長(zhǎng)江中下游防洪形勢(shì)變化歷程分析

(長(zhǎng)江水利委員會(huì) 防汛抗旱辦公室,武漢 430010)

1 研究背景

長(zhǎng)江中下游平原地區(qū)是長(zhǎng)江流域乃至我國(guó)經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)的地區(qū)之一，同時(shí)又是我國(guó)洪澇災(zāi)害最為頻繁嚴(yán)重的地區(qū)。區(qū)內(nèi)江湖互通、河網(wǎng)密布，江湖關(guān)系十分復(fù)雜。長(zhǎng)江流域控制性工程三峽工程建成前的幾十年間，受河湖自然演變和人類活動(dòng)(圍湖墾殖)影響，河湖泥沙淤積嚴(yán)重，江湖調(diào)蓄洪水能力日減；三峽及上游控制性水庫(kù)建成運(yùn)行后，一方面通過(guò)攔洪削峰發(fā)揮防洪作用，另一方面，由于蓄水?dāng)r沙減少了下泄沙量，中下游河道發(fā)生長(zhǎng)距離長(zhǎng)時(shí)期的沖淤調(diào)整，江湖調(diào)蓄洪水能力逐漸恢復(fù)。

本文以長(zhǎng)江中下游總體防御洪水標(biāo)準(zhǔn)(1954年洪水)為研究對(duì)象，針對(duì)長(zhǎng)江洪水來(lái)量大與河道泄洪能力不足的實(shí)際矛盾，選取超額洪量及其分布為目標(biāo)函數(shù)，采用長(zhǎng)江上游巨型水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度水力學(xué)數(shù)學(xué)模型[1-2]和中下游超大規(guī)模江湖演進(jìn)水文學(xué)數(shù)學(xué)模型[3]的模擬結(jié)果，分析長(zhǎng)江中下游不同時(shí)期由于江湖關(guān)系變化和上游水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行的防洪形勢(shì)變化，讓我們對(duì)當(dāng)前長(zhǎng)江中下游防洪能力及變化歷程有一個(gè)定量的認(rèn)識(shí)。

2 三峽工程建成前后長(zhǎng)江中下游江湖關(guān)系變化分析

2.1 長(zhǎng)江中下游干流和兩湖沖淤變化

2.1.1 長(zhǎng)江中下游干流河道沖淤變化

依據(jù)相關(guān)分析成果[4]，1966—1998年宜昌—湖口段平灘河槽淤積量為3.56億m3，年均淤積量為0.11億m3。1998—2002年，宜昌—湖口河段總體表現(xiàn)為沖刷，沖刷量5.47億m3，年均沖刷量達(dá)1.56億m3。三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后，2002—2016年，宜昌至湖口河段平灘河槽總沖刷量為20.94億m3，年均沖刷量1.45億m3。

2.1.2 兩湖(洞庭湖、鄱陽(yáng)湖)沖淤變化

2.1.2.1 洞庭湖

三峽工程蓄水運(yùn)用前，洞庭湖一直處于淤積狀態(tài)。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，1956—2002年入湖懸移質(zhì)總沙量為72.9億t，有54.0億t的泥沙淤積在湖區(qū)，年均淤積1.15億t。由于受泥沙淤積及人類活動(dòng)的影響，洞庭湖水面面積及容積逐漸減小，湖泊面積由1949年的4 350 km2減少為20世紀(jì)90年代的2 625 km2。三峽水庫(kù)蓄水以來(lái)洞庭湖入湖沙量大幅減小，2003—2016年多年平均入湖沙量為0.18億t，多年平均出湖沙量為0.20億t，湖區(qū)總體呈沖刷狀態(tài)，多年平均沖刷量為0.02億t。

2.1.2.2 鄱陽(yáng)湖

1957—2012年，鄱陽(yáng)湖年均入湖沙量1 287萬(wàn)t，年均出湖(湖口站)沙量998萬(wàn)t，湖區(qū)年均淤積泥沙290萬(wàn)t。

