蚌埠閘蓄水位抬高對(duì)抗旱減災(zāi)的影響研究

馬苗苗 管佳佳 李江龍 邢智慧 梁 珂 王立軍 侯明月

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，北京 100038；3.安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，合肥 230088；4.安徽省淮河河道管理局，蚌埠 233000；5.中國(guó)國(guó)際工程咨詢有限公司農(nóng)村經(jīng)濟(jì)與地區(qū)業(yè)務(wù)部，北京 100048；6.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083）

0 引 言

蚌埠閘樞紐工程是一座具有防洪、蓄水灌溉、航運(yùn)、發(fā)電、供水等綜合效益的大型樞紐工程，其主要作用為壅高淮河中游的干流水位，從而利于沿淮及淮北平原農(nóng)田灌溉，提高船舶通航能力，同時(shí)利用壅水落差及剩余泄量發(fā)電。多年來(lái)，蚌埠閘正常蓄水位控制在17.5～18.0 m，但隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，淮河流域水資源短缺問(wèn)題日益突出，現(xiàn)有的水資源已不能滿足當(dāng)?shù)氐挠盟枨?，尤其是干旱年份，需要迫切深入挖掘蚌埠閘工程蓄水功能。開展蚌埠閘抬高蓄水位研究，對(duì)于緩解區(qū)域干旱缺水壓力，改善淮河干流生態(tài)環(huán)境，最大限度地發(fā)揮工程效益具有重要意義。

本文從抗旱減災(zāi)的角度，深入分析蚌埠閘蓄水位抬高前和抬高后的旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)降低程度，并剖析蓄水位抬高后的4 種不同蓄水方案所帶來(lái)的影響，最終為蚌埠閘蓄水位抬高以及方案優(yōu)選提供參考依據(jù)。

1 區(qū)域概況及數(shù)據(jù)收集

蚌埠閘位于淮河中游，在蚌埠市西郊，距蚌埠市約6 km，距中上游的淮河臨淮崗洪水控制工程約230 km，距下游洪澤湖250 km。蚌埠閘樞紐工程設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇，閘上流域面積12.1萬(wàn)km2，整個(gè)樞紐由28孔節(jié)制閘、12 孔新節(jié)制閘、雙線船閘、水電站、分洪道、3.37 km堤防組成，同時(shí)興建溢流堰1 座，堰頂高程18.7 m。鑒于蚌埠閘蓄水位的抬高主要影響的是蚌埠市和淮南市，因此重點(diǎn)針對(duì)蚌埠市和淮南市進(jìn)行旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估及分析。

本文收集了歷史長(zhǎng)序列降雨數(shù)據(jù)（1956-2010年）、抗旱統(tǒng)計(jì)上報(bào)數(shù)據(jù)（1990-2010 年）、抗旱規(guī)劃數(shù)據(jù)、歷史旱災(zāi)調(diào)查數(shù)據(jù)、水資源第二次調(diào)查數(shù)據(jù)（1956-2010年）、《中國(guó)水資源公報(bào)》數(shù)據(jù)等。由于涉及水資源供需水量平衡計(jì)算，收集了當(dāng)?shù)氐纳?、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生態(tài)等多類型的用水情況，以及需水計(jì)算所需要的人口分布情況、用水定額等。

