“十四五”時(shí)期淮河洪澇治理若干問題探討

倪 晉，余彥群

(1.安徽省-水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院水利水資源安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蚌埠 233000;2.中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司，安徽 合肥 230601)

新中國大規(guī)模的治水事業(yè)是從淮河起步的，為了控制水患，全流域興建了2.8萬座水庫閘壩、6.5萬余座大小泵站、6.3萬km的各級(jí)堤防，從根本上改變了歷史上多災(zāi)低產(chǎn)的狀況，初步形成了兼具防洪、除澇、灌溉、供水等功能的工程體系，減災(zāi)興利能力顯著提高。但是，淮河的洪澇問題還遠(yuǎn)未得到根治，尤其是中游地區(qū)，災(zāi)情更為嚴(yán)重。2003、2007年及剛剛經(jīng)歷的2020年洪水表明，干流長時(shí)間持續(xù)高水位、支流排水不暢、洼地“關(guān)門淹”等問題依然十分突出。

造成這一被動(dòng)局面的原因是多方面的：首先是南北過渡帶的地理位置決定了天氣易變、暴雨多發(fā)，而平坦廣闊的地形條件又使得地表水的流動(dòng)性很弱，降雨不能被迅速排走；再有就是歷史上黃河奪淮淤廢淮河尾閭，造成了兩頭翹、鍋底洼的畸形縱剖面。這些特殊的氣候、地理及歷史條件，再加上河道自身過水?dāng)嗝鎳?yán)重不足，導(dǎo)致淮北平原及大片沿淮洼地長期飽受洪水威脅，極易泛濫成災(zāi)。更為嚴(yán)重的是，隨著氣候持續(xù)變暖、人類社會(huì)干擾日益頻繁，流域洪澇防御的復(fù)雜性和難度將更為突出。

當(dāng)前，我國正昂首邁向全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國家新征程?；春拥暮闈硢栴}事關(guān)國家的糧食安全、能源安全和人民財(cái)產(chǎn)安全，是促進(jìn)中部崛起戰(zhàn)略實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。2020年8月，習(xí)近平總書記在淮河王家壩閘視察時(shí)強(qiáng)調(diào)，要把治理淮河的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)好，認(rèn)真謀劃“十四五”時(shí)期淮河治理方案。為此，針對(duì)淮河防洪除澇體系存在薄弱環(huán)節(jié)和治理需求，深入探討了需要進(jìn)一步研究的關(guān)鍵科技問題，供有志于該領(lǐng)域研究的學(xué)者參考。

1 基本規(guī)律研究

1.1 變化環(huán)境下的洪澇加劇機(jī)理

變化環(huán)境涉及氣候變化和人類活動(dòng)兩個(gè)方面。根據(jù)政府間氣候變化專業(yè)委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)第五次評(píng)估報(bào)告的研究，從1880年到2012年，全球地表平均溫度大約升高了0.85℃，氣候變暖已是無可爭辯的事實(shí)。淮河流域變暖的速率略高于全球平均水平，1961—2010年間，大別山區(qū)和淮河中游年平均氣溫升高了0.90℃，升溫速率約0.18℃/10a。在流域升溫的背景下，降雨時(shí)空分布更趨不均，極端降雨的強(qiáng)度、頻次總體呈增加趨勢。另一方面，大規(guī)模的人類活動(dòng)，也改變了流域下墊面的物理特性，進(jìn)而引起產(chǎn)匯流機(jī)制的調(diào)整變化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1980年代末至2008年期間，淮河流域的耕地減少了35.15萬hm2，而城鄉(xiāng)工礦及居民用地?cái)U(kuò)張了39.38萬hm2。城鎮(zhèn)面積所占比例顯著增加，加之大規(guī)模水利水保工程的建設(shè)，對(duì)入滲、蒸散、產(chǎn)流、匯流等分項(xiàng)水文過程產(chǎn)生了重要影響，使得洪澇形成及演化機(jī)理更為復(fù)雜。