2.2 長(zhǎng)江中游江湖關(guān)系變化

2.2.1 各河段泄流能力變化分析

2.2.1.1 沙市站

沙市同水位的流量值主要受荊江與洞庭湖匯合口城陵磯水位影響。根據(jù)20世紀(jì)60年代的洪水?dāng)?shù)據(jù)分析，沙市水位45.00 m，相應(yīng)城陵磯水位34.40 m時(shí)泄量約5×104m3/s；20世紀(jì)90年代的幾場(chǎng)大水年資料分析，沙市水位45.00 m，相應(yīng)城陵磯水位34.40 m時(shí)泄量約5.3×104m3/s。沙市河段在高水時(shí)泄流能力有所增加[5]。不同時(shí)期沙市河段水位-流量關(guān)系對(duì)比見(jiàn)圖1。三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后，各年水位-流量關(guān)系曲線經(jīng)常擺動(dòng)，但與20世紀(jì)90年代關(guān)系曲線相比沒(méi)有趨勢(shì)變化，本次仍采用20世紀(jì)90年代洪水率定值分析當(dāng)前沙市河段的泄流能力。

圖1 沙市站歷年水位-流量關(guān)系對(duì)比Fig.1 Comparison of stage-discharge relation at Shashi station

圖2 螺山站歷年水位-流量(頂托改正后)關(guān)系對(duì)比Fig.2 Comparison of stage-discharge relation (in no consideration of backwater) at Luoshan station

2.2.1.2 螺山站

螺山水位-流量關(guān)系復(fù)雜、變幅大,其影響因素多。對(duì)螺山實(shí)測(cè)流量先進(jìn)行漲落率改正，再進(jìn)行頂托改正，通過(guò)以上改正后擬訂螺山斷面漲落為0、頂托為0的水位-流量關(guān)系曲線。在這一曲線上，相應(yīng)螺山某一水位的泄量是一個(gè)有條件的理想值，即校正流量，并非實(shí)際過(guò)流能力值。根據(jù)20世紀(jì)60—70年代實(shí)測(cè)資料，相應(yīng)于蓮花塘站34.40 m的這一校正流量為6.5×104m3/s，由于實(shí)測(cè)流量中含有頂托，因此，實(shí)際過(guò)流能力約6×104m3/s。根據(jù)20世紀(jì)90年代以來(lái)水位-流量實(shí)測(cè)資料，相應(yīng)蓮花塘站水位34.40 m時(shí)的校正流量為6.4×104m3/s，與20世紀(jì)60—70年代的校正流量采用值6.5×104m3/s相比略有減少。2個(gè)時(shí)期螺山站水位-流量關(guān)系線對(duì)比見(jiàn)圖2。三峽工程蓄水運(yùn)用后，本站各年改正后水位-流量點(diǎn)據(jù)隨洪水特性及其地區(qū)組成不同而上下擺動(dòng)，但無(wú)明顯變化趨勢(shì)。本次仍采用相應(yīng)蓮花塘水位34.40 m時(shí)的校正流量為6.4×104m3/s分析當(dāng)前螺山水位-流量關(guān)系。

2.2.1.3 漢口站

通過(guò)20世紀(jì)90年代洪水資料擬定的漢口站水位-流量關(guān)系曲線與20世紀(jì)60—70年代資料擬定線成果基本一致。相應(yīng)漢口水位29.50 m時(shí)，泄量采用7.16×104m3/s。歷年來(lái)漢口站水位-流量關(guān)系曲線對(duì)比見(jiàn)圖3。

圖3 漢口站歷年水位-流量關(guān)系對(duì)比Fig.3 Comparison of stage-discharge relation at Hankou station

三峽蓄水后漢口站流量在(3～6)×104m3/s時(shí)，水位-流量關(guān)系與歷年采用線基本一致，當(dāng)流量>6×104m3/s時(shí)，缺乏實(shí)測(cè)資料，還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。因此，本次分析當(dāng)前漢口站水位29.50 m時(shí)的泄量仍采用7.16×104m3/s。

2.2.1.4 湖口(八里江)站

湖口的水位-流量關(guān)系主要受漲落率影響，年際年內(nèi)變化不大，是中下游最為穩(wěn)定的一個(gè)站，因而利用20世紀(jì)90年代以來(lái)資料擬定的水位-流量關(guān)系曲線與20世紀(jì)60—70年代資料擬定成果基本一致，相應(yīng)湖口水位22.50 m時(shí)，泄量為8.35×104m3/s。歷年來(lái)湖口站水位-流量關(guān)系線對(duì)比見(jiàn)圖4。

圖4 湖口(八里江)站歷年水位-流量關(guān)系對(duì)比Fig.4 Comparison of stage-discharge relation at Hukou (Balijiang station)

三峽蓄水運(yùn)用后湖口水位-流量關(guān)系幾乎沒(méi)有變化，因此，本次分析現(xiàn)狀工況中湖口站水位22.50 m時(shí)的泄量仍采用近年綜合線的8.35×104m3/s。

