基于汛期水位動(dòng)態(tài)控制的洪水資源化利用研究

曹曉彬

(河北省邯鄲水文勘測(cè)研究中心,河北 邯鄲 056001)

0 引 言

洪水是一種最常見(jiàn)的自然災(zāi)害,洪水發(fā)生時(shí)給人們的生產(chǎn)生活和財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)重大威脅[1-2]。傳統(tǒng)的洪水管理方法主要側(cè)重于減少洪水造成的損失,如加固堤壩、疏浚河道等[3]。隨著對(duì)水資源的需求不斷增長(zhǎng),人們開(kāi)始關(guān)注如何更有效地利用洪水資源[4]。

汛期水位動(dòng)態(tài)控制作為一種新型的洪水管理策略受到廣泛關(guān)注。該方法通過(guò)調(diào)節(jié)水位,在合適的時(shí)機(jī)釋放洪水,既能減輕對(duì)下游地區(qū)的影響,又能最大限度地利用洪水資源[5]。這種控制方式可以提高洪水防控的精準(zhǔn)性和針對(duì)性,使洪水管理更為靈活和可持續(xù)。

本文基于汛期水位動(dòng)態(tài)控制,結(jié)合降雨預(yù)報(bào)信息預(yù)防洪水,以實(shí)現(xiàn)洪水資源的可持續(xù)利用,改善地下水資源現(xiàn)狀,修復(fù)地下水系統(tǒng)。研究成果可為洪水管理提供一種新的思路和方法,以應(yīng)對(duì)不斷增加的洪水風(fēng)險(xiǎn)和日益增長(zhǎng)的水資源需求。

1 研究區(qū)概況

河北位于我國(guó)華北地區(qū),西部和北部是高山,南部和東部是平原,屬于溫帶大陸型季風(fēng)氣候,年均降水量約500mm,水資源緊缺,人均水資源量約占全國(guó)平均水平的13%。為了留住降水,河北修建了多座水庫(kù),其中最大的是潘家口水庫(kù)。潘家口水庫(kù)位于河北省唐山市遷西縣和承德市寬城滿(mǎn)族自治縣境內(nèi)灤河干流上,水庫(kù)大壩壩頂高程230.5m,壩高107.5m,庫(kù)容29.3×108m3。水庫(kù)蓄水主要是作為飲用水源,是“引灤入津”的主力水庫(kù)。

河北省是中國(guó)北方重要的水文流域之一,涵蓋多個(gè)主要水系,主要包括海河流域、滹沱河流域。其中,海河是河北省最重要的水系之一,總面積26.5×104km2,占全國(guó)總面積的3.3%,以衛(wèi)河為源,發(fā)源于山西省陵川縣,全長(zhǎng)1 050km。灤河水系全長(zhǎng)888km,總流域面積4.49×104km2,流經(jīng)河北、內(nèi)蒙古、遼寧3省8市28個(gè)縣區(qū)。同時(shí),海河流域與滹沱河流域也是河北省山洪爆發(fā)的主要流域。1963年,海河流域發(fā)生“63.8”特大洪水,造成了巨大的負(fù)面影響。海河流域“63.8”特大洪水受災(zāi)情況見(jiàn)圖1。

圖1 海河流域“63.8”特大洪水受災(zāi)情況

導(dǎo)致“63.8”特大洪水發(fā)生的特大暴雨,是海河流域有記錄以來(lái)的最大一次暴雨。8月2日至8月8日7天降雨量超過(guò)400mm的面積達(dá)58 000km2。暴雨中心在河北省內(nèi)丘縣璋狄站,7天總雨量為2 050mm,為我國(guó)大陸部分的最高記錄,洪水總量為270.16×108m3。其中,子牙河占50.7 %,大清河占29.9%,南運(yùn)河占19.4%。邢臺(tái)地區(qū)85%的耕地、96.7%的大隊(duì)受災(zāi)。

