密云水庫(kù)與懷柔水庫(kù)洪水防控綜合治理研究

朱瀟遙張彥寧馬文輝

（1.北京市京密引水管理處，北京 101400；2.北京市密云水庫(kù)管理處，北京 101500）

0 引言

洪澇災(zāi)害是危及人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，影響國(guó)家長(zhǎng)治久安的重大自然災(zāi)害。洪水防治一直以來(lái)都是國(guó)家和人們關(guān)注的重點(diǎn)工作。1997年我國(guó)通過(guò)了《中華人民共和國(guó)防洪法》，并于2009年和2016年結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行了修正，為我國(guó)的洪水防治工作提供了依據(jù)和指導(dǎo)方向。水利工程包括修建水庫(kù)、塘壩、截流溝等工程，其目的在于防止水土流失、坡地洪水暴發(fā)等危險(xiǎn)的發(fā)生，也是防洪除澇的大型基礎(chǔ)設(shè)施。水庫(kù)作為重要的水利工程建筑物，具有攔洪蓄水、調(diào)節(jié)水流等功能，在除害興利中發(fā)揮著重要作用。北京是我國(guó)的首都，人多水少，水資源匱乏情況嚴(yán)重，如何合理運(yùn)用地區(qū)水庫(kù)是目前需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題［1］。由于水庫(kù)首先需要保障防洪安全，還要兼顧水資源合理利用和市區(qū)供水灌溉，這進(jìn)一步增加了水庫(kù)合理運(yùn)用的難度。密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)是北京地區(qū)重要的防洪和供水設(shè)施。密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)不僅是北京地區(qū)重要的防洪屏障，還是北京市區(qū)飲用水供應(yīng)、農(nóng)田灌溉的重要保障，其中懷柔水庫(kù)的主要功能是輸配水，是密云水庫(kù)南水北調(diào)工程中的重要調(diào)節(jié)點(diǎn)。由此可見(jiàn)，密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)之間存在緊密的聯(lián)系。許多專家和學(xué)者研究了密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)洪水防控治理問(wèn)題，黃俊雄等［2］根據(jù)1960—2016年密云水庫(kù)來(lái)水量，評(píng)估了土地利用和氣候環(huán)境變化對(duì)密云水庫(kù)來(lái)水量變化的影響程度。羅陽(yáng)春等［3］根據(jù)密云水庫(kù)歷年高水位期間監(jiān)測(cè)資料，分析了水庫(kù)高水位運(yùn)行潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。王澤勇等［4］根據(jù)以往數(shù)據(jù)分析了氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)北京密云水庫(kù)上游流域徑流變化的影響，并研究了潮白河生態(tài)補(bǔ)水對(duì)密云水庫(kù)工程、河道堤防以及防洪方面的影響［5］。楊秀芳［6］通過(guò)分析1959—2018年暴雨洪水資料，總結(jié)了懷柔水庫(kù)流域暴雨洪水特征。周寧等［7］根據(jù)防洪標(biāo)準(zhǔn)和歷史洪水信息，提出了懷柔水庫(kù)洪水防御對(duì)策，包括洪水監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、防洪工程調(diào)度、防洪搶險(xiǎn)技術(shù)支撐等。從上述分析可以看出，許多專家和學(xué)者從不同角度分析了密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)洪水防控、調(diào)度等問(wèn)題，取得了許多有價(jià)值的成果。然而，大多數(shù)研究?jī)H從單一水庫(kù)角度研究，很少考慮這兩個(gè)水庫(kù)之間的聯(lián)系，一些研究指出水庫(kù)群隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度［8］、聯(lián)合調(diào)度［9］、綜合治理［10］等是防洪減災(zāi)、水資源高效利用的重要方法。提高密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)洪水防控綜合治理能力是解決北京地區(qū)防洪供水難題的重要途徑。因此，本研究通過(guò)對(duì)比密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)洪水防控情況，分析兩者之間存在的聯(lián)系和問(wèn)題，基于此提出實(shí)現(xiàn)密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)洪水防控綜合治理的措施和辦法，為北京地區(qū)水庫(kù)綜合運(yùn)用和防洪興利提供參考。

