以子洪水庫為例探析秋汛的危害與應對措施

趙寶祥，趙繼剛，楊兆剛

（1.祁縣水利發(fā)展中心，山西 祁縣 030900，；2.祁縣昌源河水利服務中心，山西 祁縣 030900）

1 子洪水庫概況

子洪水庫壩址位于黃河流域汾河一級支流昌源河中下游的干流出山口處，距祁縣縣城25 km，控制流域面積576 km2。其中：土石山區(qū)472 km2，占流域面積的82%，森林區(qū)104 km2，占流域面積的18%，平均寬10.3 km，干流長56 km，縱坡坡度為13.7‰。本區(qū)屬溫帶大陸性半干旱氣候，多年平均降雨量為516 mm，多年平均徑流量2 870 萬m3。

子洪水庫于1971 年7 月動工興建，1972 年10 月攔洪蓄水，1982 年11 月竣工。水庫設計防洪標準為100 年一遇洪水設計，1 000 年一遇洪水校核。總庫容2 449.5 萬m3，正常蓄水位886 m，汛限水位886 m，是一座以防洪、灌溉、城鄉(xiāng)供水為一體的中型水庫，特征水位、庫容見表1。

表1 子洪水庫特征水位及相應庫容表

水庫樞紐建筑物由大壩、輸水洞、泄洪洞三部分組成。大壩為碾壓均質土壩，壩頂高程894.3 m，最大壩高44 m，壩頂長502 m，頂寬6 m，兼作防汛搶險通道。輸水洞位于大壩左岸，為圓形鋼筋混凝土襯砌有壓隧洞，洞徑4 m，全長247 m，進口設3.7 m×4.7 m 的平板檢修鋼閘門，出口設4 m×4.5 m 的弧形工作鋼閘門，進口底高程為856.1 m，出口底高程為852.55 m，最大泄量229 m3/s。泄洪洞位于左岸輸水洞的左側，為圓形鋼筋混凝土襯砌有壓隧洞，洞徑5.2 m，全長265 m，進口設4.72 m×5.1 m 的平板鋼閘門，出口設有4.5 m×4.3 m 的弧形工作鋼閘門，進口底高程為861.8 m，出口高程為856.6 m，最大泄量為321.6 m3/s。

水庫防洪保護范圍186 km2，其中包括國家歷史名城祁縣縣城及平遙縣部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)共36 個村莊，19.8 萬人。水庫自建成以來，共攔蓄大小洪水26 次，并經受了歷史上罕見的1977 年7 月6 日特大洪水襲擊，入庫洪峰達1 832 m3/s，而出庫最大泄量僅為407 m3/s，削峰率達78%，防洪效益顯著。

2 2021 年秋汛概況

2.1 流域降雨

2021 年9 月之前子洪水庫降雨偏少，9 月后逐漸增多，出現連續(xù)降雨天氣，共出現3 次大降雨過程，累積雨量286.2 mm，詳見表2。

表2 2021 秋汛流域雨情統計表

第1 次：9 月18 日—19 日，2 d 流域范圍連續(xù)降雨量累計54.2 mm，其中大雨1 d、小雨1 d。

第2 次：9 月22 日—27 日，6 d 流域范圍連續(xù)降雨量累計47 mm，其中中雨3 d、小雨3 d。

第3 次：10 月2 日—7 日，6 d 流域范圍連續(xù)降雨量累計185 mm，其中暴雨2 d、大雨1 d、中雨1 d、小雨1 d。

其中第3 次降雨過程累積雨量最大、強度最大，為同期降雨量的3.6 倍，占近10 年祁縣全年降雨量均值512.29 mm 的36.11%。

2.2 入庫洪水

受強降雨影響，秋汛期間子洪水庫有3 次洪水入庫過程。

第1 次：9 月18 日上午10：00 開始，子洪水庫入庫流量從0.71 m3/s 逐漸增長；9 月19 日上午10：00入庫流量為8.9 m3/s，下午16：50 入庫流量達到最大13.7 m3/s，24 h 最大洪量103.1 萬m3。

第2 次：9 月22 日下午17：32 開始，子洪水庫入庫流量從4.7 m3/s 逐漸增長；9 月23 日上午8：00 入庫流量為5.51 m3/s，下午18：00 入庫流量為5.8 m3/s；9 月24 日上午8：00 入庫流量為5.22 m3/s，下午23：00 入庫流量為11.8 m3/s；9 月25 日上午8：00 入庫流量為19.8 m3/s，下午20：00 入庫流量為17.4 m3/s；9 月26 日上午8：00 入庫流量達到最大為24.95 m3/s，下午20：00入庫流量為21.7 m3/s；24 h 最大洪量201.6 萬m3。

