結(jié)雅、布列亞水庫對(duì)黑龍江防洪需求的響應(yīng)

李宜雪　董增川　肖敬　施任生　許凌杰

摘要：為定量研究結(jié)雅水庫和布列亞水庫對(duì)黑龍江干流防洪需求的響應(yīng)，以2013年黑龍江大洪水為例，基于馬斯京根理論構(gòu)建了河道洪水反向演算模型，分別以奇克站、烏云站和勤得利站為流域控制站點(diǎn)，分析計(jì)算結(jié)雅水庫和布列亞水庫對(duì)奇克、烏云和勤得利三站的防洪需求響應(yīng)。位于俄羅斯結(jié)雅河上的結(jié)雅水庫和布列亞河上的布列亞水庫對(duì)黑龍江干流洪水具有明顯的削峰、錯(cuò)峰作用;干流不同站點(diǎn)對(duì)水庫的錯(cuò)峰要求不同，結(jié)雅、布列亞水庫應(yīng)分別進(jìn)行錯(cuò)峰調(diào)度，將支流洪峰與干流洪峰錯(cuò)開，保障干流安全。

關(guān)鍵詞：2013年洪水;洪水影響;馬斯京根法;結(jié)雅水庫;布列亞水庫;黑龍江

中圖分類號(hào)：TV877

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019.03.011

我國是世界上洪澇災(zāi)害最為頻繁和嚴(yán)重的國家之一[1].由洪澇災(zāi)害所造成的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失占各種自然災(zāi)害損失的首位。黑龍江為世界十大國際界河之一.100多a來曾多次發(fā)生大洪水，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)造成巨大的威脅。水庫作為重要的水利工程，在減輕洪水災(zāi)害方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。然而黑龍江干流上并無水庫等防洪工程，其防洪形勢(shì)十分嚴(yán)峻。在黑龍江大洪水期間，位于俄羅斯結(jié)雅河上的結(jié)雅水庫和布列亞河上的布列亞水庫發(fā)揮了重要的削峰、錯(cuò)峰作用，有效地減輕了黑龍江干流的防洪壓力。因此，分析結(jié)雅水庫和布列亞水庫對(duì)黑龍江干流防洪需求的響應(yīng)，對(duì)黑龍江流域應(yīng)對(duì)大洪水具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)可為中俄聯(lián)合防洪交流與談判提供理論依據(jù)。

目前，關(guān)于水庫等水利工程對(duì)洪水的影響，許多學(xué)者已經(jīng)做了很多研究。李成林等[2-3]采用新安江模型和遙感技術(shù)，分析了水利工程對(duì)洪水的影響規(guī)律：張建云等[4]從水文的角度分析了主要水利工程運(yùn)用對(duì)淮河洪水的影響，并提出了相應(yīng)的防洪措施：孫新國等[5]將TOPMODEL水文模型耦合到水文模型中，通過歷史洪水來率定水利工程對(duì)洪水的影響：張瑞勛等[6]采用優(yōu)化準(zhǔn)則與經(jīng)驗(yàn)適線法，分析了上游水利工程對(duì)楓樹壩入庫洪水的影響：張志紅等[7]在大量實(shí)地考察的基礎(chǔ)上構(gòu)建流域水文模型，分析了渭河流域水利水保工程對(duì)實(shí)測(cè)洪水的影響：郭生練等[8]采用新安江模型、納西模型和地下線性水庫匯流模型進(jìn)行分析計(jì)算，提出了人類活動(dòng)影響下的豐滿水庫洪水預(yù)報(bào)方案。以往的研究主要集中于流域多個(gè)水利工程對(duì)洪水徑流的綜合影響，目前針對(duì)國際河流上大型水庫對(duì)我國干流洪水的影響研究較少。本文在總結(jié)前人研究工作的基礎(chǔ)上，分別以黑龍江干流奇克站、烏云站和勤得利站為控制站點(diǎn)，構(gòu)建河道洪水反向演算模型，并以2013年大洪水為例，分析結(jié)雅水庫和布列亞水庫對(duì)黑龍江干流防洪需求的響應(yīng)，為流域防洪調(diào)度決策提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