2 研究方法

分析蚌埠閘蓄水位抬高對(duì)抗旱減災(zāi)的影響，重點(diǎn)關(guān)注4 種蓄水位抬高方案（方案1 蓄水位18.3 m、方案2 蓄水位18.5 m、方案3蓄水位18.7 m、方案4蓄水位19.0 m）對(duì)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的降低程度。鑒于引江濟(jì)淮工程與蚌埠閘蓄水的依存關(guān)系，分為引江濟(jì)淮工程實(shí)施前和實(shí)施后兩種情況進(jìn)行供需水量的平衡計(jì)算，確定相應(yīng)的缺水量和缺水率，預(yù)估蚌埠閘多種蓄水位方案對(duì)抗旱的影響，分析其干旱緩解的程度。具體技術(shù)路線如圖1所示，其步驟如下：①基于引江濟(jì)淮前和濟(jì)淮后供需水量數(shù)據(jù)，分別計(jì)算原蓄水方案（蓄水位18.0 m）以及4種蓄水位抬高方案調(diào)整后的缺水率，并根據(jù)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)閾值劃分標(biāo)準(zhǔn)（表1），確定不同方案下逐年的旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。②分析不同干旱頻率下（2年一遇、5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇、100年一遇）各縣（市、區(qū)）的旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，統(tǒng)計(jì)各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)出現(xiàn)的次數(shù)，并與原蓄水方案帶來(lái)的旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行對(duì)比，探求4種蓄水位抬高方案對(duì)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的降低程度。③從抗旱減災(zāi)的角度，對(duì)比分析4種不同蓄水位方案對(duì)抗旱減災(zāi)的影響，確定較優(yōu)的蓄水方案。

圖1 技術(shù)路線

表1 旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)閾值表

3 結(jié)果分析

3.1 引江濟(jì)淮工程實(shí)施前多種蓄水位抬高方案對(duì)抗旱減災(zāi)的影響

對(duì)引江濟(jì)淮工程實(shí)施前的供需水量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別計(jì)算出原蓄水方案下的缺水率以及4 種蓄水位抬高方案調(diào)整后的缺水率。圖2 是引江濟(jì)淮工程實(shí)施前，1956-2010 年不同蓄水位抬高方案下逐年缺水率變化情況。各蓄水位抬高方案的缺水率年際變化波動(dòng)較大，呈現(xiàn)周期性起伏變化，尤其是1966-1967年的缺水率達(dá)到多年最大波峰值，1958-1959年、1977-1979年、1995年、2000年的缺水率也處于較高的數(shù)值。蚌埠閘蓄水位抬得越高，則缺水率就越低，在嚴(yán)重干旱的年份尤為突出，充分說(shuō)明蚌埠閘水位抬高對(duì)當(dāng)?shù)厝彼疇顩r起到調(diào)節(jié)作用。

圖2 引江補(bǔ)淮工程實(shí)施前不同蓄水位抬高方案下逐年缺水率變化過(guò)程圖

從旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的角度分析，將各蓄水位抬高方案出現(xiàn)低風(fēng)險(xiǎn)、中低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、中高風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)的年份次數(shù)分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并與原蓄水方案帶來(lái)的旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行對(duì)比，探求4種蓄水位抬高方案對(duì)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的降低程度，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖3。當(dāng)蚌埠閘蓄水位抬升的越高時(shí)，低風(fēng)險(xiǎn)年份出現(xiàn)的次數(shù)呈增大趨勢(shì)，中低、中高和高風(fēng)險(xiǎn)年份出現(xiàn)的次數(shù)呈減小趨勢(shì)，說(shuō)明蚌埠閘蓄水位抬高有降低干旱影響的作用。從降低中、中高、高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)出現(xiàn)的頻率看，方案3 和方案4 旱災(zāi)高風(fēng)險(xiǎn)值出現(xiàn)的次數(shù)明顯降低，方案1 和方案2 高風(fēng)險(xiǎn)值出現(xiàn)次數(shù)無(wú)變化；而方案2 和方案3 中高風(fēng)險(xiǎn)值出現(xiàn)的次數(shù)明顯降低，說(shuō)明蓄水位抬高對(duì)降低嚴(yán)重干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)起作用。

圖3 引江補(bǔ)淮工程實(shí)施前各蓄水位抬高方案在不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)的年份個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

