基于鄭州“7·20”特大暴雨移植的桃花峪水庫防洪作用分析

張婉麗 董永立

(1.鄭州市河道工程管理處,河南 鄭州 450007;2.鄭州市水利建筑勘測設(shè)計院,河南 鄭州 450007)

1 引 言

2021年7月18—22日,河南省出現(xiàn)歷史罕見的極端強(qiáng)降雨,強(qiáng)降雨中心位于鄭州、鶴壁、新鄉(xiāng)、安陽等地。該場降雨總量大、雨強(qiáng)極值高,多站小時雨量、日雨量突破歷史極值;暴雨引發(fā)洪水來勢猛,多處水庫、堤防工程出現(xiàn)險情;暴雨還造成鄭州等城市發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)澇,地鐵停運(yùn),大面積斷水、斷電,市民生產(chǎn)生活受到嚴(yán)重影響;暴雨所造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失巨大,引發(fā)了社會高度關(guān)注[1]。

從流域分布看,“7·20”特大暴雨洪水涉及黃河流域、海河流域和淮河流域,在三個流域內(nèi)均形成了較大的洪水災(zāi)情。暴雨中心距離黃河流域三花區(qū)間較近,如果暴雨西偏,主要降水在三花區(qū)間,將對黃河現(xiàn)有水利工程調(diào)度及黃河下游灘區(qū)群眾安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

2 “7·20”特大暴雨概況

7月18—22日,華北、華中地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)性強(qiáng)降雨天氣(見圖1),多地出現(xiàn)暴雨、大暴雨,部分地區(qū)出現(xiàn)特大暴雨。此次強(qiáng)降雨過程覆蓋海河、黃河及淮河流域部分地區(qū),具有持續(xù)時間長、累積雨量大、強(qiáng)降雨范圍廣、強(qiáng)降雨時段集中等特點(diǎn)[2],過程累計100mm以上降雨籠罩面積12.99萬km2,250mm以上降雨籠罩面積4.8萬km2,400mm以上降水籠罩面積1.78萬km2,累計降雨特征統(tǒng)計見表1。

表1 7月18—22日累計降雨特征統(tǒng)計

圖1 7月18—22日強(qiáng)降雨過程累計面雨量

3 暴雨移植方案

根據(jù)黃河三花間可能最大暴雨估算成果,鑒于本次“7·20”暴雨距離三花間更近,同時充分考慮可能降雨的情形,按照1∶1比例平移,移植后降雨量將接近黃河三花間的可能最大降雨(PMP)。

“7·20”特大暴雨有多個暴雨中心,7月19—20日暴雨中心位于淮河流域鄭州一帶,7月21日暴雨中心移至海河流域新鄉(xiāng)一帶。本次選取暴雨中心鄭州尖崗水庫站作為基準(zhǔn)點(diǎn),尖崗水庫7月18—22日5天累計雨量950.8mm,其中7月20日15:00—16:00最大1h雨量147mm。將其分別移至洛河流域宜陽(韓城站)、伊河流域伊川、三小區(qū)間垣曲(王茅站)以及洛河流域洛寧(長水站)4個位置(見表2、圖2)。

表2 暴雨中心移植位置

圖2 暴雨中心移植位置

方案一宜陽位置,暴雨中心位于三小間和沁河五龍口以上;方案二伊川位置,暴雨中心位于沁河潤城至武陟區(qū)間和伊河陸渾至龍門鎮(zhèn)區(qū)間;方案三垣曲位置,暴雨中心位于三小間和沁河飛嶺至潤城區(qū)間;方案四洛寧位置,暴雨中心位于三小間和洛河盧氏至長水區(qū)間。

4 移植洪水分析

利用水利部黃河水利委員會水文局研制的黃河三花間降雨徑流模型,以現(xiàn)有主要水文站及水庫為預(yù)報節(jié)點(diǎn),根據(jù)目前現(xiàn)有水庫調(diào)度原則,實(shí)施應(yīng)對本次移植洪水的水庫群的聯(lián)合調(diào)度,進(jìn)行洪水模擬計算。

各水庫主要的調(diào)度運(yùn)用方式如下:

三門峽水庫原則上按敞泄運(yùn)用,在小浪底水庫不能滿足防洪要求時,適時控制運(yùn)用。小浪底水庫在預(yù)報小花間流量小于4000m3/s或庫水位低于254m時,關(guān)閉水庫保灘運(yùn)用,否則轉(zhuǎn)入防洪運(yùn)用。故縣水庫與陸渾水庫調(diào)度方式相同,按同時控制下泄流量不大于1000m3/s和控制花園口流量不大于10000m3/s運(yùn)用。河口村水庫按同時控制花園口流量不大于10000m3/s和武陟站流量不大于4000m3/s運(yùn)用[3]。退水次序?yàn)殛憸喫畮臁涌诖逅畮臁士h水庫。