黑龍江位于北緯42°0′-55°45′、東經(jīng)108° 21′-141°21′之間，跨中國、俄羅斯、蒙古、朝鮮4個(gè)國家。黑龍江流域面積為184.3萬km².自石勒喀河源鄂嫩河起，黑龍江全長4 416 km，石勒喀河和額爾古納河匯合點(diǎn)以下稱為黑龍江干流，干流全長2 833 km。傳統(tǒng)上將黑龍江流域劃分為額爾古納河、石勒喀河、結(jié)雅河、布列亞河、松花江、烏蘇里江6大水系，其他支流及黑龍江干流統(tǒng)稱為黑龍江干流區(qū)。黑龍江流域?qū)俅箨懶詺夂騾^(qū)，受中緯度西風(fēng)帶和西伯利亞寒冷空氣影響，具有春季干旱多大風(fēng)、夏季溫?zé)岫嘤?、秋季晴冷溫差大、冬季?yán)寒而漫長的氣候特點(diǎn)。流域多年平均氣溫-4.3 -5.1℃，年降水量一般為500 mm左右。受氣候和地形條件等方面的影響，流域年內(nèi)降水主要集中在6-9月（占年降水量的70%）。降雨年際變化也較為明顯，最大年降水量一般是最小年降水量的2-3倍。黑龍江流域的洪水主要由汛期暴雨形成，暴雨集中在6-9月，其中7月至8月上旬是暴雨的集中期。

位于俄羅斯的結(jié)雅河是黑龍江左岸最大的支流，發(fā)源于外興安嶺馬洛托科湖南30 km處，河長1 242km，流域面積23.3萬km³。結(jié)雅水庫位于俄羅斯結(jié)雅河上，于1976年建成，水庫水面長度為225 km，中部寬度為24 km，平均水面面積2 420 km²，庫容873.8億m3，防洪庫容161億m³。水庫可調(diào)蓄的壩址以上流域產(chǎn)生的徑流量占結(jié)雅河總徑流量的36%。布列亞河河長739 km.流域面積7.07萬km².布列亞水庫位于布列亞河上，為山區(qū)水庫，庫區(qū)水面長234 km，面積750 km²（相應(yīng)于正常高水位），總庫容209億m³，水庫調(diào)節(jié)徑流量占整個(gè)布列亞河的92%。圖1為黑龍江干支流及研究站點(diǎn)位置分布情況，由于黑龍江流域面積很大，因此只截取了研究站點(diǎn)和水庫所在的區(qū)域。

2 控制河道洪水反向演進(jìn)模型

2.1 基本原理

反向演進(jìn)模型可將防洪斷面目標(biāo)流量過程反演到水庫壩址斷面，本次洪水反向演算采用過程迭代法。過程迭代法設(shè)下游控制斷面的目標(biāo)流量過程為0_t，入庫流量過程為Q_t，符合控制斷面目標(biāo)流量過程的上斷

由式（3）可知，當(dāng)K、x已知，上游斷面的來水過程以及下游斷面上一時(shí)刻的出流已知，就可以計(jì)算出下游斷面下一時(shí)刻的出流。該方法在實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵問題是如何正確估計(jì)模型的參數(shù)K、x或CO、C1、C2。馬斯京根法要求人流和出流過程在計(jì)算時(shí)段At內(nèi)呈線性變化，并且在任何計(jì)算時(shí)段△t內(nèi)，在河段內(nèi)沿程呈線性變化。在實(shí)際應(yīng)用中，一般計(jì)算河段較長，人流洪水的漲落洪歷時(shí)遠(yuǎn)小于河段的傳播時(shí)間，馬斯京根法的計(jì)算誤差較大。因此，為滿足馬斯京根法的線性假定，需要把演算河段劃分成若干子河段，使子河段內(nèi)的流量在計(jì)算時(shí)段△t內(nèi)及沿程均呈線性分布，然后采用分段連續(xù)演算的方法將防洪斷面目標(biāo)流量過程反演到水庫壩址斷面。

2.2 控制站點(diǎn)