2 洪水控制方法以及資源化利用

2.1 汛限水位動(dòng)態(tài)控制方案介紹

汛限水位動(dòng)態(tài)控制是控制洪水的重要手段。汛限水位動(dòng)態(tài)控制是指根據(jù)實(shí)時(shí)的氣象和水情信息,對(duì)水庫(kù)或河流進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理和調(diào)度,以確保水位在安全范圍內(nèi)波動(dòng),并盡可能避免發(fā)生洪水或干旱等災(zāi)害性事件[6-7]。通常情況下,水庫(kù)或河流會(huì)設(shè)定一定的汛限水位上限和下限值作為安全范圍。當(dāng)降雨量較大,或者預(yù)測(cè)到即將發(fā)生洪水時(shí),根據(jù)實(shí)時(shí)的降雨、徑流和蓄水量情況,調(diào)度員會(huì)判斷當(dāng)前水位是否接近或已經(jīng)超過(guò)汛限水位上限,從而采取相應(yīng)的措施。

在汛限水位動(dòng)態(tài)控制域中,調(diào)度員可以通過(guò)開(kāi)啟閘門(mén)、釋放水庫(kù)水位、調(diào)整流量等措施來(lái)調(diào)整水庫(kù)或河流的水位,以維持在可控的范圍內(nèi)。這樣可以減少洪峰流量的沖擊,降低洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn),并保障下游水域的安全[8]。此外,在汛期也要密切監(jiān)測(cè)氣象預(yù)報(bào)和水文數(shù)據(jù),及時(shí)了解降雨量、水位變化等信息,以便適時(shí)做出決策并調(diào)整控制策略。這種動(dòng)態(tài)的水位控制可以適應(yīng)不同的氣象和水文條件,從而更有效地應(yīng)對(duì)洪水等自然災(zāi)害,并最大程度地減少可能造成的損失[9]。計(jì)算汛期水位動(dòng)態(tài)控制域上限的方式見(jiàn)圖2。

圖2 汛期水位動(dòng)態(tài)控制域上限計(jì)算流程

由圖2可知,首先收集相關(guān)數(shù)據(jù),收集與水庫(kù)或河流相關(guān)的氣象、水文和工程數(shù)據(jù),包括歷史降雨數(shù)據(jù)、河道斷面特性、水庫(kù)容量等,這些數(shù)據(jù)將用于計(jì)算和分析。然后確定設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)相關(guān)規(guī)范和要求,確定適用于該水庫(kù)或河流的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)。通常是基于概率統(tǒng)計(jì)方法,如頻率分析或經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定。第三步是進(jìn)行水文頻率分析,即使用歷史降雨數(shù)據(jù)和水位資料,進(jìn)行水文頻率分析,以估計(jì)不同概率下的洪峰流量,幫助確定不同概率水位對(duì)應(yīng)的洪峰流量。第四步估算匯流過(guò)程,根據(jù)河道斷面特性和水庫(kù)容積,估算匯流過(guò)程的時(shí)間參數(shù),如單位線(xiàn)型的時(shí)間與線(xiàn)型參數(shù)、水庫(kù)入庫(kù)出庫(kù)過(guò)程等。第五步進(jìn)行水動(dòng)力模擬,利用水動(dòng)力模型,結(jié)合所得的洪峰流量和匯流過(guò)程參數(shù),模擬洪水在河道或水庫(kù)中的水位變化過(guò)程,得到不同概率下的水位-流量關(guān)系曲線(xiàn)。第六步確定汛限水位上限,根據(jù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)、水位-流量關(guān)系曲線(xiàn)和實(shí)際情況,確定汛限水位動(dòng)態(tài)控制域上限值。

通常,汛限水位上限應(yīng)該能夠容納設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)下的洪峰流量,同時(shí)考慮防洪安全和工程要求。有效預(yù)見(jiàn)期計(jì)算公式如下:

(1)