氣溫升高引起汛期極端強(qiáng)降雨趨多增強(qiáng)，不透水面積增加、面上排水溝及支流的治理又使得產(chǎn)流增加、匯流加快、洪峰增大、預(yù)見期縮短。致災(zāi)因子和孕災(zāi)環(huán)境同時(shí)發(fā)生變化，流域整體洪澇風(fēng)險(xiǎn)呈升級(jí)趨勢。因此，未來對(duì)洪澇的治理應(yīng)充分考慮變化環(huán)境的影響，識(shí)別各種變化行為對(duì)洪澇成災(zāi)過程的作用機(jī)制，如流域升溫與暴雨特性的關(guān)系、下墊面格局演變與產(chǎn)匯流特性的關(guān)系、河道整治與水流動(dòng)力條件的關(guān)系、泵站排澇對(duì)河道洪水過程的影響等。在單因子分析的基礎(chǔ)上，評(píng)估預(yù)測氣候變化與頻繁人類活動(dòng)干擾對(duì)洪水強(qiáng)度、頻率和時(shí)空遭遇的影響，復(fù)核現(xiàn)有洪澇防御標(biāo)準(zhǔn)的可靠性以及洪與澇之間的協(xié)調(diào)性，為積極應(yīng)對(duì)變化環(huán)境帶來的風(fēng)險(xiǎn)、適時(shí)調(diào)整治淮策略提供參考。

1.2 沙量銳減下的河床響應(yīng)及調(diào)整機(jī)制

淮河來沙減少已被多項(xiàng)研究證實(shí)。流域眾多的閘壩工程、持續(xù)的水土保持措施以及高強(qiáng)度的人工采砂是泥沙減少的主因，而且這種變化大概率是不可逆的。未來短時(shí)間內(nèi)，淮河干流主要測站的年均含沙量基本維持0.2kg/m3以下，很難恢復(fù)到20世紀(jì)80年代以前的輸沙水平。

沙量銳減、挾沙能力不飽和使淮河處于“缺沙”的狀態(tài)，進(jìn)而引起河湖沖淤演變發(fā)生一系列的調(diào)整。近40年來，淮河主要的堆積區(qū)——王家壩至魯臺(tái)子段、入湖河段及洪澤湖湖區(qū)，淤積明顯減輕；原本沖淤平衡或微沖的區(qū)域——魯臺(tái)子至蚌埠段、蚌埠至浮山段，發(fā)生持續(xù)沖刷，而且由于近岸深泓下切、邊坡變陡，河岸崩塌蝕退的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，給防洪、航運(yùn)及岸線的利用造成了很大的影響。

目前，淮河干流的水沙搭配關(guān)系已逐漸趨于穩(wěn)定，但由于河床演變的滯后性，河道將通過較長時(shí)間的調(diào)整才能達(dá)到新的平衡，未來河勢調(diào)整的方向、速率和方式需要進(jìn)行深入研究。其中，浮山以下的入湖河段是研究的重點(diǎn)，該段連接了上游河道沖刷段與下游湖區(qū)淤積段，來沙減少導(dǎo)致的自上而下的沿程沖刷與洪澤湖自下而上的溯源淤積交織在一起，必然對(duì)倒比降的發(fā)展、甚至河湖關(guān)系的調(diào)整產(chǎn)生影響。另一個(gè)重點(diǎn)是六坊堤分汊段。觀測表明，該段南汊超河發(fā)生長距離長時(shí)段的沖刷，北汊則淤積加重、斷面萎縮。有必要針對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的水沙分配、兩汊的沖淤演變及防洪情勢的變化進(jìn)行跟蹤研究，以便為制定河道治理方案、優(yōu)化工程布置提供依據(jù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

2.1 流域水文模型

水文模型是描述水文現(xiàn)象和水文過程的有效工具。從洪水預(yù)報(bào)到更長時(shí)間尺度的水文情勢預(yù)測，都離不開水文模型的模擬與仿真。經(jīng)過多年的發(fā)展，在淮河流域已構(gòu)建了很多簡便實(shí)用的概念性水文模型，有的以成熟的新安江模型為基礎(chǔ)，有的基于淮北平原淺水蒸發(fā)、入滲補(bǔ)給的特點(diǎn)開發(fā)而成，如汾泉河模型、谷河模型、五道溝模型等。這類模型主要用于解決水文預(yù)報(bào)問題，其產(chǎn)匯流參數(shù)均根據(jù)實(shí)測資料反復(fù)校正的結(jié)果，在量化人類各種行為的影響方面，存在一定的局限性。

