錢塘江流域洪水防御及實(shí)例分析

任火良,胡智超

(浙江省錢塘江流域中心,浙江 杭州 310012)

1 流域概況

1.1 水 系

錢塘江位于我國東南沿海，介于東經(jīng)117°37′—121°52′、北緯28°10′—30°48′間，上游有干流蘭江和重要支流新安江，在建德市梅城匯合后入富春江，流經(jīng)杭州，在海鹽澉浦注入杭州灣，在杭州灣灣口斷面(上海市南匯區(qū)蘆潮港閘至寧波鎮(zhèn)海外游山)注入東海，干流全長609 km，流域面積55 491 km2。[1]蘭江發(fā)源于安徽省休寧縣龍?zhí)镟l(xiāng)江田村，東南流至齊溪進(jìn)入浙江省開化縣，與池淮溪在華埠匯合后，稱常山港；常山港至衢州市南郊右納江山港后稱衢江；衢江沿東北方向下泄，接納了眾多支流，其中較大的有右岸的烏溪江和靈山港，左岸的銅山源、芝溪，至蘭溪市上華，右納金華江后稱蘭江；蘭江至建德市梅城與新安江匯合。蘭江流域集水面積19 468 km2，河長302.5 km。

新安江發(fā)源于安徽省休寧縣鶴城鄉(xiāng)右龍村，經(jīng)龍溪、大源河、率水、橫江；橫江匯合斷面以下至浙江省境內(nèi)武強(qiáng)溪匯合斷面以上稱漸江。新安江流域面積11 673 km2，流域長度179.6 km。分省流域安徽省境內(nèi)面積有6 016.1 km2、江西省境內(nèi)8.4 km2、浙江省境內(nèi)5 648.3 km2。蘭江與新安江在梅城匯合，梅城以下至東江嘴(聞家堰上游1 km)河段稱為富春江，東江嘴以下稱錢塘江，在梅城下游約26.8 km處即為富春江電站。匯入富春江河段的主要支流有分水江、淥渚江、壺源江；匯入錢塘江河段主要支流有浦陽江和曹娥江。富春江電站以上為山溪性河道，坡陡流急；富春江電站以下為感潮河道，河口潮差大，潮流強(qiáng)，屬強(qiáng)潮河口。

1.2 降 雨

錢塘江流域杭州、金華、衢州、紹興地市多年平均降雨量分別為1 559 mm、1 518 mm、1 834 mm、1 488 mm，5—9月份汛期(梅汛、臺(tái)汛)分別占年降雨量的58%、57%、55%、58%[2]。杭州、金華、紹興汛期降雨主要集中5—9月份梅汛、臺(tái)汛期，衢州、安徽(新安江流域)汛期降雨主要集中在5—7月份梅汛期。汛期平均降雨量年際分布也不均，有時(shí)可達(dá)年平均降雨量的2倍及以上。降雨在表層土壤吸收飽和后直接匯流入河，進(jìn)入水庫、河道，我們稱作徑流。錢塘江流域有平原、山區(qū)、丘陵，地形和植被的不同導(dǎo)致徑流系數(shù)及徑流速度均有不同。

1.3 控制性水利工程

錢塘江流域通過修建大中型水庫，來削峰調(diào)蓄、防洪興利。目前，上游建有新安江、湖南鎮(zhèn)等大中型水庫75座，水庫控制流域面積的37%；總庫容達(dá)289 億m3，防洪總庫容25.1 億m3，防洪庫容占比8.7%，能有效調(diào)節(jié)的防洪庫容總體偏小。對(duì)流域性洪水有重要防洪作用的主要為新安江和湖南鎮(zhèn)兩座大型水庫，其余大中型水庫如橫錦、南江、碗窯、銅山源、白水坑、分水江水利樞紐、金蘭、沙畈等，位于各支流上，其主要的防洪對(duì)象為支流兩岸的城鎮(zhèn)、農(nóng)田，同時(shí)對(duì)干流防洪有一定的滯洪削峰和錯(cuò)峰作用。富春江水庫為日調(diào)節(jié)水庫，通過預(yù)泄超蓄有短時(shí)間錯(cuò)峰作用；分水江水利樞紐對(duì)分水江干流起控制作用，對(duì)富春江干流有錯(cuò)峰作用。