1 密云水庫(kù)與懷柔水庫(kù)洪水防控綜合分析

1.1 密云水庫(kù)與懷柔水庫(kù)基本概況

密云水庫(kù)坐落在燕山南麓密云區(qū)，距北京市區(qū)中心約90 km，建成于1960年，水庫(kù)控制流域面積15 788 km2，為華北地區(qū)最大的水庫(kù)。水庫(kù)工程按千年一遇洪水設(shè)計(jì)，萬(wàn)年一遇洪水校核，壩頂高程160.0 m，設(shè)計(jì)水位157.5 m，校核水位158.5 m，正常蓄水位157.5 m，汛期限制水位152.0 m，死水位126.0 m。水庫(kù)總庫(kù)容43.75億m3，其中防洪庫(kù)容9.27億m3，調(diào)洪庫(kù)容11.08億m3，興利庫(kù)容35.45億m3，死庫(kù)容4.19億m3。主要建筑物包括7座大壩、7條隧洞、3座溢洪道、1座電站和1座調(diào)節(jié)池。

懷柔水庫(kù)位于北京市懷柔區(qū)城西，始建于1958年，經(jīng)多次改擴(kuò)建，為大Ⅱ型水庫(kù)，具有防洪、蓄水、供水等綜合效益。懷柔水庫(kù)控制流域面積525 km2，防洪標(biāo)準(zhǔn)按100年一遇洪水設(shè)計(jì)，2 000年一遇洪水校核，設(shè)計(jì)洪水位64.16 m，校核洪水位67.73 m，正常蓄水位62.0 m，汛期限制水位58.0 m，死水位126.0 m?？値?kù)容1.44億m3，其中防洪庫(kù)容1.05億m3，興利庫(kù)容0.65億m3，死庫(kù)容0.085億m3。懷柔水庫(kù)水利樞紐主要包括1座主壩、4座副壩、1座進(jìn)水閘、1座輸水閘、1座輸水隧洞、1座防洪閘、2座溢洪道和1座非常溢洪道。

從密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)基本情況可以看出，在地理位置方面，密云水庫(kù)在懷柔水庫(kù)東北邊，均屬于潮白河水系。在水庫(kù)規(guī)模方面，密云水庫(kù)容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于懷柔水庫(kù)，前者作用和功能在北京市防洪興利上具有主導(dǎo)地位。為了解決北京市供水問(wèn)題，密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)之間由京密引水渠相連，由此水渠將密云水庫(kù)的水經(jīng)懷柔水庫(kù)以及其他水庫(kù)引入北京市。由此可見(jiàn)，在防洪興利方面密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)之間存在緊密聯(lián)系。

1.2 密云水庫(kù)與懷柔水庫(kù)歷史洪水綜合分析

密云水庫(kù)與懷柔水庫(kù)同屬于潮白河水系，洪水形成主要由暴雨引起。通過(guò)對(duì)以往年份暴雨和洪水資料分析，密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)暴雨洪水主要呈以下4個(gè)特征［6］。第一，不同年份暴雨變化大，暴雨分布不均勻，主要汛期集中在每年的6—9月。第二，暴雨空間分布不均勻，暴雨中心位置對(duì)洪水形成影響較大，當(dāng)降雨量小于100 mm時(shí)，暴雨中心偏中下游，當(dāng)降雨量大于100 mm時(shí)，暴雨中心偏中上游。第三，暴雨持續(xù)時(shí)間短，相應(yīng)的洪水歷時(shí)短，整個(gè)持續(xù)過(guò)程大于2～3 d。第四，洪水大多發(fā)生在7—8月，不同年份洪峰流量相差較大。

為了探索密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)，分別收集了兩個(gè)水庫(kù)歷年洪峰出現(xiàn)時(shí)間、入庫(kù)洪峰流量以及洪量，密云水庫(kù)歷年洪水情況如表1所示，懷柔水庫(kù)歷年洪水情況如表2所示。

表1 密云水庫(kù)歷年洪水情況表

將表1和表2中的數(shù)據(jù)相結(jié)合可以看出，密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)洪水發(fā)生時(shí)期大多集中在7—8月，由于兩個(gè)水庫(kù)規(guī)模和水容量具有較大差別，入庫(kù)洪峰和洪量從數(shù)值上難以進(jìn)行有效綜合分析，但是可以對(duì)兩個(gè)水庫(kù)相同年份洪水發(fā)生時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和綜合分析，統(tǒng)計(jì)圖如圖1所示。

表2 懷柔水庫(kù)歷年洪水情況

從圖1可以看出，密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)洪水發(fā)生時(shí)間軌跡非常相近，其中1964年、1969年、1973年、1974年密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)洪峰出現(xiàn)時(shí)間差完全一致，其他年份洪峰出現(xiàn)時(shí)間差也相差不大，這表明兩個(gè)水庫(kù)受到暴雨洪水及其影響相似，防洪時(shí)間節(jié)點(diǎn)一致。因此，在制定供水防控方案時(shí)，可以考慮密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)共同防御洪澇災(zāi)害，制定統(tǒng)一的洪水防控策略。