2.2.2 各河段槽蓄能力變化分析

2.2.2.1 宜昌—沙市河段

20世紀(jì)90年代的資料分析表明，沙市流量達(dá)5×104m3/s時(shí)，本河段的槽蓄量為30億m3，與20世紀(jì)60—70年代的35億m3相比減少了5億m3。

三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后宜昌至沙市河段出現(xiàn)不同程度的沖刷，河段槽蓄有所增加。但槽蓄量變化主要集中在枯水河槽，隨著流量增大，相應(yīng)槽蓄量增加值呈遞減變化。高水時(shí)本河段槽蓄33億m3，相比20世紀(jì)90年代增加了約3億m3。

2.2.2.2 沙市—城陵磯河段

沙市—城陵磯河段包括長(zhǎng)江干流、洞庭湖及湖區(qū)洪道。根據(jù)分析，20世紀(jì)90年代，本河段平均槽蓄量為297億m3，與20世紀(jì)60—70年代點(diǎn)繪曲線所查得的均值352億m3相比，減少了55億m3，主要是由于洞庭湖的泥沙淤積及少量的圍墾[6]。

三峽工程蓄水運(yùn)用以來(lái)，沙市至城陵磯河段以及洞庭湖均出現(xiàn)不同程度沖刷。根據(jù)實(shí)測(cè)資料計(jì)算，沙市至城陵磯河段仍以枯水河槽沖刷為主。本河段高水時(shí)平均槽蓄量為340億m3，相比20世紀(jì)90年代增加了43億m3。

2.2.2.3 城陵磯—漢口河段

本河段的槽蓄受漲落率影響較小，漢口水位與本河段槽蓄關(guān)系相關(guān)較好。在漢口水位29 m時(shí)，20世紀(jì)90年代槽蓄量約為86億m3，與20世紀(jì)60—70年代點(diǎn)繪曲線查得的槽蓄量100億m3相差14億m3。本河段槽蓄量的減少，主要為泥沙淤積所致。

三峽工程蓄水后，城陵磯至漢口河段枯水以下部分與平灘以上部分河槽為沖刷，使得河段不同水位下河槽容積發(fā)生變化。目前本河段漢口水位29 m時(shí)槽蓄量為90億m3，較20世紀(jì)90年代增加了4億m3。

2.2.2.4 漢口—湖口河段

本河段包括漢口—湖口干流及鄱陽(yáng)湖，根據(jù)點(diǎn)繪的湖口水位與漢口—湖口河湖槽蓄關(guān)系，相應(yīng)湖口22 m時(shí)的槽蓄量為384億m3，與20世紀(jì)60—70年代資料點(diǎn)繪的392億m3相比，減少8億m3。槽蓄量的減少是由于泥沙淤積及河道演變的影響。

三峽水庫(kù)蓄水后，漢口至湖口總體表現(xiàn)為持續(xù)沖刷，導(dǎo)致同一水位河道槽蓄量增加。目前本河段相應(yīng)湖口水位22 m時(shí)槽蓄量為385億m3，較20世紀(jì)90年代增加了1億m3。各河段槽蓄量變化見(jiàn)表1。

3 三峽工程及上游控制性水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度基本情況

三峽工程是治理和開(kāi)發(fā)長(zhǎng)江的關(guān)鍵性骨干工程，水庫(kù)正常蓄水位175 m，相應(yīng)庫(kù)容393億m3，其中防洪庫(kù)容221.5億m3，具有防洪、發(fā)電、航運(yùn)和枯期向下游補(bǔ)水等巨大綜合效益。三峽工程于1994年開(kāi)工建設(shè)，歷經(jīng)圍堰發(fā)電期、初期運(yùn)行期運(yùn)用，2008年汛末進(jìn)入試驗(yàn)性蓄水期，目前具備進(jìn)入正常運(yùn)行期運(yùn)用的條件。

表1 宜昌至湖口段江湖槽蓄特征值變化Table 1 Characteristic values of channel storagecapacity of the reach from Yichang to Hukou

有了三峽工程的控制運(yùn)用，長(zhǎng)江上游干支流控制性水庫(kù)就可以通過(guò)與三峽水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度更好發(fā)揮對(duì)中下游的防洪作用。目前，長(zhǎng)江上游干支流已建和基本建成并納入長(zhǎng)江流域水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度的控制性水庫(kù)達(dá)21座，包括三峽、金沙江中游的梨園、阿海、金安橋、龍開(kāi)口、魯?shù)乩?、觀音巖，金沙江下游的溪洛渡、向家壩，雅礱江的錦屏一級(jí)、二灘，岷江的瀑布溝、紫坪鋪，嘉陵江的亭子口、草街、碧口、寶珠寺，烏江的構(gòu)皮灘、思林、沙沱、彭水。21座水庫(kù)總庫(kù)容1 098億m3，總調(diào)節(jié)庫(kù)容459億m3，總防洪庫(kù)容363億m3。各水庫(kù)分布位置見(jiàn)圖5。