本次關(guān)于結(jié)雅水庫、布列亞水庫對(duì)黑龍江干流防洪需求的響應(yīng)研究，考慮了奇克、烏云、勤得利3個(gè)控制站點(diǎn)。奇克站洪水受結(jié)雅水庫調(diào)節(jié)的影響，為單獨(dú)防洪點(diǎn)：烏云站和勤得利站的洪水受結(jié)雅水庫和布列亞水庫共同調(diào)節(jié)的影響，為公共防洪點(diǎn)。因此，在對(duì)控制站點(diǎn)目標(biāo)流量過程進(jìn)行反向演算時(shí)，需要將控制站點(diǎn)目標(biāo)流量過程減去區(qū)間來水過程，然后反向分段演算至各水庫壩址處。反向連續(xù)演算的分段情況見表1，洪水傳播時(shí)間見表2。

3 結(jié)雅水庫、布列亞水庫防洪響應(yīng)分析

結(jié)雅水庫、布列亞水庫分別位于黑龍江干流兩條支流結(jié)雅河與布列亞河上，主要控制這兩條支流的來水。奇克、烏云和勤得利分別作為單獨(dú)防洪點(diǎn)、公共防洪點(diǎn)，兩水庫對(duì)不同防洪點(diǎn)防洪需求的響應(yīng)模式各有不同，總的來說可以歸納為削峰和錯(cuò)峰兩種方式。削峰體現(xiàn)在洪峰流量上，而錯(cuò)峰體現(xiàn)在洪水傳播時(shí)間上。

3.1 結(jié)雅水庫、布列亞水庫對(duì)黑龍江干流的削峰錯(cuò)峰作用

結(jié)合黑龍江流域的實(shí)際情況和結(jié)雅水庫、布列亞水庫的洪水資料，采用馬斯京根法分段連續(xù)演算，將各水庫的入庫流量、出庫流量分別演算至黑龍江干流各控制斷面，并將入庫流量、出庫流量演算后的流量差疊加到實(shí)測(cè)流量過程中，即可還原得到無結(jié)雅水庫、布列亞水庫調(diào)度情況下各控制斷面的洪水過程。

3.1.1 結(jié)雅水庫對(duì)奇克站的削峰、錯(cuò)峰作用

奇克站位于黑龍江干流與結(jié)雅河的交匯處，由圖2、表3可以看出，結(jié)雅水庫對(duì)奇克站流量具有明顯的削峰、錯(cuò)峰作用。

3.1.2 結(jié)雅水庫、布列亞水庫對(duì)烏云站、勤得利站的削峰、錯(cuò)峰作用

烏云站位于黑龍江干流與布列亞河的交匯處，勤得利位于黑龍江干流的下游。由表4、圖3、圖4可以看出，結(jié)雅水庫和布列亞水庫對(duì)黑龍江干流具有明顯的削峰、錯(cuò)峰作用。

3.2 以奇克站為流域代表站

3.2.1 水庫防洪響應(yīng)分析

從洪水組成上看，奇克站來水主要受結(jié)雅河與黑龍江干流的影響?？蓪⑵婵苏緛硭譃楹诤印⒔Y(jié)雅水庫以及結(jié)雅水庫與別洛戈里耶區(qū)間來水（以下稱結(jié)別區(qū)間）3個(gè)主要部分。根據(jù)結(jié)雅水庫建庫前的資料分析，結(jié)雅水庫以上來水約占別洛戈里耶洪水量的50% - 60%，結(jié)別區(qū)間來水約占別洛戈里耶洪水量的40% - 50%。奇克站洪水組成可以表示為

Q奇克=f（ q黑河+Q結(jié)雅+q結(jié)別區(qū)間+q區(qū)間匯流） （5）式中：q黑河為黑河站來水，代表黑龍江干流上游來水;Q結(jié)雅為結(jié)雅水庫以上來水;q結(jié)別區(qū)間為結(jié)別區(qū)間來水，g結(jié)別區(qū)間/Q結(jié)雅∈（0.67，1）;q區(qū)間匯流為黑河站、別洛戈里耶至奇克區(qū)間匯流，由于該部分來水量較小，因此忽略不計(jì)。