動(dòng)力學(xué)模型具有較強(qiáng)的物理機(jī)制，能更好地描述氣候變化、土地利用、水土保持、水利工程、社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水等因子對(duì)水循環(huán)過程的影響，具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。正是由于這一優(yōu)勢，過去10年內(nèi)SHE模型、SWAT模型在淮河流域獲得了一些應(yīng)用。但由于空間尺度較大，各集水單元的土壤類型、河網(wǎng)密度、匯流特性、排澇工程現(xiàn)狀又存在一定的差異，不僅建模時(shí)需要大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，模型建成后的參數(shù)率定也十分困難。實(shí)際上，這類外來模型在參數(shù)的本土化方面還有很多工作要做。

一種較為實(shí)用的途徑，是將兩種模型方法相結(jié)合。一方面以動(dòng)力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，充分利用GIS和RS技術(shù)提供的空間信息，體現(xiàn)下墊面差異；另一方面，適當(dāng)引入一些本地化的方法和經(jīng)驗(yàn)關(guān)系對(duì)特定環(huán)節(jié)的水文過程進(jìn)行概化。這一思路源于概念性模型在除澇水文分析的一次應(yīng)用嘗試。實(shí)踐表明，上述針對(duì)流域特點(diǎn)開發(fā)的簡化模型，目前仍具有很高的理論和應(yīng)用價(jià)值。

2.2 河網(wǎng)水沙數(shù)學(xué)模型

作為探究河床演變規(guī)律、模擬工程治理效果、優(yōu)化整治方案的有效工具，水沙數(shù)學(xué)模型具有重要的地位。通過自主研發(fā)，在淮河中游已建有干支流河網(wǎng)水沙數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用于王臨段、蚌浮段等河道治理的工程實(shí)踐中?？傮w來看，該模型基本能夠給出復(fù)雜水情、工情條件下的洪水運(yùn)動(dòng)情況，也能夠?qū)哟驳目v向調(diào)整、水位的長期變化、主支汊的興衰進(jìn)行預(yù)測。但是，隨著治淮工程的持續(xù)推進(jìn)，上述模型在功能和精度上已不能滿足要求，迫切需要進(jìn)一步發(fā)展完善。

一是模型精度的提升。模型是否可靠取決于計(jì)算方法的恰當(dāng)和參數(shù)取值的合理。從方法上講，該模型建立在非均勻沙不平衡輸沙理論的基礎(chǔ)之上，考慮的因素較為全面。但限于資料條件，部分參數(shù)取值帶有經(jīng)驗(yàn)性。其中，恢復(fù)飽和系數(shù)、挾沙能力指數(shù)直接參考了長江、漢江等少沙河流的推薦值，河床的糙率也沒有考慮沖淤變形、級(jí)配調(diào)整的影響，存在很多值得改進(jìn)的地方。因此，加強(qiáng)對(duì)淮河泥沙的原型觀測、揭示非均勻沙輸移機(jī)理及阻力變化特性是十分必要的，這是提高模型計(jì)算精度的基礎(chǔ)。