當(dāng)長(zhǎng)江中下游發(fā)生大洪水，三峽水庫(kù)按批復(fù)的《三峽水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度方案》方式對(duì)中下游實(shí)施防洪補(bǔ)償調(diào)度，上游干支流控制性水庫(kù)中主要配合三峽水庫(kù)承擔(dān)長(zhǎng)江中下游防洪任務(wù)的梨園、阿海、金安橋、龍開(kāi)口、魯?shù)乩㈠\屏一級(jí)、二灘等水庫(kù)，實(shí)施與三峽水庫(kù)同步攔蓄洪水的調(diào)度方式；對(duì)承擔(dān)所在河流防洪和配合三峽水庫(kù)承擔(dān)長(zhǎng)江中下游雙重防洪任務(wù)的水庫(kù)，包括溪洛渡、向家壩、觀音巖、碧口、寶珠寺、亭子口、草街、構(gòu)皮灘、思林、沙沱、彭水等在為本河流預(yù)留防洪庫(kù)容共計(jì)53億m3的前提下，配合三峽水庫(kù)攔蓄洪水，減少進(jìn)入三峽水庫(kù)的洪量，降低三峽水庫(kù)回水，聯(lián)合發(fā)揮對(duì)中下游的防洪作用。

圖5 長(zhǎng)江上游干支流控制性水庫(kù)分布示意圖Fig.5 Layout of control reservoirs on the tributaries and mainstream of upstream Yangtze river

4 三峽工程建成前后長(zhǎng)江中下游防洪形勢(shì)變化分析

針對(duì)長(zhǎng)江中下游防御洪水標(biāo)準(zhǔn)1954年洪水，假設(shè)計(jì)算期內(nèi)中下游堤防均已達(dá)到規(guī)劃的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)籌考慮上述不同時(shí)期江湖關(guān)系變化的防洪影響、三峽及上游控制性水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行的防洪作用，模擬分析不同時(shí)期發(fā)生1954年洪水時(shí)長(zhǎng)江中下游的超額洪量(即無(wú)法由河道安全下泄的洪量)及其分布,詳見(jiàn)表2。

表2 江湖關(guān)系變化及上游水庫(kù)建成運(yùn)行對(duì)1954年超額洪量影響計(jì)算成果Table 2 Simulated distribution of excessive flood volume in the midstream and downstream of YangtzeRiver encountered with 1954-year flood in the presence of river-lake relation change and upstream reservoir operation

分析表明，同樣發(fā)生1954年洪水的情況下，在20世紀(jì)60年代的江湖蓄泄能力下(假設(shè)堤防已達(dá)標(biāo))，長(zhǎng)江中下游超額洪量為492億m3；到了20世紀(jì)90年代，由于河湖淤積和人工圍墾，江湖調(diào)蓄洪水的能力減少，超額洪量增加到了546.7億m3；考慮三峽工程建成單獨(dú)攔洪削峰，可將中下游超額洪量減少至400.1億m3；目前由于長(zhǎng)江上游21座控制性水庫(kù)聯(lián)合發(fā)揮攔洪作用，加之江湖關(guān)系有所改善，長(zhǎng)江中下游超額洪量進(jìn)一步減少到了345.0億m3，防洪形勢(shì)大為改善。由于長(zhǎng)江上游控制性水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度方案研究還在進(jìn)一步優(yōu)化中，按照優(yōu)化后的調(diào)度方案，中下游超額洪量還會(huì)進(jìn)一步減少。

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié) 論

(1)隨著長(zhǎng)江防洪工程體系的基本建成，尤其是上游控制性水庫(kù)的陸續(xù)建成投運(yùn)，長(zhǎng)江荊江河段防洪形勢(shì)根本改善、中下游防洪能力大為提高。但由于長(zhǎng)江巨大的洪水來(lái)量與河道安全泄量不足之間的矛盾依然存在，即使有了三峽工程及上游控制性水庫(kù)的攔洪蓄水，再遇類似1954年洪水，中下游仍有超過(guò)300億m3的超額洪量需要妥善安排，中下游尤其是城陵磯附近地區(qū)防洪形勢(shì)依然嚴(yán)峻。