2 流域防洪

2.1 防洪原則

流域防洪常采取加固江河大堤、修建控制性水庫、興建分蓄洪工程等工程措施[3]，以及預(yù)測預(yù)報(bào)、防洪調(diào)度、預(yù)警避險(xiǎn)等非工程措施。

防洪調(diào)度需要掌握流域洪水調(diào)度的現(xiàn)狀、實(shí)時(shí)納蓄能力、流域降雨預(yù)報(bào)、徑流系數(shù)的規(guī)律、匯水速度變化、各段江道的行洪能力等要素，采取上“蓄”、中“行、避、滯”、下“泄”等措施。上“蓄”指控制性水庫本身的防洪標(biāo)準(zhǔn)、蓄水能力，實(shí)施水庫削峰措施。中“行”是依據(jù)下游防洪對(duì)象的防洪標(biāo)準(zhǔn)、區(qū)間流域的來水，采取補(bǔ)償調(diào)節(jié)措施，制訂行洪方案，即水庫的下泄流量加上區(qū)間來水，小于防洪控制點(diǎn)的安全下泄流量；“避”是指各支流由于降雨時(shí)空分布的不同，匯入干流的水量也不同，合理調(diào)度，采取避峰措施，讓洪峰錯(cuò)開，平穩(wěn)下泄；“滯”是充分利用開口堤、滾水堰等分蓄洪工程，在洪峰時(shí)使用，削減下泄洪峰流量。下“泄”指掌握河口江道容積、天文潮汐對(duì)洪水的頂托影響，分析河口防洪形勢，確定行洪能力。

2.2 防洪計(jì)算

2.2.1 計(jì)算步驟

從降雨到洪水防御計(jì)算步驟：氣象預(yù)報(bào)降雨量—計(jì)算徑流速度、徑流系數(shù)—計(jì)算水庫可蓄水量、泄洪調(diào)度方案—計(jì)算河道流量、行洪速度—與河道允許安全流量比較，如果滿足河道允許的安全流量，即可安全行洪；如果不滿足，則要啟用蓄滯洪區(qū)，進(jìn)行支流錯(cuò)峰再分析。如果滿足支流錯(cuò)峰條件，即可安全行洪，如不滿足支流錯(cuò)峰行洪，則要對(duì)不滿足地段重點(diǎn)巡視，必要時(shí)實(shí)施搶護(hù)。

2.2.2 確定降雨量

通過防洪減災(zāi)數(shù)字化平臺(tái)，根據(jù)各水庫集水面積中雨量站的實(shí)時(shí)降雨量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算面雨量。第一步確定該水庫雨量站分布，計(jì)算每個(gè)雨量站控制面積占總集水面積的比例系數(shù)，所有雨量站的總系數(shù)為1，每小時(shí)面雨量就是每個(gè)雨量站降雨量乘以相應(yīng)的系數(shù)之和。

在實(shí)際工作中，徑流系數(shù)的確定可通過水庫實(shí)時(shí)水位、水位與庫容相關(guān)性來計(jì)算來水量；由來水量計(jì)算每小時(shí)的流量，就能得到降雨量與入庫流量的相關(guān)性。通過歷次強(qiáng)降雨與入庫水量的相關(guān)性，就能得到該水庫的徑流系數(shù)、入庫水流速度。徑流系數(shù)還和前期土壤飽和程度有關(guān)，若前期降雨徑流系數(shù)小，后期降雨徑流系數(shù)就大，應(yīng)根據(jù)不同的降雨階段，建立相應(yīng)的修正系數(shù)。

2.2.3 行洪時(shí)間的確定

自上游向下游，干流河道上各控制站之間距離、河道坡降不同，其行洪時(shí)間也不同，當(dāng)支流有水匯入，也會(huì)影響干流行洪速度。各支流通過調(diào)度實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰避峰后，計(jì)算出主干河道的流量。經(jīng)歷次洪水分析得到常山站至衢州站河道長43 km，洪水時(shí)平均水面坡降0.49‰，行洪速度為2.65 m/s；衢州站至蘭溪站河道長82 km，洪水時(shí)平均水面坡降0.42‰，行洪速度為2.53 m/s；金華站至蘭溪站河道長23 km，洪水時(shí)平均水面坡降0.32‰，行洪速度為2.12 m/s。