從不同干旱頻率下蓄水位抬高方案對(duì)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的影響角度進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見表2。發(fā)現(xiàn)在遭遇100 年一遇和50 年一遇的干旱時(shí)，4 種蓄水位抬高方案不能降低當(dāng)?shù)氐暮禐?zāi)風(fēng)險(xiǎn)，仍處于高風(fēng)險(xiǎn)中；在遭遇20年一遇的干旱時(shí)，方案3 和方案4 將旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)由高風(fēng)險(xiǎn)降到中高風(fēng)險(xiǎn)；在遭遇10年一遇干旱時(shí)，方案3和方案4將旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)由中高風(fēng)險(xiǎn)降到中風(fēng)險(xiǎn)；在遭遇5 年一遇干旱時(shí)，方案2、方案3 和方案4 將旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)由中高風(fēng)險(xiǎn)降到中風(fēng)險(xiǎn)；在遭遇2 年一遇干旱時(shí)，方案3和方案4將旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)由中低風(fēng)險(xiǎn)降到低風(fēng)險(xiǎn)。

表2 不同干旱重現(xiàn)期下蓄水位抬高方案對(duì)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的影響

綜合考慮抗旱成本和效益產(chǎn)出比，引江濟(jì)淮工程實(shí)施前，方案2 和方案3 對(duì)于緩解中度和嚴(yán)重干旱災(zāi)害效果較好，方案較優(yōu)，能較大程度上緩解旱情。

3.2 引江濟(jì)淮工程實(shí)施后多種蓄水位抬高方案對(duì)抗旱減災(zāi)的影響

對(duì)引江濟(jì)淮工程實(shí)施后的供需水量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別計(jì)算出原蓄水方案下的缺水率以及4種蓄水位抬高方案調(diào)整后的缺水率。圖4 是引江濟(jì)淮工程實(shí)施后，1956-2010 年不同蓄水位抬高方案下逐年缺水率變化情況。各蓄水位抬高方案的缺水率年際變化波動(dòng)較大，呈現(xiàn)周期性起伏變化，尤其是1966-1967年的缺水率達(dá)到多年最大波峰值，1958-1959 年、1977 年、1982 年的缺水率也處于較高的數(shù)值。結(jié)果顯示，隨著蓄水位的抬高，缺水率在逐漸減小，在嚴(yán)重干旱的年份尤為突出。

圖4 引江濟(jì)淮工程實(shí)施后不同蓄水位抬高方案下逐年缺水率變化過(guò)程圖

從旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)角度分析，考慮引江濟(jì)淮工程實(shí)施后，對(duì)各蓄水位抬高方案出現(xiàn)低風(fēng)險(xiǎn)、中低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、中高風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)的年份次數(shù)分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并與原蓄水方案帶來(lái)的旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行對(duì)比，探求4種蓄水位抬高方案對(duì)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的降低程度，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖5。當(dāng)蚌埠閘蓄水位抬升的越高時(shí)，低風(fēng)險(xiǎn)年份出現(xiàn)的次數(shù)呈增大趨勢(shì)，中低、中、中高、高風(fēng)險(xiǎn)年份出現(xiàn)的次數(shù)呈減小趨勢(shì)，說(shuō)明蚌埠閘蓄水位抬高有降低干旱影響的作用。從降低中、中高、高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)出現(xiàn)的頻率看，4 種蓄水位抬高方案將高風(fēng)險(xiǎn)值出現(xiàn)的次數(shù)降低到1 個(gè)；而中高風(fēng)險(xiǎn)值出現(xiàn)的次數(shù)在方案1 和方案2中降低到3 個(gè)，方案3 和方案4 中降低到2 個(gè)，說(shuō)明蓄水位抬高對(duì)嚴(yán)重干旱災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)有降低作用；同時(shí)，中風(fēng)險(xiǎn)和中低風(fēng)險(xiǎn)值出現(xiàn)的次數(shù)在逐步降低，表明蓄水位抬高對(duì)中度和輕度干旱災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)有降低和緩解的作用。綜合考慮抗旱成本和效益產(chǎn)出比，方案1和方案2較優(yōu)，對(duì)于緩解中度和嚴(yán)重干旱災(zāi)害效果較好，可滿足緩解旱情的實(shí)際需要。

圖5 引江濟(jì)淮工程實(shí)施后各蓄水位抬高方案在不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)的年份個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