計算方案一至方案四,花園口最大洪峰流量分別為18300m3/s、21900m3/s、16200m3/s、16000m3/s,見表3。黃河下游均發(fā)生大漫灘洪水,會形成較大的洪水災(zāi)害。

表3 水庫常規(guī)運(yùn)用不同方案花園口站洪水組成

比較四個暴雨移植方案的應(yīng)急調(diào)度結(jié)果,方案二(伊川位置)中花園口洪峰流量、超10000m3/s洪量最大,對下游最不利。方案一、方案三中河口村水庫入庫洪水遠(yuǎn)超校核標(biāo)準(zhǔn),鑒于山地地形對水汽輸送的阻隔作用,上述兩個方案存在不合理性。

為此,選擇方案二(伊川位置)作為桃花峪水庫調(diào)度分析運(yùn)用方案,表4為各來源洪水洪峰表?？梢钥闯鲇捎诮涤昙性谌ㄩg,各水庫入庫洪峰流量均較大,小浪底、陸渾、故縣、河口村等水庫入庫流量分別為9780m3/s、10100m3/s、4280m3/s、7060m3/s,丹河山路坪站流量5270m3/s,小花干區(qū)間洪峰流量4259m3/s。

表4 各水庫入庫及支流入?yún)R洪峰

5 桃花峪調(diào)度效果分析

桃花峪水庫是《黃河流域綜合規(guī)劃(2012—2030)》中確定的干流最后一座大型水利樞紐工程,規(guī)劃壩址位于黃河中游末端,上距西霞院水庫94km,距小浪底水庫110km?？偪刂泣S河流域面積71.7萬km2,占黃河總流域面積的95.5%,控制小花間未控區(qū)面積78%[4]。其中小浪底水庫控制流域面積為69.4萬km2,桃花峪至小浪底區(qū)間控制流域面積2.3萬km2?？鄢F(xiàn)狀支流中小水庫控制面積,實(shí)際控制小花間未控區(qū)面積的83%,約1.5萬km2。

采用2021年汛前地形計算桃花峪水庫庫水位與庫容關(guān)系,庫水位106.9m時,庫容16.5億m3;庫水位110m時,庫容28.17億m3。擬定桃花峪水庫分別按照庫水位106.9m和110m敞泄運(yùn)用。

考慮桃花峪水庫能夠攔蓄沁河口以上洪水,黃河下游花園口以下河段按照保灘4500m3/s運(yùn)用,盡可能減少漫灘流量和漫灘歷時,按照桃花峪水庫庫水位106.9m、110m削峰滯洪運(yùn)用,不考慮桃花峪水庫因泥沙淤積損耗的攔沙庫容,經(jīng)計算,花園口流量過程對比見圖3,桃花峪水庫庫容見表5,桃花峪水庫蓄水過程見圖4。

表5 2021年汛前地形條件下桃花峪水庫庫容

圖3 桃花峪水庫運(yùn)用前后花園口流量過程

圖4 桃花峪水庫蓄水過程

從計算結(jié)果可以看出:以保灘運(yùn)用為目標(biāo),控制花園口流量不超4500m3/s,當(dāng)預(yù)報花園口流量超4500m3/s時,如果沁河不超4500m3/s,按花園口4500m3/s運(yùn)用;運(yùn)用當(dāng)沁河超4500m3/s時,桃花峪水庫進(jìn)行攔洪運(yùn)用。與不運(yùn)用桃花峪相比,桃花峪106.9m運(yùn)用時,超10000m3/s歷時減少44h,超4500m3/s歷時減少46h,超4500m3/s水量減少16.5億m3。與不運(yùn)用桃花峪相比,桃花峪110.0m運(yùn)用時,超10000m3/s歷時減少66h,超4500m3/s歷時減少46h,超4500m3/s水量減少28.17億m3。表明桃花峪水庫的運(yùn)用能夠大大減小黃河下游的漫灘歷時和漫灘水量。

6 結(jié) 論

由于黃河小花區(qū)間仍有1.8萬km2流域面積的洪水尚未得到控制,這里是花園口洪水的主要來源,且預(yù)見期短,對下游堤防威脅較大[5]。

模擬“7·20”特大暴雨中心發(fā)生在伊川位置情況下,三花間各水庫入庫洪峰流量最為不利,小浪底、陸渾、故縣、河口村等水庫入庫流量分別為9780m3/s、10100m3/s、4280m3/s、7060m3/s,小花干區(qū)間洪峰流量4259m3/s,洪水通過調(diào)度后,演進(jìn)至花園口處,流量達(dá)21900m3/s,超10000m3/s流量歷時90h,漫灘歷時108h,漫灘水量56.1億m3。在建設(shè)桃花峪水庫后,花園口處洪峰流量19000m3/s,超10000m3/s流量歷時24h,漫灘歷時62h,漫灘水量27.9億m3。表明遇特大洪水情況下,建設(shè)桃花峪水庫能夠極大縮短超10000m3/s洪峰流量的歷時,大幅減小黃河下游的漫灘水量。