圖1 密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)洪水發(fā)生時(shí)間趨勢(shì)

1.3 密云水庫(kù)與懷柔水庫(kù)洪水調(diào)度方案綜合分析

密云水庫(kù)洪水調(diào)度方案主要包括洪水控制指標(biāo)、調(diào)度運(yùn)用計(jì)劃、洪水預(yù)報(bào)調(diào)度安排、調(diào)度權(quán)限以及調(diào)度工作程序等。根據(jù)降雨量統(tǒng)計(jì)分析，密云水庫(kù)汛期限制指標(biāo)分為兩個(gè)部分，6月1日—8月10日限制水位152 m，8月11日—9月30日限制水位154 m。按照這種汛期時(shí)間劃分，制定相應(yīng)的正常調(diào)度規(guī)則和錯(cuò)峰調(diào)度規(guī)程。在洪水預(yù)報(bào)方面，根據(jù)流域?qū)嶋H雨量和氣象情況，按短期（12～24 h）、中期（1～7 d）、長(zhǎng)期（7～15 d）三種方式預(yù)報(bào)場(chǎng)次降雨洪峰流量及峰現(xiàn)時(shí)間、入庫(kù)洪量、水庫(kù)最高水位及出現(xiàn)時(shí)間。在安全監(jiān)測(cè)方面，按《密云水庫(kù)水利工程運(yùn)行管理標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行手冊(cè)》《密云水庫(kù)水利工程運(yùn)行管理標(biāo)準(zhǔn)化制度手冊(cè)》中相關(guān)制度做好大壩監(jiān)測(cè)工作。在雨水監(jiān)測(cè)方面，設(shè)有40個(gè)遙測(cè)雨量站，另有12個(gè)水文站。洪水預(yù)報(bào)采用自主研發(fā)密云水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)，通過(guò)自動(dòng)化系統(tǒng)洪水預(yù)報(bào)、人工預(yù)報(bào)、實(shí)際來(lái)水進(jìn)行比測(cè)。

懷柔水庫(kù)洪水調(diào)度方案主要包括洪水調(diào)度、防御措施、調(diào)度權(quán)限以及工作機(jī)制等。在供水調(diào)度和防御措施方面，按標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)洪水和超標(biāo)準(zhǔn)洪水制定了相應(yīng)的泄洪途徑和最大泄洪量，例如遇10年一遇以下洪水（入庫(kù)洪峰流量≤2 440 m3/s或3 d洪量≤0.548億m3時(shí)），結(jié)合天氣預(yù)報(bào)及洪水預(yù)報(bào)結(jié)果，控制最大下泄流量320 m3/s，遇100年一遇以上2 000年一遇以下洪水（5 059 m3/s＜前辛莊和口頭水文站入庫(kù)流量之和≤8 543 m3/s或1.140億m3＜3 d洪量≤1.974億m3時(shí)），結(jié)合天氣預(yù)報(bào)及洪水預(yù)報(bào)結(jié)果，東、西溢洪道敞泄，最大下泄流量3 036 m3/s。在制定防御措施時(shí)，根據(jù)庫(kù)區(qū)內(nèi)和下游行洪存在淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估統(tǒng)計(jì)，制定人員轉(zhuǎn)移避險(xiǎn)方案。同時(shí)，通過(guò)人體感官、錘、釬等常規(guī)檢查方法，必要時(shí)采用開(kāi)挖探坑（或槽）、探井等特殊檢查方法，對(duì)壩體、壩基和壩區(qū)、輸水隧洞、溢洪道、近壩岸坡等重要部位進(jìn)行巡查。

從以上密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)洪水調(diào)度方案內(nèi)容可以看出，密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)洪水調(diào)度方案主要按照國(guó)家和地方標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合水庫(kù)自身情況，制定符合水庫(kù)安全的防洪措施。雖然這種水庫(kù)防洪措施能基本滿足水庫(kù)要求，但是洪水治理是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，在潮白河水系中每一個(gè)水庫(kù)并不是孤立存在的，都是供水治理系統(tǒng)的組成部分。密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)是該系統(tǒng)中重要組成部分，它們之間存在非常緊密的聯(lián)系，由于密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)洪水調(diào)度措施相對(duì)獨(dú)立，尚未形成統(tǒng)一的防御策略制定機(jī)制，在一定程度上造成了洪水防控資源浪費(fèi)。