在引江濟(jì)淮工程實(shí)施后，從不同干旱頻率下蓄水位抬高方案對(duì)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的影響角度進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見表3。在遭遇100 年一遇和50 年一遇的干旱時(shí)，4 種蓄水位抬高方案都不能降低當(dāng)?shù)氐暮禐?zāi)風(fēng)險(xiǎn)，仍處于高風(fēng)險(xiǎn)中；在遭遇20 年一遇的干旱時(shí)，4 種蓄水位抬高方案都能將旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)由高風(fēng)險(xiǎn)降到中風(fēng)險(xiǎn)；在遭遇10 年一遇干旱時(shí)，4 種蓄水位抬高方案都將旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)由中高風(fēng)險(xiǎn)降到中風(fēng)險(xiǎn)；在遭遇5 年一遇干旱時(shí)，4 種蓄水位抬高方案都將旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)由中風(fēng)險(xiǎn)降到中低風(fēng)險(xiǎn)；在遭遇2 年一遇干旱時(shí)，方案2 至方案4 將旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)由中低風(fēng)險(xiǎn)降到低風(fēng)險(xiǎn)。

表3 不同干旱重現(xiàn)期下蓄水位抬高方案對(duì)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的影響

綜上所述，基于引江濟(jì)淮工程實(shí)施前的供需水量數(shù)據(jù)，方案2和方案3較優(yōu)；而基于引江濟(jì)淮工程實(shí)施后的供需水量數(shù)據(jù)，方案1和方案2較優(yōu)。因此，方案2無(wú)論在引江濟(jì)淮工程實(shí)施前還是實(shí)施后，整體效果較優(yōu)。

4 結(jié)論與展望

分析了蚌埠閘蓄水位抬高對(duì)抗旱減災(zāi)的影響，重點(diǎn)關(guān)注4種蓄水位抬高方案對(duì)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的降低程度?；谝瓭?jì)淮前和濟(jì)淮后供需水量數(shù)據(jù)，分別計(jì)算不同蓄水位抬高方案的缺水率，統(tǒng)計(jì)各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)出現(xiàn)的次數(shù)，并分析不同干旱頻率下的旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。主要結(jié)論如下：

（1）隨著蚌埠閘蓄水位的抬高，缺水率逐漸降低，旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)降低。說(shuō)明蚌埠閘蓄水位抬高，對(duì)當(dāng)?shù)厝彼疇顩r起到調(diào)節(jié)作用，有效地降低了當(dāng)?shù)氐暮禐?zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

（2）從抗旱減災(zāi)角度分析，引江濟(jì)淮工程實(shí)施前，蚌埠閘蓄水位抬高方案2和方案3較優(yōu)；引江濟(jì)淮工程實(shí)施后，蓄水位抬高方案1 和方案2 較優(yōu)；綜合考慮抗旱成本和效益產(chǎn)出比，兼顧引江濟(jì)淮工程實(shí)施前和實(shí)施后，方案2的效果較優(yōu)。

（3）蚌埠閘蓄水位抬高到18.5 m 時(shí)，在遭遇5 年一遇、10 年一遇和20 年一遇的干旱時(shí)，旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)降低1～2 個(gè)等級(jí)，可以滿足實(shí)際抗旱的需求。在遭遇50年一遇以上的干旱時(shí)，4種蓄水位抬高方案不能降低當(dāng)?shù)氐暮禐?zāi)風(fēng)險(xiǎn)，仍處于高風(fēng)險(xiǎn)，因此蚌埠閘蓄水位的抬高對(duì)于緩解中度和嚴(yán)重干旱的效果較好，而對(duì)特大干旱災(zāi)害的緩解效果仍不顯著。

考慮到蚌埠閘蓄水位的抬高和引江濟(jì)淮工程的密切聯(lián)系，未來(lái)可以持續(xù)進(jìn)行兩者的交互影響研究，以期將蚌埠閘蓄水位調(diào)整到相對(duì)較優(yōu)的平衡狀態(tài)，更好地發(fā)揮蚌埠閘樞紐的工程效益。