二是模型功能的完善。一維模型僅能得到水沙因子的斷面平均值，而二維模型可以直接計(jì)算沖淤在平面上的分布，也能對(duì)淮河特有的行洪區(qū)等大面積水域進(jìn)行較好的模擬，反映更多的細(xì)節(jié)。因此，在今后的工程優(yōu)化布置及航道問題的處理上，將更多地用到二維模型。目前，二維水沙模型已廣泛應(yīng)用于長江、黃河的治理與保護(hù)中，三維模型也可以解決一些實(shí)際問題。但受制于淮河河床演變基本理論發(fā)展水平，這方面的計(jì)算成果還比較少見。未來可以在合肥、蚌埠兩地的淮河試驗(yàn)研究中心，開展一些典型河段動(dòng)床試驗(yàn)研究，突破挾沙力橫向分布、彎曲河段橫向輸沙及河岸變形等關(guān)鍵問題，構(gòu)建符合淮河自身特點(diǎn)的二維水沙輸移的計(jì)算模式。在此基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)一步研發(fā)水-沙-岸坡受力為一體的耦合模型，預(yù)測未來重點(diǎn)險(xiǎn)段出險(xiǎn)情況，減少崩岸帶來的影響和危害。

3 治理措施探討

經(jīng)過近70年的建設(shè)，淮河干流上游防洪標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)到10年一遇以上，中游主要防洪保護(hù)區(qū)、重點(diǎn)城市及下游洪澤湖大堤的防洪標(biāo)準(zhǔn)均提到100年一遇，具備了抗御建國以來最大洪水的能力。但在中小洪水年份，由于河道泄流能力不足，面上排水系統(tǒng)除澇標(biāo)準(zhǔn)偏低等因素，沿淮大面積的低洼地仍經(jīng)常出現(xiàn)“關(guān)門淹”的現(xiàn)象?！笆奈濉逼陂g，需要把中小洪水治理放在與大洪水治理同等重要的位置，變“洪澇分治”為“洪澇共治”，補(bǔ)短板強(qiáng)監(jiān)管，謀劃一批基礎(chǔ)性、樞紐性、流域性的重大工程，進(jìn)一步完善現(xiàn)有防洪除澇體系。

3.1 洪澇共治

淮河的洪澇防御體系由各自獨(dú)立排水系統(tǒng)構(gòu)成，兩者防御的對(duì)象不同、采取的措施也不同。傳統(tǒng)的治理模式很少考慮兩者之間的聯(lián)系，面上各級(jí)排水溝渠的治理以《淮河流域重點(diǎn)平原洼地除澇規(guī)劃》為依據(jù)，干支流河道治理以《淮河流域防洪規(guī)劃》為依據(jù)。這種“洪澇分治”的模式常常是按下葫蘆浮起瓢，存在洪澇風(fēng)險(xiǎn)相互轉(zhuǎn)移的弊端。2020年洪水期間，淮干王家壩、潤河集、正陽關(guān)超保證水位，汪集、小柳巷站水位超歷史極值。事后總結(jié)發(fā)現(xiàn)，除了降雨強(qiáng)度大、暴雨集中外，還有支流整治后來水加快、沿淮排澇站能力提升等因素。過去一到汛期，淮河上常常出現(xiàn)因洪致澇的現(xiàn)象。隨著面上排澇標(biāo)準(zhǔn)逐步提高，因澇致洪的問題已開始顯現(xiàn)。

淮河的洪澇從來都是相互影響，互為轉(zhuǎn)化的。往往有洪水的地方就會(huì)產(chǎn)生澇災(zāi)，而面上匯集的澇水排至干支流河道中就形成了洪水，洪水量級(jí)的多寡、水位的高低又直接影響了面上的排澇。今后應(yīng)將防洪與排澇納入到一個(gè)治理體系中，統(tǒng)一規(guī)劃，綜合考慮。既要降低干流水位、縮短高水位歷時(shí)，為澇水排出創(chuàng)造條件，又要盡量減少澇區(qū)治理對(duì)下游的影響和沖擊，實(shí)現(xiàn)從源頭到面上各級(jí)排水溝渠、再到干支流河網(wǎng)的全鏈條系統(tǒng)治理。在洪澇共治過程中，厘清干支流的互饋關(guān)系、提出防洪與排澇相適宜的治理標(biāo)準(zhǔn)是核心問題。

