1 Location of hydrological stations at the upstream reach of Yellow River from Longyangxia to Toudaoguai

不同年段凌汛期逐日流量過程見圖2。由圖2可見，11月15日以前，蘭州逐日流量＞1 000m3／s，11月下旬至12月底逐日流量過程基本保持在600 m3／s左右，1～2月中旬，逐日流量緩慢遞減至550m3／s，2月下旬初開始削減流量，至26日降至400m3／s，保持到3月4日，3月5日流量再次削減至360m3／s左右至16日，17～22日流量恢復到400m3／s左右，23日流量＞500m3／s，28日升至916m3／s?？梢姡瑥牧髁?、封河初期、穩(wěn)封期至開河期，逐日流量基本上是由大到小，緩慢遞減，臨近開河進一步加大控泄力度。另外，從11月下旬～2月底看，逐日流量過程基本保持平穩(wěn)遞減趨勢，前后日流量增幅≤100m3／s。

圖2 蘭州站2007～2008凌汛年度逐日流量與1968～2008年、1999～2008年同期平均逐日流量比較Fig．2 Comparison of daily average runoff during the ice flood period in 2007－2008with those occurred during the same period in 1968－2008 and 1999－2008at Lanzhou Station

2 水庫防凌運用效果檢查

2．1 與水庫防凌調(diào)度原則一般要求對照

對照目前黃河防汛總指揮部關于凌汛期劉家峽水庫下泄流量的調(diào)度原則［1］，分析如下：

1）流凌初封期下泄流量比較理想。調(diào)度原則要求 “封河前調(diào)勻并適當加大泄量，一般蘭州站流量控制在500～600m3／s，最大700m3／s，控制時間為30～40d，目的是推遲封河時間，避免小流量封河，有利于抬高冰蓋。同時要防止大流量封河產(chǎn)生冰塞災害。要防止忽大忽小或由小變大現(xiàn)象，要注意寧蒙河段冬灌和退水，使流量保持平穩(wěn)”。對照2007年冬水庫下游蘭州站11月上、中旬平均流量分別為1 430、884m3／s，致使在11月上、中旬內(nèi)蒙古巴彥高勒站以下河段3d最小平均流量＞400m3／s，11月下旬～12月上旬蘭州站減至614、622m3／s，相應巴彥高勒站以下各站最大3d平均流量為650～750m3／s，最大日流量僅為752m3／s，加之該年前冬偏暖，內(nèi)蒙古河段流凌封河時間偏晚，巴彥高勒站、三湖河口站、頭道拐站封河后最小5d平均流量分別為351、277、179m3／s，較近9a相應均值分別偏大26．2%、53．0%、9．8%。各站封河后過流能力均較大。故該年冬流凌初封期水庫下泄流量符合調(diào)度原則要求，基本達到較好效果，形成了平穩(wěn)的封河形勢，未出現(xiàn) “二封二開”或嚴重冰塞壅水災害情況。但從各斷面封河后最小5d平均流量關系看，明顯呈 “上大下小”的局面，若后期水庫下泄流量控泄不當，則為內(nèi)蒙古河段槽蓄水增量過渡增加，埋下隱患。

2）穩(wěn)封期流量偏大，后期開始向開河期過渡的調(diào)控時間偏晚。調(diào)度原則要求：“過流能力小于初封期，水庫下泄流量一般為500m3／s左右。穩(wěn)封期的后期冰蓋過流能力稍大于初期，但控制流量＜600m3／s，從2月上旬開始逐漸向開河期減少”。2007～2008年度穩(wěn)封期按12月下旬～2月上旬計，蘭州站逐旬平均流量分別為613、549、558、537、533m3／s。這期間流量基本符合調(diào)度原則要求，但與1999～2008年段同期平均流量比較，一般大110m3／s左右；開始逐漸向開河期削減的情況，應計為2月中旬，該旬平均流量減小為505m3／s，開始向開河期逐漸減小流量的起始時間較近9a平均情況遲10d。該年度穩(wěn)封期下泄流量偏大，且進一步控泄時間偏晚，使得內(nèi)蒙古河段槽蓄水增量偏大。