2 密云水庫(kù)與懷柔水庫(kù)洪水防控綜合治理措施

通過(guò)對(duì)密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)洪水防控綜合分析可知，密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)在防洪興利方面具有緊密聯(lián)系，兩個(gè)水庫(kù)同屬于潮白河水系，汛期洪峰到來(lái)時(shí)間相差不大，但是兩個(gè)水庫(kù)洪水防控方案相對(duì)獨(dú)立，在洪水防御策略上并沒(méi)有形成一個(gè)統(tǒng)一的整體。為了有效使用洪水防控資源，使密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)形成一個(gè)洪水聯(lián)合防控系統(tǒng)，進(jìn)一步降低洪澇災(zāi)害的影響，提出以下洪水防控綜合治理措施。

2.1 建立密云水庫(kù)與懷柔水庫(kù)防洪聯(lián)合調(diào)度機(jī)制

水庫(kù)群防洪聯(lián)合調(diào)度是對(duì)流域內(nèi)水文、地理相互聯(lián)系的水庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)同調(diào)度，使流域內(nèi)洪水防治效果最大化。水庫(kù)群作為一個(gè)系統(tǒng)整體，在防洪效果上并不是簡(jiǎn)單的相加，通過(guò)合理的調(diào)度分配實(shí)現(xiàn)“1+1＞2”的效果。密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)同屬潮白河水系，根據(jù)其地理位置，可組成并聯(lián)水庫(kù)群。首先根據(jù)密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)的基本情況，構(gòu)建相應(yīng)的聯(lián)合調(diào)度模型，基于此，結(jié)合天氣預(yù)報(bào)對(duì)兩水庫(kù)的運(yùn)行統(tǒng)計(jì)協(xié)調(diào)和安排。在暴雨洪水到來(lái)時(shí)，通過(guò)調(diào)度模型綜合運(yùn)算，制定一系列蓄洪滯洪、錯(cuò)峰削峰等措施，優(yōu)化水庫(kù)最大泄量和泄洪時(shí)間，達(dá)到水庫(kù)及區(qū)間防洪安全的目的，充分發(fā)揮密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)的防洪綜合作用。

2.2 提高密云水庫(kù)與懷柔水庫(kù)洪水實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)精度

洪水實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)精度直接影響水庫(kù)防洪調(diào)度的有效性和安全性。實(shí)時(shí)校正是洪水預(yù)報(bào)的重要組成部分，也是提高預(yù)報(bào)精度的重要手段。在密云水庫(kù)與懷柔水庫(kù)洪水實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)中，可以采用多種不同方法提高預(yù)報(bào)精度，例如計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)中的協(xié)整理論和誤差修正模型［11］，將卡爾曼濾波和K最鄰近結(jié)點(diǎn)算法的聯(lián)合實(shí)時(shí)校正［12］，或?qū)C(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)運(yùn)用到洪水實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)中提高預(yù)報(bào)精度［13］。

2.3 拓寬密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)防洪信息傳遞渠道

氣象、水文、地理、防洪等信息的快速準(zhǔn)確傳遞是實(shí)現(xiàn)水庫(kù)群防洪聯(lián)合調(diào)度的重要保障。密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)在防洪方面具有獨(dú)立的信息收集渠道，例如密云水庫(kù)設(shè)有40個(gè)遙測(cè)雨量站，另有12個(gè)水文站收集各類信息，懷柔水庫(kù)則是通過(guò)公共氣象部門收集信息。由于暴雨洪水變化快，各類信息收集存在時(shí)間差，在防洪實(shí)際過(guò)程中會(huì)造成密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)洪水防控信息不對(duì)稱。為了更有效地實(shí)現(xiàn)密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)防洪聯(lián)合調(diào)度，可以運(yùn)用更多先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，拓寬他們之間防洪信息傳遞渠道，使得密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)之間的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度變得越來(lái)越“智慧”。

3 結(jié)語(yǔ)

密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)是北京市防洪興利中重要的水利樞紐工程。為了提高防洪資源使用效率，通過(guò)以往數(shù)據(jù)對(duì)密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)洪水防控進(jìn)行了綜合分析，根據(jù)分析結(jié)果提出了密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)防控綜合治理措施，為密云水庫(kù)和懷柔水庫(kù)防洪聯(lián)合調(diào)度提供了參考和借鑒。