(2)水利工程建設(shè)是改善長(zhǎng)江中下游防洪形勢(shì)的主要措施，1954年洪水發(fā)生時(shí)，由于當(dāng)年長(zhǎng)江堤防薄弱、干支流沒(méi)有控制性水庫(kù)，實(shí)際分洪潰口水量達(dá)1 023億m3。若當(dāng)年長(zhǎng)江堤防達(dá)到了長(zhǎng)江流域綜合規(guī)劃的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，由于河道泄流能力提高，分洪潰口水量可減少至492億m3；如果蓄滯洪區(qū)也按規(guī)劃建成，武漢及沿江重要城市可保障安全，極大減少人員傷亡和洪災(zāi)損失；再若當(dāng)年三峽及上游21座控制性水庫(kù)建成，不僅可保障中下游沿江重要城市的安全，避免啟用荊江分洪區(qū),而且還可進(jìn)一步減少分洪量，洪災(zāi)損失進(jìn)一步減少。

(3)江湖關(guān)系對(duì)長(zhǎng)江中下游防洪形勢(shì)影響較大。三峽工程建成投運(yùn)前的幾十年間，由于中下游河湖淤積，荊江及城陵磯河段泄流能力、中下游干流和兩湖槽蓄能力減小，江湖關(guān)系的調(diào)整加劇了長(zhǎng)江中下游防洪緊張形勢(shì)。三峽工程建成蓄水運(yùn)用后，中下游河道沿程發(fā)生沖刷，江湖調(diào)蓄洪水能力部分恢復(fù)，江湖關(guān)系的變化有利于防洪形勢(shì)的改善。

5.2 建 議

(1)當(dāng)前，若再遇1954年大洪水，中下游還有大量的超額洪量無(wú)法通過(guò)河道安全下泄，需做好防御大洪水準(zhǔn)備，結(jié)合現(xiàn)有防洪工程體系，制定防御洪水方案?？茖W(xué)調(diào)度控制性水庫(kù)攔洪削峰、合理安排蓄滯洪區(qū)蓄納超額洪量，保障重要地區(qū)防洪安全，最大限度減少洪災(zāi)損失。

(2)三峽等控制性水庫(kù)建成投運(yùn)后長(zhǎng)江中下游的超額洪量有所減少，考慮長(zhǎng)江上游正在建設(shè)的烏東德、白鶴灘等具有較大防洪能力的水庫(kù)建成投運(yùn)，中下游超額洪量將會(huì)進(jìn)一步減少，但蓄滯洪區(qū)仍然是當(dāng)前及今后一定時(shí)期長(zhǎng)江防洪體系的重要組成部分。需結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求和蓄滯洪區(qū)建設(shè)滯后的實(shí)際情況，調(diào)整和優(yōu)化蓄滯洪區(qū)的布局，加強(qiáng)蓄滯洪區(qū)的建設(shè)管理，完善長(zhǎng)江防洪工程體系。

(3)雖然長(zhǎng)江中下游防洪形勢(shì)得到很大改善，但防洪工程體系整體沒(méi)有達(dá)到規(guī)劃的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，防洪建設(shè)不充分不平衡問(wèn)題仍然突出，干流防洪能力遠(yuǎn)大于支流和湖泊防洪能力。近年來(lái)幾次較大洪水的防御實(shí)踐也表明，對(duì)于2010年、2012年長(zhǎng)江干流來(lái)水較大的洪水，由于干流堤防建設(shè)已達(dá)標(biāo)和三峽等控制性水庫(kù)攔洪，中下游汛情平穩(wěn)；而對(duì)于2016年、2017年來(lái)自兩湖和鄂北地區(qū)的中下游區(qū)域性洪水，由于支流和兩湖堤防建設(shè)滯后，洪災(zāi)損失嚴(yán)重。下一步應(yīng)加強(qiáng)支流和兩湖堤防等建設(shè)，按照規(guī)劃完善防洪工程體系。

(4)在完善長(zhǎng)江防洪工程體系的同時(shí)，對(duì)涉及到影響江湖關(guān)系的工程要慎重決策，要注重有利于江湖關(guān)系的改善。隨著防洪工程體系的逐步完善，要著力加強(qiáng)工程管理能力建設(shè)，進(jìn)一步優(yōu)化三峽及干支流控制性水庫(kù)的調(diào)度方式，進(jìn)一步提高工程調(diào)度和管理水平，充分發(fā)揮工程體系的綜合效益。

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