巢湖洪水控制時(shí)段與洪水重現(xiàn)期分析

蘇佳慧，田 娟

(安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引言

巢湖流域?qū)匍L江下游左岸水系，三面環(huán)山，其西南部為大別山余脈，西部和北部是江淮丘陵，東南部為沿巢及沿江圩區(qū)。流域地勢總體輪廓是東西長、南北短，西高東低，中間低洼平坦，形成巢湖盆地。巢湖流域總面積13544.7km2，其中巢湖閘上面積9186km2，占流域面積67.8%，巢湖閘下面積4359km2，占流域面積32.2%，湖泊806km2，占流域面積6.0%。入湖的大小河流共41條，呈放射狀匯入巢湖，經(jīng)湖泊調(diào)蓄后由裕溪河和牛屯河等注入長江。特殊的地理位置、多變的氣候條件及中下游低洼的地勢，使得巢湖流域極易發(fā)生洪澇災(zāi)害[1]，新中國成立后，巢湖流域先后發(fā)生1954、1969、1983、1991、2016年大洪水，2020年再次發(fā)生流域性特大洪水，最高洪水位達(dá)到13.43m，突破1991年歷史實(shí)測極值水位12.80m和100年一遇設(shè)計(jì)洪水位13.36m。巢湖流域河流眾多，流域面積大，江湖洪水遭遇復(fù)雜，界定巢湖洪水的重現(xiàn)期對(duì)流域防洪規(guī)劃制定和超額洪量安排至關(guān)重要。

洪水頻率分析中，通常對(duì)洪峰、時(shí)段洪量等特征量進(jìn)行分析[2]。水庫防洪設(shè)計(jì)中，一般選取歷時(shí)為7d的典型洪水過程[3-5]，考慮洪峰和洪量的多變量組合，重點(diǎn)分析洪峰和7d洪量的聯(lián)合重現(xiàn)期[6]。對(duì)于有調(diào)蓄水體的湖泊，匡燕鵡等[7]計(jì)算了洞庭湖入湖洪水組合流量，分析了入湖洪峰流量、出湖洪峰流量以及不同時(shí)段(1、3、7、15d)出入湖洪量的重現(xiàn)期，以此明確2017年洞庭湖洪水的歷史地位。趙英林[8]分析發(fā)現(xiàn)，不同時(shí)段下，洞庭湖洪水入湖水量的地區(qū)組成、入湖洪峰流量的地區(qū)組成及入湖各歷時(shí)洪量的地區(qū)組成差異很大。聶芳容等[9]分析了不同洪水組合下的洞庭湖洪水規(guī)律，四水尾閭河段單條河流的洪峰流量與洪峰水位關(guān)系密切，入湖組合7天洪量則與東南洞庭湖區(qū)洪水位關(guān)系密切，15～30d洪量則反映東南洞庭湖每年全汛期水的豐欠。王同生[10]對(duì)比了太湖流域4個(gè)大洪水年的水情，指出太湖水位漲水期主要受太湖流域上游的降雨和來水以及湖區(qū)的降雨影響，下游水位的高低影響太湖洪水下泄，在太湖水位達(dá)到最高水位后，即在漲水期之后的上游降雨和來水，只對(duì)太湖高水位的延續(xù)時(shí)間和退水速度產(chǎn)生影響。太湖容蓄量增大及退水速度加快，洪水外排格局和調(diào)度方式的變化，有利于減輕洪澇災(zāi)害損失[11-12]。

當(dāng)前，巢湖流域洪水的研究主要是評(píng)估流域洪澇災(zāi)害損失[13-19]及定性分析流域洪水特性[20-21]，對(duì)巢湖流域洪水重現(xiàn)期的研究成果相對(duì)較少。張之麗[22]、謝每超[23]提出了巢湖流域洪水重現(xiàn)期總概念，認(rèn)為巢湖流城的洪水總概念，既取決于降雨量、匯水量，又與巢湖水位、外河長江水位有關(guān)，分析了各洪水年流域30d降雨量及長江外河水位的重現(xiàn)期，在此基礎(chǔ)上提出了各洪水年巢湖流域洪水的綜合重現(xiàn)期。

根據(jù)上述研究成果，對(duì)于有調(diào)蓄水體的湖泊或調(diào)節(jié)性能好的水庫，其洪水重現(xiàn)期通常會(huì)考慮不同時(shí)段洪水的影響，分別論述不同時(shí)段的洪量對(duì)應(yīng)的重現(xiàn)期，但是確定哪個(gè)時(shí)段的洪量作為控制量沒有明確的分析方法。對(duì)于來水復(fù)雜、流域面積大、有湖區(qū)調(diào)蓄的流域，湖區(qū)水位的高低受時(shí)段洪量、湖泊蓄水及下泄排水等多種因素的影響，綜合考慮各因素的影響，選擇有代表性的時(shí)段作為控制時(shí)段是洪水重現(xiàn)期分析的關(guān)鍵和難點(diǎn)。