2.2.4 安全流量的確定

建立每個(gè)控制站的流量與水位相關(guān)關(guān)系，由預(yù)測的流量來計(jì)算洪水位，由水位來判斷兩岸堤防的安全性。若行洪速度不同則進(jìn)行修正，速度越大，同流量下水位就越低，反之越大。控制站斷面由于疏浚、沖淤等有較大變化時(shí)，重新建立相關(guān)關(guān)系。

2.2.5 蓄滯洪的啟用

錢塘江干流按規(guī)劃留有開口堤與滾水堰。開口堤在堤防的上游按一定標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防，頭部以下堤防高度逐漸降低，尾部不建堤，洪水時(shí)從尾部慢慢淹入?yún)^(qū)內(nèi)滯納洪水，可防止洪水從堤防頭部進(jìn)入保護(hù)區(qū)毀壞農(nóng)田；洪水退后，保護(hù)區(qū)內(nèi)洪水及時(shí)從尾部開口處排出，是減少干流區(qū)域洪水損失，進(jìn)一步提高干流區(qū)的防洪能力的應(yīng)急措施。滾水堰是在封閉式堤防上選擇一段，將其設(shè)計(jì)成允許洪水漫溢的堰壩，堰頂高程與規(guī)劃防洪水位齊平，當(dāng)遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，洪水可從滾水堰溢入堤防保護(hù)區(qū)，這樣既可起到超標(biāo)準(zhǔn)洪水的滯洪作用，降低干流水位，保護(hù)重要城鎮(zhèn)安全，又可平衡兩側(cè)水位，起到保護(hù)堤防安全、減少水毀工程的作用。

錢塘江干流上開口堤與滾水堰的啟用[4]，要進(jìn)行綜合判斷來實(shí)施，應(yīng)在洪峰對(duì)下游堤防安全、保護(hù)區(qū)內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)等產(chǎn)生重大影響時(shí)使用，過早或過遲啟用，均會(huì)失去蓄滯洪的作用。

3 防御洪水實(shí)例

3.1 防御新安江洪水

3.1.1 基本情況

新安江水庫于1959年下閘蓄水，壩址以上控制集雨面積10 404 km2，水庫按萬年一遇洪水校核，庫容216.26 億m3，相應(yīng)洪水位114 m；設(shè)計(jì)正常高水位108 m時(shí)，蓄水量178.4 億m3。5—7月中旬梅汛期限制水位106.50 m，相應(yīng)庫容168.94 億m3。

流域近年發(fā)生多次洪水，如“99·7”洪水[5]、2011年6月洪水[6]、2017年“6·25”洪水[7]及2020年的7月洪水，其中2020年的錢塘江流域洪水梅雨期達(dá)50 d，比常年偏長28 d，歷經(jīng)了9輪強(qiáng)降雨過程，新安江流域處在梅雨帶強(qiáng)降水云團(tuán)影響核心區(qū)，累計(jì)面雨量達(dá)1 099.4 mm，是常年梅雨量的2.95倍。

3.1.2 防洪調(diào)度

錢塘江流域“20200707”洪水發(fā)生在第8輪強(qiáng)降雨期間，新安江水庫發(fā)生建庫61年以來最大洪水，入庫洪量最大，洪峰次高，同時(shí)出現(xiàn)了建庫以來最高水位108.39 m，入庫洪峰23 000 m3/s[8]。省水利廳充分利用錢塘江流域防洪減災(zāi)數(shù)字化平臺(tái)實(shí)施科學(xué)調(diào)度，堅(jiān)持“全過程監(jiān)測、全系統(tǒng)動(dòng)員、全流域調(diào)度”。自7月6日傍晚發(fā)布1號(hào)調(diào)度令“開閘泄洪”至14日下午第9號(hào)調(diào)度令“關(guān)閉泄洪閘”，經(jīng)歷9 d的9次調(diào)令(見表1)，調(diào)度歷時(shí)173 h，經(jīng)新安江水庫科學(xué)調(diào)度后，新安江白沙斷面洪峰控制在流域規(guī)劃要求的8 000 m3/s以內(nèi)，削峰率達(dá)66 %。如果沒有上游水庫的共同作用和科學(xué)調(diào)度，下游桐廬、富陽、杭州等地的洪水位將抬高2～3 m，流域防洪將面臨巨大壓力。