3.2 工程與非工程措施

以治淮70年形成的防洪工程體系為基礎(chǔ)，繼續(xù)堅(jiān)持蓄泄兼籌的治淮方針，通過上攔、中擴(kuò)、下排等組合措施對(duì)流域的防洪除澇能力進(jìn)行全方位升級(jí)。針對(duì)上游山谷水庫控制面積小，攔蓄能力不足的問題，加快推進(jìn)竹竿何張灣水庫、潢河袁灣水庫的前期研究，盡量減少大別山洪水進(jìn)入淮干的水量；針對(duì)中游行洪區(qū)眾多、河道阻水的問題，研究適宜的河道疏浚規(guī)模和斷面型式，繼續(xù)對(duì)淮河干流的行蓄洪區(qū)進(jìn)行調(diào)整；針對(duì)浮山以下倒比降及洪澤湖出路不足的問題，盡快完成馮鐵營引河、入海水道二期等骨干工程(圖1)的前期研究，并爭取在“十四五”期間開工建設(shè)。實(shí)際上，這兩處工程前前后后已論證了近10年，工程的作用和影響都已經(jīng)比較清楚。需要補(bǔ)充研究的是，如何維持老流路的穩(wěn)定和暢通。畢竟在現(xiàn)有的規(guī)劃中，新開辟的流路都是輔助性的分洪措施，沒有改變淮河先入湖再入江的基本格局。近年來，有學(xué)者認(rèn)為“河湖分離”才是淮河洪澇的治本之道。這種設(shè)想是否具備現(xiàn)實(shí)可操作性，還有待于充分地研究和論證。

圖1 馮鐵營引河及入海水道二期工程布置

除了以上點(diǎn)線工程之外，還需要在洪澇共治的體系下，研究不同類型洼地的治理對(duì)策。對(duì)于淮北平原的洼地，研究自排、抽排、流動(dòng)站相結(jié)合的排水方式，研究面上除澇配套工程的布局和規(guī)模，分析增設(shè)泵站的數(shù)量、規(guī)模和位置；對(duì)于淮南支流洼地，研究崗畈高地分流，實(shí)現(xiàn)高水高排的措施及方案。除此之外，還可研究湖泊洼地增加蓄水，易澇地區(qū)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，發(fā)展?jié)竦亟?jīng)濟(jì)的可行性。

對(duì)洪澇災(zāi)害進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警是防洪減災(zāi)體系中必不可少的非工程措施。2020年淮河防汛雖然取得了重大勝利，但也暴露出預(yù)報(bào)預(yù)測與實(shí)際情況偏差較大等問題。未來應(yīng)加強(qiáng)洪澇災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警及應(yīng)急技術(shù)的研究。在拓展水文站網(wǎng)建設(shè)的基礎(chǔ)上，將Gis技術(shù)與高精度水文水動(dòng)力模型相結(jié)合，將災(zāi)情評(píng)估與防洪調(diào)度的優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建洪澇智能分析與決策支持系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測、洪澇淹沒模擬、災(zāi)情損失評(píng)估、預(yù)報(bào)預(yù)警及應(yīng)急決策的一體化，為洪澇預(yù)警和水工程群聯(lián)合調(diào)度提供更可靠的技術(shù)支撐。

4 結(jié)語

淮河防洪除澇是一個(gè)長期、復(fù)雜的過程。在治理過程中，應(yīng)遵循自然科學(xué)規(guī)律，加強(qiáng)對(duì)治淮重大關(guān)鍵問題的研究，實(shí)現(xiàn)以科技創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)科學(xué)治淮。建議從機(jī)理上識(shí)別流域升溫與強(qiáng)人類活動(dòng)耦合作用下的洪澇加劇規(guī)律，揭示沙量銳減背景下河床調(diào)整的機(jī)制；從技術(shù)上研發(fā)簡便實(shí)用的分布式水文模型，改進(jìn)水沙模擬方法及模型體系；在防治對(duì)策方面，要堅(jiān)持洪澇一體化系統(tǒng)治理，綜合運(yùn)用工程與非工程措施，優(yōu)化防洪除澇工程的整體布局，增強(qiáng)監(jiān)測預(yù)報(bào)預(yù)警及工程調(diào)度的精準(zhǔn)性，為構(gòu)建更加完備的防洪安全保障體系提供堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。