1 分析過程

1.1 入湖洪水計(jì)算

采用Mike11模型軟件，構(gòu)建巢湖流域水文水動(dòng)力模型，形成支流-湖區(qū)-蓄洪區(qū)-泄洪通道-泵站等多維模型，對(duì)歷年洪水進(jìn)行模擬[24]。將巢湖各支流洪水過程及湖區(qū)的產(chǎn)水過程疊加，得到巢湖的洪水過程，從而得到歷年巢湖入湖的洪峰流量及各時(shí)段的洪量。對(duì)洪峰流量及主要時(shí)段洪量(3、7、30、90d)進(jìn)行頻率計(jì)算，相關(guān)統(tǒng)計(jì)參數(shù)成果見表1。其中最大3、7、30d洪量均出現(xiàn)在1991年，最大洪峰流量和最大90d洪量出現(xiàn)在2020年。

表1 巢湖洪水洪峰流量及洪量分析成果表

對(duì)歷史大洪水進(jìn)行分析，各大水年各時(shí)段的洪量及相應(yīng)重現(xiàn)期見表2。根據(jù)分析結(jié)果，各大水年洪峰流量及各時(shí)段洪量的重現(xiàn)期并不完全一致，特別是1954年，入湖洪峰流量重現(xiàn)期只有3年一遇，最大3d洪量重現(xiàn)期約7年一遇，而最大7、30、90d洪量重現(xiàn)期約50年一遇，相差較大；1991年入湖洪峰流量重現(xiàn)期33年一遇，最大3、7、30、90d洪量的重現(xiàn)期分別為52、45、55、53年；而最近的大水年2020年入湖洪峰流量重現(xiàn)期為58年一遇，同時(shí)最大3、7、30、90d洪量的重現(xiàn)期分別為42、40、42、60年。

表2 巢湖各大水年不同時(shí)段洪量重現(xiàn)期表

由于各時(shí)段洪量重現(xiàn)期不一致，選擇合適時(shí)段的洪量作為控制時(shí)段來確定巢湖的重現(xiàn)期就至關(guān)重要。

1.2 巢湖調(diào)蓄能力分析

巢湖湖泊形態(tài)呈東西2端向北翹起，中間向南凸出，成凹字形，狀如鳥巢，為巢湖閘上洪水主要調(diào)蓄場所，洪水經(jīng)巢湖調(diào)蓄后，由巢湖閘泄入裕溪河，經(jīng)裕溪河排入長江。巢湖水位9.0m時(shí)對(duì)應(yīng)的水面面積為779.51km2，相應(yīng)庫容為26.5億m3；20年一遇洪水位12.5m時(shí)對(duì)應(yīng)的水面面積為792.21km2，相應(yīng)庫容為54.06億m3，巢湖水位-面積-湖容曲線見表3、如圖1所示。

圖1 巢湖-面積-庫容曲線

表3 巢湖水位-面積-湖容曲線表

巢湖容積的大小決定了對(duì)巢湖洪水的調(diào)蓄能力。近年來，巢湖的常水位一般保持在9.0m左右，按照9.0～13.36m(100年一遇水位)為可調(diào)蓄容積，該調(diào)蓄容積為36.3億m3，按照表1中的洪量分析成果，該容積能調(diào)蓄20年一遇的最大30d洪量、100年一遇的最大7d洪量。超過這個(gè)范圍的洪量如果不能及時(shí)排江或打開蓄洪區(qū)蓄洪，則會(huì)進(jìn)一步推高巢湖及各支流洪水位，帶來洪澇災(zāi)害。

1.3 巢湖洪水控制時(shí)段及重現(xiàn)期確定

巢湖水位綜合反應(yīng)了入湖洪水、湖區(qū)調(diào)蓄及下泄量，當(dāng)巢湖來水量大于下泄量時(shí)，巢湖湖區(qū)的水位持續(xù)上漲，巢湖水位起漲至達(dá)到最高水位的這段時(shí)間，稱為漲水期，漲水期內(nèi)的洪量對(duì)巢湖高水位及流域洪澇災(zāi)害有直接影響，故本文認(rèn)為漲水期即為湖泊洪水的控制時(shí)段，對(duì)應(yīng)的天數(shù)為控制時(shí)長，根據(jù)控制時(shí)段內(nèi)的洪量即能確定巢湖洪水的重現(xiàn)期。