表1 新安江防御最大洪水調(diào)度情況表

3.1.3 降雨量分析

根據(jù)新安江水庫集水面積內(nèi)雨量站的分布，各雨量站的控制面積、實(shí)時(shí)降雨量計(jì)算面雨量，新安江水力發(fā)電廠在本次防洪中，提供了實(shí)時(shí)的水位、面雨量、出入庫流量等相關(guān)數(shù)據(jù)，為分析新安江洪水提供了條件。從7月2日0時(shí)開始降雨，至14日15時(shí)，累計(jì)降雨雨量482.6 mm(見表2)。

表2 新安江水庫水位、庫容、降雨量、出庫水量表

3.1.4 徑流系數(shù)的確定

通過水庫增加的庫容量、出庫水量計(jì)算入庫水量；再通過過程總降雨量、集雨面積，計(jì)算總降水量；入庫水量與總降水量比值即為徑流系數(shù)；通過實(shí)時(shí)徑流系數(shù)分析，可得到入庫水量的滯后性，強(qiáng)降雨時(shí)尤其明顯(見表3)。

表3 新安江水庫降雨徑流系數(shù)計(jì)算

7月2日00：00時(shí)開始降雨時(shí)水庫水位為104.56 m，相應(yīng)庫容為157.47 億m3，至14日15時(shí)，水庫水位為106.34 m，相應(yīng)庫容167.93 億m3，水庫增加庫容水量10.46 億m3，期間發(fā)電、泄洪實(shí)際總出庫水量為36.52 億m3，由此得到總?cè)霂焖繛?6.98 億m3；新安江水庫集水面積為10 404 km2，過程面雨量為482.6 mm，可計(jì)算出總降水量50.21 億m3。徑流系數(shù)為總?cè)霂焖?總降水量=0.94，即新安江水庫在錢塘江第8輪降雨中，徑流系數(shù)為0.94。

7月12日0時(shí)已停止降雨，當(dāng)時(shí)水庫水位為107.12 m，相應(yīng)庫容為172.85 億m3，較7月2日0時(shí)的157.47 億m3，增蓄水量15.38 億m3，累計(jì)實(shí)際出庫水量為30.31 億，則總?cè)霂焖繛?5.69 億m3，總降水量50.21 億m3，徑流系數(shù)為總?cè)霂焖?總降水量=45.69/50.21=0.91。而至7月14日15時(shí)產(chǎn)生的總?cè)霂焖?6.98 億m3，即降雨停止后，總?cè)霂炝坑衷黾?.29 億m3，說明徑流相對(duì)于降雨有一定的滯后性。

3.2 防御河口洪水

3.2.1 富春江水庫下泄流量

富春江大壩以下為錢塘江河口，其下泄流量直接關(guān)系到下游桐廬縣、杭州市富陽區(qū)、蕭山區(qū)、杭州市主城區(qū)堤防的安全。進(jìn)入梅汛后期，錢塘江流域已經(jīng)歷了7輪強(qiáng)降雨，錢塘江中上游水庫都在高水位運(yùn)行，留有的防洪庫容相當(dāng)小。第8輪強(qiáng)降雨先發(fā)生于新安江流域，再向金衢流域擴(kuò)延，7月9日13：30，衢州站出現(xiàn)洪峰，洪峰水位63.54 m，洪峰流量6 600 m3/s，為1998年以來最大洪水，加之蘭溪站到衢州站區(qū)間流量、金華江流量幾乎在同一時(shí)間遭遇，蘭溪站超過28 m的警戒水位，形成了錢塘江第2號(hào)洪水；經(jīng)水利廳研判，預(yù)計(jì)蘭溪站在9日22:00—23：00左右出現(xiàn)洪峰，流量超過8 000 m3/s。