第3 次：10 月3 日上午7：00 開始，子洪水庫入庫流量從5.5 m3/s 逐漸增長至17.5 m3/s；10 月4 日23：00點入庫流量達24.5 m3/s；10 月5 日8：00 入庫流量達到85 m3/s，最大入庫流量出現在10 月6 日凌晨4：50，流量為418 m3/s，持續(xù)時間為2 h，之后至10 月8 日18：00，入庫流量呈現逐漸減少趨勢，最終回落至5.5 m3/s。本次洪水過程，水庫累計入庫5 360.5 萬m3，其中10 月5 日13 時至6 日13 時共24 h 入庫洪量達到2 434.6 萬m3。

2.3 最大入庫洪水頻率分析

本次秋汛降雨特點為降雨強度較小、降雨歷時長，最大入庫洪水過程全流域匯流造峰較小，但造峰時間長、匯流量大，因此按24 h 洪量確定洪水頻率比洪峰更符合實情。子洪水庫各頻率洪峰流量、24 h 洪量數據見表3。

表3 子洪水庫各頻率洪峰流量、24 h 洪量數據表

本次最大入庫洪水過程洪峰為418 m3/s，最大24 h洪量為2 434.6 萬m3。比較分析可得最大24 h 洪量超過100 年一遇24 h 洪量332.4 萬m3、差200 年一遇洪量94.3 萬m3，插值法理論分析為180 年一遇，接近200 年一遇洪水。

3 水庫調度運行情況

3.1 調度原則

當遇10 年一遇洪水時（洪峰流量441.8 m3/s），下泄流量控制在100 m3/s 以內；當遇50 年一遇洪水時（洪峰流量1 175.5 m3/s、一日洪量1 688.4 萬m3），下泄流量控制在以300 m3/s 以內；當遇100 年一遇洪水時的最高洪水位為891.0 m（洪峰流量1 548 m3/s、一日洪量2 102.2 萬m3），相應起調水位為886.0 m，下泄流量控制在500 m3/s 以內；當遇1 000 年一遇洪水時的最高洪水位為892.5 m（洪峰流量2 938.1 m3/s、一日洪量3 550.8 萬m3），結合水情預報及水庫入庫流量情況，提前泄至879.5 m 時開始起調，雙洞敞泄。

3.2 水情預報調度方案

3.2.1 水情預報方法

水庫壩址上游流域呈窄長形，地形氣候情況都比較復雜，預報的影響因素較多，在汛期水文預報應特別加強24 h 以內的短期預報，以指導水庫運行。可根據暴雨的中心點和傳播時間不同，進行預報作業(yè)，預報采用頻率降雨～頻率洪峰/洪量方法。

水庫上游6 km 處建有盤陀水文站1 座，于1954 年建站，盤陀以上控制流域面積533 km2，已簽訂資源共享協議，可及時獲得上游洪水信息，同時與縣氣象局保持聯絡，以便及時獲得氣象預報信息。

在預報作業(yè)中注意運用天氣預報成果，充分利用現有降雨～入庫流量統計資料，提高預報質量。

3.2.2 流域各時段不同頻率降雨量

根據盤陀水文站1954—2021 年降雨系列資料分析水庫P=2%、P=1%、P=0.1%頻率下不同時段的降雨量，結果見表4。

表4 盤陀水文各時段不同頻率降雨量統計表 單位：mm

3.2.3 降雨量與入庫洪水關系

根據降雨資料與水庫入庫洪水資料確定各頻率6 h、24 h 降雨量與相應入庫洪峰、24 h 洪量關系，見表5。

表5 不同頻率降雨量、入庫洪峰、洪量關系表

3.3 天氣預警

繼2021 年9 月18、19 日祁縣氣象臺連續(xù)2 天發(fā)布暴雨藍色預警后，祁縣18 日實際降雨量接近暴雨標準；根據2021 年9 月26 日天氣預報，預計未來15天內，可能有連續(xù)暴雨。

10 月3 日15：25 祁縣氣象臺發(fā)布暴雨藍色預警，預計未來區(qū)域內部分地區(qū)降雨量將達50 mm。

10 月4 日14：27 祁縣氣象臺繼續(xù)發(fā)布暴雨藍色預警，預計未來區(qū)域內部分地區(qū)降雨量將達50 mm。

10 月5 日13：15 祁縣氣象臺繼續(xù)發(fā)布暴雨藍色預警，預計未來區(qū)域內部分地區(qū)降雨量將達50 mm。

3.4 最大場次洪水調度過程

管理單位根據氣象預測，于9 月27 日下午15：00依指令開閘預泄，騰出庫容迎接本輪強降雨，泄水流量為10 m3/s，到10 月3 日10：00，庫水位降落至885.30 m，低于汛限水位（886 m）0.7 m。當日水庫入庫流量逐漸增大，根據調度原則及預報水情，于10 月3 日18：15 下泄流量逐漸增大至22 m3/s。