式中:TR為考慮降雨預(yù)報(bào)信息的極限預(yù)泄時(shí)間;TCU為信息反饋時(shí)間、決策調(diào)度時(shí)間以及泄洪時(shí)間之和。

有效預(yù)見(jiàn)期內(nèi)平均入庫(kù)流量及出庫(kù)流量的計(jì)算公式如下:

Q=maxQk(k=1,2,...,m)

(2)

式中:Q為最大入庫(kù)流量;m為降雨次數(shù)。

汛期水位動(dòng)態(tài)控制域上限值的計(jì)算公式如下:

(3)

2.2 降雨預(yù)報(bào)信息預(yù)防洪水和洪水資源化利用

降雨預(yù)報(bào)信息在洪水預(yù)防和控制中起著重要作用。為了提高洪水預(yù)警和調(diào)度決策的準(zhǔn)確性和效率,研究提出一種改進(jìn)的預(yù)泄能力約束法,結(jié)合降雨預(yù)報(bào)信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。該方法基于以下原則:首先在洪水即將到來(lái)之前,水庫(kù)水位應(yīng)降低至原設(shè)計(jì)汛限水位以下。然后利用有效的降雨預(yù)報(bào)信息,確定一個(gè)水位控制域,上限值由預(yù)報(bào)信息的有效預(yù)報(bào)限期、水庫(kù)泄流能力、降雨預(yù)報(bào)精度綜合確定,而水庫(kù)的原設(shè)計(jì)汛限水位則成為控制域的下限值。通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整水庫(kù)的水位,可以更好地應(yīng)對(duì)洪水的威脅。根據(jù)降雨預(yù)報(bào)信息確定的上限值能夠及時(shí)調(diào)整水庫(kù)的蓄水量,使其適應(yīng)即將到來(lái)的降雨。同時(shí),將水庫(kù)原設(shè)計(jì)汛限水位作為下限值,保證了水庫(kù)的安全運(yùn)行。在洪水期間,根據(jù)實(shí)際降雨情況,動(dòng)態(tài)調(diào)整水位,以便及時(shí)排除洪水超過(guò)水庫(kù)容量的風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)采用改進(jìn)的預(yù)泄能力約束法,結(jié)合降雨預(yù)報(bào)信息,洪水預(yù)警和調(diào)度決策的準(zhǔn)確性和效率得到提高。這種動(dòng)態(tài)控制的方法使水庫(kù)能夠在洪水來(lái)臨前及時(shí)作出調(diào)整,更好地保護(hù)生命財(cái)產(chǎn)安全。水庫(kù)預(yù)泄洪水補(bǔ)給地下水量有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):第一補(bǔ)充地下水資源。通過(guò)預(yù)泄洪水,將一部分水庫(kù)的過(guò)剩水量排放到河道以及周邊土壤中,從而增加了地下水的補(bǔ)給,有助于維持地下水位穩(wěn)定,并提供可持續(xù)的地下水資源供應(yīng)。第二防止水庫(kù)溢流和洪水災(zāi)害。當(dāng)水庫(kù)蓄水達(dá)到設(shè)計(jì)容量時(shí),如果不進(jìn)行預(yù)泄洪操作,可能會(huì)導(dǎo)致水庫(kù)的溢流,進(jìn)而引發(fā)洪水災(zāi)害。通過(guò)及時(shí)預(yù)先釋放部分水庫(kù)水量,可以有效減輕水庫(kù)的壓力,降低洪峰流量,緩解洪水風(fēng)險(xiǎn),保護(hù)生命財(cái)產(chǎn)安全。第三改善河道生態(tài)環(huán)境。由于水庫(kù)的建設(shè)和蓄水會(huì)改變河道的水文特性,對(duì)河道生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定影響。通過(guò)預(yù)泄洪水,可以調(diào)節(jié)河道水位,促進(jìn)河道水體的自然循環(huán)和更新,提供更適宜的生態(tài)條件,維護(hù)和改善河道生態(tài)系統(tǒng)的健康。第四減輕排污負(fù)荷。在水庫(kù)預(yù)泄洪水過(guò)程中,會(huì)將水庫(kù)中積聚的含有較高濁度和污染物的水體排放到河道中,有助于減輕水庫(kù)內(nèi)部的污染負(fù)荷[10]。同時(shí),通過(guò)控制預(yù)泄洪水的方式,可以合理安排水庫(kù)蓄水和排污的時(shí)機(jī),降低對(duì)下游水環(huán)境的影響。水庫(kù)預(yù)泄洪水補(bǔ)給地下水量過(guò)程見(jiàn)圖3。