為防御第2號(hào)洪水，省水利廳科學(xué)調(diào)度蘭江、新安江、分水江下泄流量，使三者錯(cuò)時(shí)避峰、削峰減峰。自9日19:00起，新安江水庫由9孔泄洪調(diào)到7孔泄洪，下泄流量(含發(fā)電)59 000 m3/s，新安江又削峰1 800 m3/s。9日22:05蘭溪站出現(xiàn)洪峰水位28.96 m，洪峰流量為8 260 m3/s，經(jīng)過3 h左右，洪峰在梅城與新安江下泄洪水交匯，進(jìn)入富春江。由于新安江有效的削峰，富春江水庫的最大入庫流量為15 100 m3/s，通過富春江水庫調(diào)度，其下泄流量控制最大為14 900 m3/s，接近10 a一遇洪水流量(15 240 m3/s)；此前桐廬分水江水庫也提前泄洪，出庫流量最大值4 010 m3/s，在富春江水庫洪峰到來時(shí)，分水江水庫停止泄洪。致使下游除桐州島、東州島、五豐島等江心島高灘及桐廬縣老縣城部分受淹外，未造成其它受淹現(xiàn)象，兩岸堤防安全。

3.2.2 過程洪水特性

富春江大壩以下至閘口洪水位取決于3個(gè)因素：一為江道沖淤引起的低水位，它是洪水到來前的基礎(chǔ)水位；二是洪水來時(shí)的水位增量；三是潮汐上溯頂托的影響?？梢苑执笮〕毕珌磉M(jìn)行分析，得出其低水位時(shí)，在不同流量下的洪水增水，再加高水位時(shí)潮汐頂托影響，最終得出桐廬、富陽、聞堰、閘口在洪水影響下可能出現(xiàn)的最高水位。錢塘江不是一個(gè)三面光的人工河道，不同洪水過程所對(duì)應(yīng)的河床、潮汐、上游下泄流量都是在變化的，是動(dòng)態(tài)的過程，需要我們深入分析，掌握其主要因素。

3.2.3 洪水影響因素

閘口以下江道地形對(duì)洪水位的影響計(jì)算，以平均江道為基準(zhǔn)，不利江道水位偏高，有利江道水位偏低，桐廬站較平均江道時(shí)洪水位相差0.1～0.2 m左右，富陽與聞家堰相差0.3～0.5 m左右。河口沙坎由易沖易淤的粉砂土組成，洪水過程沖刷沙坎，對(duì)沿程洪水位產(chǎn)生影響，同流量條件下，后期洪水位較前期洪水位低。澉浦潮汐對(duì)洪水位產(chǎn)生影響，澉浦高潮位越高，對(duì)洪水的頂托作用越大；上游影響小于下游，大流量影響小于小流量，低潮位區(qū)段影響小于高潮位區(qū)段。

4 結(jié)論和建議

4.1 加強(qiáng)錢塘江流域防洪減災(zāi)數(shù)字化平臺(tái)建設(shè)

錢塘江流域降水主要是梅雨和臺(tái)風(fēng)雨，流域上游洪水主要是由梅雨造成的，經(jīng)富春江水庫每年進(jìn)入河口的徑流平均為300 億m3，但年際分布不均，最大年份為平均的2倍以上，其中55%～60%的徑流集中于5—9月，洪水多發(fā)生在6月下旬到7月上旬。錢塘江洪水具有洪峰高、洪水量大、傳播速度快等情況，若遭遇梅期特別長、梅雨總量特別大、強(qiáng)降雨區(qū)域重疊、“多峰”等情況，梅雨洪水具有累積效應(yīng)，所帶來的防洪風(fēng)險(xiǎn)極大。建國以來，上游興修水庫，建有新安江、湖南鎮(zhèn)等大中型水庫75座，水庫控制流域面積的37%；總庫容達(dá)289 億m3，防洪總庫容25.1 億m3，防洪庫容占比8.7%，流域洪水雖已得到很大程度的控制，但能有效調(diào)節(jié)的防洪庫容總體偏小。應(yīng)利用錢塘江流域防洪減災(zāi)數(shù)字化平臺(tái)，實(shí)施科學(xué)調(diào)度，堅(jiān)持“全過程監(jiān)測、全系統(tǒng)動(dòng)員、全流域調(diào)度”，充分發(fā)揮水利工程防洪作用。