10 月5 日凌晨1：00，庫水位達到汛限水位886 m。早7：00，水庫依指令將下泄量增大至30 m3/s，但庫水位以每10 min 上升6 cm 的速度快速上漲，防汛形勢嚴峻，8：30 加大泄洪至50 m3/s，11：00 加大泄洪至80 m3/s。11：25 開始，根據水庫水位與蓄水情況，根據調度原則及預報水情逐步加大泄水流量。14：00 加大泄水流量至210 m3/s，23：00 加大泄水流量至220 m3/s。10 月6 日0：00 泄量調至200 m3/s，水位每5 min 上漲2 cm。

最高庫水位出現于10 月6 日6：50，為891.42 m，超汛限水位5.42 m（汛限水位886 m），超設計洪水位0.42 m（設計洪水位為891 m），距壩頂2.88 m（壩頂高程894.3 m）。后水庫泄水流量采用控制下泄，根據上游來水逐步減小泄量，直至水庫水位緩慢回落至正常蓄水位。本次調度過程最大下泄流量為350 m3/s，未超下游河道設計流量，各時段水庫進、出庫流量過程線見圖1。

圖1 實際調度進出庫流量過程線

3.5 優(yōu)化調度探究

祁縣2021 年秋汛調度雖下泄流量最大為350 m3/s，控制在100 年一遇洪水時相應下泄流量控制在500 m3/s以內，但下游昌源河出現不同程度的水毀情況，河道沿線的部分堤防被沖毀；水庫下游城鄉(xiāng)供水部分主管網被沖毀；尤其是南同蒲鐵路昌源河大橋邊墩護坡被沖毀，上下行線路中斷。

本次最大洪水過程洪峰418 m3/s、接近10 年一遇標準，24 h 洪量為2 434.6 萬m3，接近200 年一遇。按典型比擬所得洪水過程線進行調度，本次水庫最大泄量為350 m3/s、削峰率僅為28.2%，遠低于《子洪水庫汛期調度運用計劃》中100 年一遇削峰率80.6%，200 年一遇洪水削峰率66.3%。經分析原因為本次洪水特征為矮胖型，根據調度原則及預報水情進行了庫容預騰，但預騰庫容偏小使得最大下泄量未控制在50 年一遇洪水時的下泄量在300 m3/s 以內。

本次根據實際入庫洪水過程優(yōu)化水庫調度，以期建立高精度小跨度時段的降雨～徑流預報模型可行性。優(yōu)化調度模型采用方案根據雨水實情及天氣預警，利用閘門開度在降雨發(fā)生時進行較大水量下泄，為洪峰預騰調洪庫容，探究科學合理調蓄小洪峰、大洪量異常矮胖型特大洪水的有效方法。

10 月3 日15：25 收到暴雨藍色預警后，泄洪洞控制閘門開度以50 m3/s 泄洪；10 月4 日14：27 收到暴雨藍色預警后，泄洪洞控制閘門開度以100 m3/s 泄洪；10 月5 日4：00 最大降雨強度過后，泄洪洞控制閘門開度以150 m3/s 泄洪；10 月5 日13：15 收到暴雨藍色預警后，泄洪洞控制閘門開度以250 m3/s 泄洪；10 月6 日9：00 降雨第一次停后，泄洪洞控制閘門開度以200 m3/s 泄洪；10 月6 日16：30 降雨停后，泄洪洞控制閘門開度以150 m3/s 泄洪；無降雨預警后，根據入庫洪水控制下泄流量恢復至正常蓄水位，見圖2。

圖2 優(yōu)化調度進出庫流量過程線

通過以上優(yōu)化調度，2021 年子洪水庫優(yōu)化調度最大下泄量為250 m3/s，削峰率為40.2%，較實際調度提高12%。

4 結語

祁縣降水主要出現在每年的6～9 月，10 月平均降水量僅為51 mm。2021 年9 月下旬至10 月中旬，境內遭遇歷史罕見的極端強降水天氣侵襲，多地水庫河流超汛限。10 月主場次強降水過程平均降水量達185 mm，是多年月平均降水量的3.6 倍以上，多個站點數據破建站以來的同期歷史極值。這次秋汛警示我們，極端暴雨和秋汛風險危害很大，應全面提升防御超標準洪水能力和社會公共管理水平，最大程度減輕因極端天氣導致的超標準洪水帶來的損失。

雨情測報在本次秋汛防御中發(fā)揮了至關重要的作用，是水庫防汛部署的前提和基礎。2021 年秋汛中，通過實時分析降雨及其可能產生的洪峰或洪量，并根據水庫汛期運行調度計劃進行了調度，但因時段較大、矮胖型降雨產流導致實時調度誤差較大。下一步，應根據歷年資料建立高精度小跨度時段降雨～產流～匯流模型，對洪峰、洪現時間、洪量進行準確預報，并根據《水文情報預報規(guī)范》對有關預報進行評定修正。