圖3 洪水補(bǔ)充地下水示意圖

3 汛期水位動(dòng)態(tài)控制方案效果分析

為了驗(yàn)證提出的汛期水位動(dòng)態(tài)控制方案的防洪效果,采用HEC-HMS軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。HEC-HMS是由美國(guó)軍事工程中心開(kāi)發(fā)的水文模型軟件,用于模擬流域水文過(guò)程,包括降雨、徑流和蓄水等。它可以用于模擬水庫(kù)入庫(kù)過(guò)程,并提供詳細(xì)的水文分析結(jié)果。利用該軟件以及海河流域“63.8”特大洪水歷史記錄數(shù)據(jù),還原劉家臺(tái)水庫(kù)入庫(kù)過(guò)程,結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 “63.8”特大洪水劉家臺(tái)水庫(kù)入庫(kù)過(guò)程

根據(jù)圖4的數(shù)據(jù)分析,可以觀察到以下情況:從8月1日開(kāi)始,雨量較小;8月2日,雨量突然增大,同時(shí)劉家臺(tái)水庫(kù)的流量也迅速增加;8月3日,雨量雖有所減少,但仍然保持在高位,并出現(xiàn)震蕩;8月4日至8月6日,雨量均維持在10～20mm左右。劉家臺(tái)水庫(kù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)調(diào)度,采取了3種不同的方式,以水庫(kù)原設(shè)計(jì)常規(guī)調(diào)度方式作為對(duì)照參考,以研究設(shè)計(jì)的汛限水位動(dòng)態(tài)控制和預(yù)蓄預(yù)泄對(duì)水壩進(jìn)行泄洪調(diào)度。

為了對(duì)比3種調(diào)度方式對(duì)劉家臺(tái)水庫(kù)的水位和流量產(chǎn)生的不同影響,繪制劉家臺(tái)水庫(kù)水位與流量隨著時(shí)間的變化情況,見(jiàn)圖5。

圖5 劉家臺(tái)水庫(kù)水位與流量變化

由圖5可知,常規(guī)調(diào)度方式調(diào)洪末水位為56.32m,汛期水位動(dòng)態(tài)控制方式調(diào)洪末水位為48.98m,比水庫(kù)常規(guī)調(diào)度方式多攔蓄洪水1.58×108m3;常規(guī)調(diào)度方式水庫(kù)最大流量接近3 000m3/s,而采用汛期水位動(dòng)態(tài)控制水庫(kù)最大流量約2 700m3/s,降低了水庫(kù)的泄洪壓力。

綜上所述,基于汛期水位動(dòng)態(tài)控制的預(yù)蓄預(yù)泄調(diào)度方式,既可以降低水庫(kù)的防洪風(fēng)險(xiǎn),又可以提高水庫(kù)與地下水對(duì)洪水資源的利用。為了更加精確地計(jì)算洪水入滲補(bǔ)充地下水的補(bǔ)充量,需要考慮含水層的成因、結(jié)構(gòu)、巖性特征和厚度等因素[11-12],這些分析包括研究含水層形成的原因、其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、所占據(jù)的巖性特征以及其厚度的測(cè)定。通過(guò)對(duì)這些因素的深入研究,可以更好地理解該地區(qū)的地下水補(bǔ)給機(jī)制,從而提高對(duì)洪水入滲補(bǔ)充地下水的準(zhǔn)確性。海河流域下游平原區(qū)含水層的分析見(jiàn)圖6。