3）開河期控泄時間偏后，流量削減力度較小。調(diào)度原則要求：“適時平穩(wěn)控制蘭州站流量在500 m3／s左右，并在石嘴山站開河前5d控制下泄，為了不使封河上段出現(xiàn)較大凌峰，為使水位平穩(wěn)，蘭州站流量過程也應平穩(wěn)或緩慢減少，為文開河創(chuàng)造條件?！?007～2008年度2月中旬至3月中旬蘭州站逐旬平均流量分別為505、450、373、386 m3／s，調(diào)控力度比一般原則要求大些。但近9年同期逐旬平均流量分別為388、340、300、302 m3／s，可見無論逐旬流量，或是2月下旬至3月上旬流量遞減速率均不及9a平均情況，故該年度開河期控泄力度并不強。

2．2 凌汛特征指標的分析

1）封河后過流能力與封河前流量關系。劉家峽、龍羊峽水庫運用寧蒙河段防凌40a，一般認為內(nèi)蒙古河段在較大流量封河條件下，可致使在較高位置形成冰蓋，這樣可以保持封河期有較大冰下過流能力。它作為水庫防凌運用的一個原則，運用至今。2007～2008年凌汛期三湖河口、頭道拐兩站封河前5d平均流量分別為587、584m3／s，而封河期兩站最小30d平均流量分別為376、242m3／s，整個封河期平均流量分別為500、336m3／s。兩站封河前平均流量＞580m3／s，但兩站封河后的最小30d與封河期平均流量相差較大。下游頭道拐站過流能力明顯偏小，故當上游來水較大時，相當?shù)乃繉⒕奂陬^道拐站以上河道內(nèi)。因此依靠封河前水庫下泄較大流量來達到提高冰下過流能力的設想，需要重新考慮。

圖3為頭道拐站1986～1999與1999～2008兩個年段封河前5d平均流量與封河期平均流量關系。由圖3可見，近9a頭道拐站封河前流量大小對封河期平均流量影響明顯小于前一年段情況。這種情況在三湖河口等站有類似表現(xiàn)，只是變化程度較小些。2007～2008年度內(nèi)蒙古出口控制站在封河期較大流量條件下，封河后冰下過流能力持續(xù)較小情況是近9a來共同特點，水庫調(diào)度運用方式的原則需要重新審視。

圖3 頭道拐站不同年段封河期平均流量與封河期5d平均流量相關Fig．3 Correlation of average runoff of the whole freeze－up period with that of 5dduring the freeze－up period in different years at Toudaoguai Staion

2）封河期蘭州站下泄水量大小與石～頭河段最大槽蓄水增量關系。內(nèi)蒙古河段最大槽蓄水增量除與出口站過流能力變化有關外，還直接與封河期上游來水有關。考慮內(nèi)蒙古河段首封與最晚開河時間，以及蘭州站水量轉播至頭道拐站時間，利用蘭州站12月～3月上旬來水量作為入流水量指標。2007～2008年度，該時段內(nèi)蘭州站下泄水量達47．5×108m3，實際形成的槽蓄水增量達16．95×108m3。水庫運用以來不同年段中，這兩個數(shù)量指標關系有所不同。由圖4可見，在水庫運用3個階段中，主要是河道過流能力影響，在蘭州站12月～3月上旬相同來水量條件下，近9a形成的最大槽蓄水增量最多，1986～1999年段次之，1968～1986年段形成最大槽蓄水增量最小。經(jīng)各年段線性相關分析 （均滿足顯著性條件），蘭州站來水量47．5×108m3條件下，1986～1999年段平均可形成的最大槽蓄水增量為12×108m3，1968～1986年段形成10×108m3，再考慮氣溫等不確定性因素的可能影響，分別可再加大1×108m3。分別為13×108、11×108m3。如現(xiàn)狀過流條件下石～頭河段最大槽蓄水增量要控制在15×108、14×108m3時，蘭州站12月～3月上旬下泄水量應分別控制在43×108、40．3×108m3?？梢姡趦?nèi)蒙古河段現(xiàn)狀過流條件下，仍按照原調(diào)度原則，在封河期保持蘭州站較大下泄流量過程，必然會導致槽蓄水增量明顯偏大。

圖4 不同年段石～頭河段最大槽蓄水增量與蘭州站12月～3月水量相關Fig．4 Correlation of the maximum channel－storage increment at Shizuishan－Toudaoguai reach with the water quantity accumulated from Dec．to next Mar．a(chǎn)t Lanzhou Station of different years