若兩江來水量較大且洪峰遭遇，將對(duì)下游堤防安全造成巨大威脅，此時(shí)結(jié)雅水庫應(yīng)充分發(fā)揮攔洪削峰作用，盡可能削減結(jié)雅河上游來水.避免兩江洪峰疊加，以下討論皆以此為前提。干支流來水不同，則結(jié)雅水庫調(diào)度下泄也不相同。2015年黑龍江干流加固堤防后，奇克段堤防的防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，對(duì)應(yīng)安全泄流量為26 800 m³/S。根據(jù)奇克斷面防洪標(biāo)準(zhǔn)和洪水組成情況，估算干支流不同洪水組合情況下結(jié)雅水庫下泄限值，結(jié)果見表5。

由表5可知，黑龍江干流的來水流量越大，在同樣的結(jié)別區(qū)間來水和入庫洪水下，為了減少支流結(jié)雅河的來水，結(jié)雅水庫的下泄限值也越小。極限情況為當(dāng)黑龍江干流出現(xiàn)20 a一遇的洪水，且結(jié)別區(qū)間來水和入庫流量都很大時(shí)，結(jié)雅水庫不能放水。這對(duì)水庫壓力太大，基本不可能實(shí)現(xiàn)，因此奇克站肯定會(huì)發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)的洪水。因此，提高下游防洪斷面的防洪標(biāo)準(zhǔn)極為重要。

3.2.2 典型年響應(yīng)分析

2013年黑龍江流域發(fā)生全流域大洪水，圖5為2013年奇克站洪水組成情況。以奇克站防洪安全泄流量26 800 m³/s為防洪上限值，將其分段減去區(qū)間來水并反演至結(jié)雅水庫壩址處，得到結(jié)雅水庫為保證奇克站安全的最大允許下泄流量，即結(jié)雅水庫對(duì)奇克站防洪需求的響應(yīng)。

由圖5可知，結(jié)雅河和黑龍江干流黑河站以上均發(fā)生了較大的洪水，且持續(xù)時(shí)間長，從而干支流洪水遭遇，造成下游奇克站洪峰流量達(dá)到27 600 m³/s，超過其防洪標(biāo)準(zhǔn)。

2013年來水情況下，結(jié)雅水庫對(duì)奇克站防洪需求的響應(yīng)結(jié)果見圖6。由圖6可知，反演至水庫斷面的最小下泄流量為6 530 m³/s，水庫削峰率為44.2%，對(duì)應(yīng)下游奇克站洪峰流量27 600 m³/s。從傳播時(shí)間上看，水庫最小下泄限值出現(xiàn)在8月11日，奇克斷面洪峰出現(xiàn)在8月17日前后，表明結(jié)雅水庫應(yīng)提前5-6 d進(jìn)行錯(cuò)峰補(bǔ)償調(diào)度，將水庫下泄流量調(diào)整至相應(yīng)限值以下，避免與黑河以上來水洪峰疊加，保證奇克斷面的防洪安全。

3.3 以烏云站為流域代表站

3.3.1 水庫防洪響應(yīng)分析

從洪水組成上看，烏云站位于布列亞河與黑龍江干流匯合口下游，其來水主要受結(jié)雅河、黑龍江干流以及布列亞河的影響，因此可將烏云站來水分為上游奇克站來水、布列亞水庫以及區(qū)間匯流3個(gè)主要部分。烏云站洪水組成可以表示為

Q烏云=f（Q奇克+Q布列亞+q區(qū)間匯流）

（6）式中：Q奇克為奇克站來水;Q布歹忸為布列亞水庫以上來水;q區(qū)間匯流為奇克站、布列亞水庫至烏云站區(qū)間匯流，該部分忽略不計(jì)。

若奇克站來水流量較大且與布列亞河洪峰遭遇，將對(duì)下游烏云堤防安全造成巨大威脅，此時(shí)結(jié)雅水庫和布列亞水庫應(yīng)充分發(fā)揮攔洪削峰作用，盡可能削減支流來水，避免干支流洪峰疊加。2015年黑龍江干流加固堤防后，烏云站堤防的防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，對(duì)應(yīng)洪峰流量為31 000 m³/s。根據(jù)烏云斷面防洪標(biāo)準(zhǔn)和洪水組成情況，估算干支流不同洪水組合情況下兩水庫下泄限值，結(jié)果見表6。q結(jié)雅+q布列亞表示兩水庫下泄限值之和，兩水庫具體下泄流量應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，但為保證上游奇克站的防洪安全，結(jié)雅水庫下泄流量還應(yīng)滿足其下泄限值要求。