對(duì)巢湖歷史大洪水的來水過程和實(shí)測水位過程進(jìn)行分析，得到各大水年巢湖水位的控制時(shí)段、對(duì)應(yīng)的洪量大小及洪水重現(xiàn)期，成果見表4。根據(jù)表4，巢湖洪水控制時(shí)段一般為12～58d，其中1991年洪水控制時(shí)段為15d，洪水重現(xiàn)期為60年一遇；2020年洪水控制時(shí)段為41d，洪水重現(xiàn)期為50年一遇；1969年洪水控制時(shí)段為14d，洪水重現(xiàn)期為40年一遇；2016年洪水控制時(shí)段為21d，洪水重現(xiàn)期為20年一遇。

表4 巢湖洪水控制時(shí)段及重現(xiàn)期分析結(jié)果表

根據(jù)控制時(shí)段洪量確定的洪水重現(xiàn)期與固定3、7、30、90d洪量的重現(xiàn)期不同。洪峰流量及固定時(shí)段洪量僅能反映洪水來水的情況，且對(duì)于同一場洪水，洪峰及各時(shí)段洪量對(duì)應(yīng)的洪水重現(xiàn)期各不相同?？刂茣r(shí)段洪量確定的洪水重現(xiàn)期綜合考慮了來水、巢湖蓄水及下泄排水的影響，相應(yīng)的洪水重現(xiàn)期更能代表洪水的大小。

1.4 控制時(shí)段與江-湖遭遇分析

在影響控制時(shí)段的因素中，下泄量受江-湖遭遇的影響。巢湖東南瀕臨長江，江湖遭遇關(guān)系復(fù)雜。建國以來，巢湖流域共發(fā)生過1954、1969、1983、1991、1996、1998、1999、2003、2016、2020等大水年。各大水年洪水情況在《巢湖流域江湖洪水遭遇規(guī)律分析》[25]中做了詳細(xì)表述。根據(jù)《巢湖流域江湖洪水遭遇規(guī)律分析》，巢湖流域內(nèi)洪水與長江的遭遇大致可分為3類。①不遭遇型：長江水位低于11.8m，巢湖來水均能自排，基本不受災(zāi)。②半遭遇型：長江水位在11.8～12.3m之間，部分時(shí)段洪水無法自排，易形成區(qū)域性洪災(zāi)。③完全遭遇型：長江水位高于12.3m，來水很難自排，一旦來水量級(jí)稍大，就會(huì)形成全流域洪災(zāi)。

當(dāng)巢湖來水遭遇長江低水位時(shí)，即發(fā)生不遭遇型，巢湖來水能順利排入長江，控制時(shí)段就短，如大水年1969、1991、2003年，長江高水位低于11.8m，入湖洪水在洪水期均有機(jī)會(huì)自排入江，控制時(shí)段較短，時(shí)長12～15d；當(dāng)發(fā)生半遭遇型時(shí)，如1983、1996、1999、2016年，長江高水位在11.8～12.3m之間，前期巢湖水位低，入湖洪水無法自排，當(dāng)巢湖來水使得巢湖水位升高時(shí)，部分洪水在洪水期可以實(shí)現(xiàn)自排，控制時(shí)段稍長，為18～33d；對(duì)于1998、2020年，長江高水位大于12.3m，且較長時(shí)間處于高水位，巢湖閘上來水難以下泄，入湖洪量大部分積蓄在巢湖湖區(qū)，控制時(shí)段較長，約41～58d。

2 結(jié)論

巢湖湖區(qū)水位的高低受一定時(shí)段的來水量(洪量)、調(diào)蓄容積及下泄排量這3個(gè)因素的影響，本文提出巢湖水位上漲期時(shí)段即為洪水的控制時(shí)段，控制時(shí)段內(nèi)的洪量大小決定了巢湖的洪水重現(xiàn)期，通過對(duì)各大水年進(jìn)行分析，巢湖閘上洪水控制時(shí)段為15～58d，控制時(shí)段與江-湖遭遇關(guān)系密切。建國后巢湖發(fā)生的最大洪水為1991年洪水，本文通過分析，首次明確了巢湖1991年洪水的控制時(shí)段為15d，重現(xiàn)期為60年一遇；最近大水年2020年的控制時(shí)段為41d，重現(xiàn)期為50年一遇。本文為巢湖流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算和防洪規(guī)劃提供了依據(jù)。由于篇幅所限，本文在江-湖洪水遭遇分析中，只分析了部分大水年洪水的遭遇情況，更全面的分析將在后續(xù)計(jì)算中進(jìn)行。