圖6 海河流域下游含水層分析

圖6展示的是海河流域下游某河段含水層分析。其中,礫卵石層滲透系數(shù)為40～100m/d;礫卵石、砂礫石混合層滲透系數(shù)為50～150m/d;礫卵石層滲透系數(shù)為40～100m/d;中細(xì)砂、中粗砂混合層滲透系數(shù)為20～40m/d。

分別取該河段的平均水位以及平均地下水位作為計(jì)算水位以及標(biāo)準(zhǔn)地下水位,通過(guò)測(cè)量河段中點(diǎn)地下水與河水之間的差值,并將其除以水力坡度。由達(dá)西定律可知,在飽和多孔介質(zhì)中,流體通過(guò)介質(zhì)的速度與施加在流體上的滲透力成正比。利用達(dá)西定律,即可計(jì)算出該河段的洪水對(duì)地下水的補(bǔ)給量。按照上述方法,計(jì)算水庫(kù)采用汛期動(dòng)態(tài)水位控制進(jìn)行泄洪時(shí),河水與地下水之間增加的轉(zhuǎn)化量,部分結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 汛期動(dòng)態(tài)水位控制不同河段地下水增加量

由表1可以看出,采用汛期動(dòng)態(tài)水位控制進(jìn)行泄洪,可以增加河水滲漏補(bǔ)給地下水量。由于河段48所處區(qū)域含水層巖性好,滲透系數(shù)大,含水層厚度較厚,因此河水補(bǔ)給地下水增加量較其他河段大,5天可增加地下水量約0.77×106m3。由于河段50的平均滲透系數(shù)較小,所以此河段的地下水增加量?jī)H為0.12×106m3。通過(guò)以上分析可知,不同河段的滲透條件和含水層特性對(duì)其地下水補(bǔ)給效果產(chǎn)生了明顯的影響。

本次計(jì)算河水入滲補(bǔ)給地下水量?jī)H考慮了一場(chǎng)洪水過(guò)程,而且水位地質(zhì)資料有限。在今后的研究和應(yīng)用中,可以結(jié)合長(zhǎng)時(shí)間跨度的數(shù)據(jù),考慮多個(gè)洪水事件,充分利用更全面的水文地質(zhì)資料,從而更準(zhǔn)確地評(píng)估河水入滲對(duì)地下水補(bǔ)給的影響,為流域水資源管理者和相關(guān)決策者提供更完善的科學(xué)依據(jù),以實(shí)施更有效的策略來(lái)改善地下水資源的狀況,恢復(fù)地下水系統(tǒng)的健康狀態(tài)。

4 結(jié) 論

為了減小洪水帶來(lái)的危害以及最大化利用洪水,本文介紹了汛限水位動(dòng)態(tài)控制方法過(guò)程,闡述了降雨預(yù)報(bào)信息在洪水預(yù)防和控制中的重要作用。運(yùn)用HEC-HMS水文模擬軟件,模擬了海河流域“63.8”特大洪水受災(zāi)過(guò)程,以驗(yàn)證汛限水位動(dòng)態(tài)控制方法對(duì)洪水的控制效果以及資源化利用能力。結(jié)果顯示,劉家臺(tái)水庫(kù)采用常規(guī)調(diào)度方式調(diào)洪末水位為56.32m,而采用汛期水位動(dòng)態(tài)控制方式調(diào)洪末水位為48.98m;常規(guī)調(diào)度方式水庫(kù)最大流量接近3 000m3/s,而采用汛期水位動(dòng)態(tài)控制水庫(kù)最大流量約2 700m3/s。表明汛限水位動(dòng)態(tài)控制方法能對(duì)洪水進(jìn)行有效控制,在減小其危害的同時(shí),還可將洪水轉(zhuǎn)換為地下水資源。