4.2 建立流域降雨與入庫增水量關(guān)系

由水庫集水面積內(nèi)的各雨量站、控制的集水面的權(quán)重、實(shí)時(shí)降雨量計(jì)算水庫實(shí)時(shí)面雨量；再通過水庫水位與庫容關(guān)系，由水庫水位變化量得到水庫增水量；由面雨量、增水量得到徑流系數(shù)，為預(yù)測預(yù)報(bào)洪水位提供技術(shù)參數(shù)。在新安江水庫集水流域內(nèi)，當(dāng)土壤達(dá)到飽和后，徑流系數(shù)為0.94左右；強(qiáng)降雨時(shí)徑流較降雨發(fā)生時(shí)間有一定滯后性，實(shí)時(shí)的徑流系數(shù)在0.8～0.9之間。建立流域降雨與入庫增水量關(guān)系，可為防洪調(diào)度奠定基礎(chǔ)。

4.3 建立干流河道流量與水位關(guān)系

通過歷年典型洪水的流量與水位資料，建立流量水位相關(guān)關(guān)系；對(duì)于只受洪水影響的單向流河段，如錢塘江中上游忂州、蘭溪等站，流量與水位呈正相關(guān)，可建立水位流量關(guān)系，由流量來預(yù)測水位；對(duì)錢塘江河口既受洪水又受潮汐影響的雙向流，如杭州聞家堰(之江站)水位與流量不一定呈正相關(guān)，往往在洪水流量與漲潮流量相等達(dá)到平衡時(shí)，出現(xiàn)高水位，可以通過歷年典型洪水資料結(jié)合現(xiàn)有實(shí)際江道容積進(jìn)行計(jì)算。通過干流河道各控制站點(diǎn)之間的行洪時(shí)間，來計(jì)算各站點(diǎn)洪水流量過程。當(dāng)流域降雨與增水量相關(guān)性確定后，實(shí)時(shí)了解河道各控制站點(diǎn)的過程流量，只有確定各站的行洪時(shí)間后，才能從上游向下游，將各控制站點(diǎn)的流域?qū)崟r(shí)降雨量換算成實(shí)時(shí)的來水量(流量)，通過流量與水位相關(guān)性，就能預(yù)報(bào)洪水位從而為后續(xù)調(diào)洪方案的制訂奠定基礎(chǔ)。

4.4 按泄洪流量確定新安江堤防標(biāo)準(zhǔn)

新安江的堤防設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，不能用重現(xiàn)期的洪水標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。因新安江建庫后，新安江河道的水位由泄洪來確定，沒有重現(xiàn)期概念，應(yīng)按泄洪流量來確定堤防標(biāo)準(zhǔn)。新安江水庫本次下泄流量達(dá)到歷史最高值，在水庫歷史最高水位108.39 m，開啟九孔泄洪閘，最大泄洪流量6 500 m3/s加滿發(fā)電流量1 200 m3/s，即7 700 m3/s。這次泄洪也全面暴露了沿線堤防存在的問題，建議結(jié)合洪水過后的堤防受淹調(diào)查，有針對(duì)性地對(duì)薄弱環(huán)節(jié)采取工程措施或預(yù)防措施。同時(shí)，根據(jù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需求變化，對(duì)新安江水庫功能調(diào)整為“以防洪、供水為主，結(jié)合發(fā)電等綜合利用”，在控制運(yùn)行計(jì)劃中，盡可能降低新安江水庫的起調(diào)水位，加大防洪庫容；在遭遇洪水時(shí)提前下泄，以免大流量泄洪對(duì)下游帶來影響。

4.5 及時(shí)修正影響預(yù)報(bào)的因素

錢塘江河口的洪水預(yù)報(bào)需綜合考慮各種因素。河口洪水主要受富春江大壩泄洪、下游分水江、浦陽江支流的流量影響，但又受洪水過程、杭州閘口以下江道地形、澉浦潮位的變化的影響。杭州閘口以下有利江道(大容積)洪水位較低；澉浦天文小潮比天文大潮有利，低潮位時(shí)洪水較低。在進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況修正各種因素，以獲取比較精準(zhǔn)的預(yù)報(bào)結(jié)果。