3）依據(jù)寧蒙河段槽蓄水增量時空分布特點，分析水庫下泄流量過程。利用2007～2008年凌汛期寧蒙河段分段槽蓄水增量形成過程圖 （略），該年封河前期由于氣溫持續(xù)偏高，1月降溫幅度大，在該年度封河偏晚情況下，寧蒙河段槽蓄水量在封河后較快速增長，在1月底前后，石嘴山～頭道拐、三湖河口～頭道拐河段槽蓄水增量達到最大值的80%左右，其最大值均出現(xiàn)在3月上旬末；石嘴山～三湖河口段最大槽蓄水增量出現(xiàn)在1月下旬初，下河沿～石嘴山河段槽蓄水增量形成時間在1月下旬至3月上旬，最大值出現(xiàn)在2月中旬中。該年度凌汛期槽蓄水增量在數(shù)量上偏大外，時、空分布表明寧夏段形成晚，內(nèi)蒙上段形成偏早，2月后期比較集中釋放，為巴彥高勒站以下河道在3月中旬前后較大數(shù)量比較集中釋放提供了條件。這雖與河道過流能力、氣溫波動幅度較異常有關外，與水庫下泄水量過程不盡合理有關。由表1可見，蘭州站1月水量明顯偏大與此有關，而2月水量雖減小，但減小力度不夠，故在頭道拐站過流能力恢復能力較小情況下，導致三湖河口站以下河段最大槽蓄水增量出現(xiàn)在3月中旬初。

4）三湖河口站水位變化過程與水庫下泄水量關系。由圖5可見，三湖河口站在600m3／s流量附近封河后至12月底，水位僅由1019．3m升至1020．2m。12月30日巴彥高勒站封河后，一個小流量過程傳播到三湖河口站，會引起一次水位、流量波動，1月下旬中三湖河口站流量恢復到550 m3／s，水位1 020．8m，在三湖河口站水位、流量第一次變化過程中，相應蘭州站下泄流量為610 m3／s左右。三湖河口站水位、流量第二次波動過程中，由1月中旬中至月底前后，蘭州站流量為530m3／s左右，持續(xù)到2月中旬。2月三湖河口站除上旬流量減小到470m3／s，12月上旬～2月中旬流量為500m3／s。三湖河口站在1月下旬中水位再度上新高，并維持到3月中旬提供了冰凌堵塞條件。由圖可見，2月中旬開始，三湖河口站流量逐漸增加，而相應蘭州站到達的流量要小于三湖河口站流量，表明蘭州站從1月中旬中開始流量緩慢遞減率和總量，不及蘭～三河段來水增加量 （區(qū)間地下水回歸量與槽蓄水釋放量）。這樣導致三湖河口站上下河段槽蓄水增量在2月仍持續(xù)增加，至3月中旬為最大，加重了開河期負擔。

圖5 2007～2008年度三湖河口站逐日水位、流量與相應蘭州站流量過程Fig．5 Hydrograph of daily water level，discharge at Sanhuhekou Station and the corresponding discharge at Lanzhou Station in 2007－2008

5）開河期巴～三河段槽蓄水增量釋放過程。2008年3月中旬后期三湖河口站在開河前夕槽蓄水釋放強度大，自開河前3d3月18日開始的6d內(nèi)，巴～三河段槽蓄水增量釋放逐漸加大，逐日釋放水量為0．184×108、0．379×108、0．964×108、0．957×108、0．596×108m3，三湖河口同期逐日流量分別為838、1 060、1 580、1 510、1 050m3／s。這是當年開河前自3月10日至24日三盛公逐日分水防凌的結果，否則，逐日流量還要增加100～170m3／s，凌峰流量可由實測的1 650m3／s增加到1 820m3／s，瞬時最高水位由實測的1 021．22 m，增加5～10cm。由圖5，龍、劉水庫控泄流量過程影響情況看，水庫控泄力度最大時段是基本相應的，問題在于能否通過進一步調(diào)整開河期水庫運用方式，如加大控泄力度時間提前至2月初，使2月上旬～3月中旬平均流量，在該年蘭州站下泄流量的基礎上，2月再削減100m3／s，3月上中旬再削減50m3／s。這樣不僅使石～頭河段最大槽蓄水增量減為15．2×108m3，而且推遲開河日期、槽蓄水增量釋放時間延長，最大釋放強度必然減小，不僅減小凌峰流量，其出現(xiàn)時間完全可能出現(xiàn)在開河以后，避免最高水位出現(xiàn)在開河前夕，進而避免凌汛災害出現(xiàn)。故按2008年春三湖河口站凌汛壅水情況與蘭州站相應水量關系看，在現(xiàn)狀河道淤積加重，過流能力偏小，穩(wěn)封中期已形成較大槽蓄水增量 （＞14×108m3），應在2月開始逐步加大水庫下泄水量調(diào)控力度，來避免三湖河口站上下河段開河前夕槽蓄水增量釋放強度過大。

3 結 論

1）2007～2008凌汛年度的流凌初封期龍、劉水庫下泄流量過程經(jīng)蘭州站后進入寧蒙河段，來調(diào)控寧蒙河段冬灌引水、退水影響較好，致使再進入石嘴山以下河段時，避免了11月中旬前的過小流量和11月下旬至12月中旬過大流量的出現(xiàn)，有效防止內(nèi)蒙古巴彥高勒站以下河段可能出現(xiàn)的小流量封河或封河后可能出現(xiàn)的大流量造成的 “武開”現(xiàn)象。故從寧蒙河段防凌需要看，本年度該期間水庫下泄流量過程調(diào)控比較適中。但在封河初期，應針對目前內(nèi)蒙古河道下段過流能力偏小的實際情況，及時調(diào)整水庫在穩(wěn)封階段下泄流量大小與過程。

2）鑒于現(xiàn)狀內(nèi)蒙古河段河道過流能力較差，再遇見封河期氣溫偏低，在封河主要階段，蘭州站12月～3月上旬下泄水量達47．0×108m3，過程前后流量遞減率小，為石嘴山～頭道拐河段最大槽蓄水增量達17．0×108m3，出現(xiàn)時間偏晚，提供了較有利的來水條件，這為在封河中、后期三湖河口站上下河段出現(xiàn)持續(xù)高水位提供了有利條件。故需要重新審視現(xiàn)狀河道過流條件下，封河期水庫安全泄量過程控制原則。

3）開河期水庫雖在3月上、中旬較明顯削減了下泄流量，對控制內(nèi)蒙古上段開河起到一定作用，并且自3月10日起三盛公涵閘還首次進行了分水防凌，但在3月中旬前后氣溫較異常偏高，促使巴～三河段自開河前3d開始河段槽蓄水增量急劇釋放，開河前1d、開河日釋放量最大，分別為0．964×108、0．957×108m3，形成的流量日增量達1 116、1 108m3／s。在開河前夕出現(xiàn)這樣槽蓄水增量釋放強度情況，為多年少見。導致在持續(xù)高水位情況下，水位再度抬升，瞬時最高水位達1 021．22m，造成三湖河口站以下河段開河期多處冰壩壅水，以及2處堤防潰決，造成較嚴重凌災。

在現(xiàn)狀河道過流能力條件下，雖然在整個凌汛期總體負氣溫值并不突出的情況下，遇到過程氣溫變動幅度大的情況時，加上目前針對開河形勢預報不能完全滿足水庫防凌調(diào)度需求，當封河期槽蓄水增量明顯偏大，部分河段水位較高時，應適當加大開河期水庫下泄流量控泄力度，包括明顯削減流量的時間可考慮提前至2月上旬，結合內(nèi)蒙古河段分水防凌工程等提前進行預防性防凌運用，使進入巴彥高勒站以下河段流量保持較小水平，來緩解目前三湖河口站上下河段在開河前后槽蓄水增量釋放強度過大及該河段開河期較嚴峻的凌汛形勢。

［1］水利部黃河水利委員會．黃河凌情資料整編及特點分析 （黃河上、中游部分1950～2005年） ［Z］．鄭州：水利部黃河水利委員會，2006．

［2］水利部黃河水利委員會水文局．2007～2008年度黃河凌汛技術總結 ［Z］．鄭州：水利部黃河水利委員會水文局，2008：1－31．

［3］可素娟，王 敏，饒素秋，等．黃河冰凌研究 ［M］．鄭州：黃河水利出版社，2002：81－96．

［4］內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測設計院．黃河內(nèi)蒙古防凌應急分洪工程可行性研究報告 ［R］．呼和浩特：內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測設計院，2008：87－109．