于京要

(河北省水利水電勘測設(shè)計研究院 天津 300250)

1 基本情況

1.1 流域概況

大清河分南、北兩大支流。南支由扇形分布的潴龍河、唐河、清水河共7條較大河流構(gòu)成,均匯入白洋淀,經(jīng)白洋淀滯蓄后通過趙王新河匯入東淀。北支洪水經(jīng)新蓋房分洪道和大清河故道入東淀,且有白溝引河與白洋淀相通[4]。東淀是南、北支洪水共同遭遇、滯蓄、泄流的淀區(qū)。東淀出口包括海河干流和獨流減河,其中獨流減河是根治海河過程中人工開挖的單獨入海通道。

大清河流域總面積43060km2,其中白洋淀以上流域面積21045km2。大清河流域地跨山西、河北、北京、天津四省市,防洪保護區(qū)涉及河北、天津兩省市36個縣 (區(qū)),保護區(qū)面積10960km2,保護區(qū)內(nèi)總?cè)丝?14萬人,耕地面積1090萬畝。

圖1 大清河流域示意圖

1.2 工程概況

大清河流域內(nèi)大型水庫總庫容33.02億m3,主要集中于南支山區(qū),控制流域面積9243km2,占南支山區(qū)面積的80%;北支的安各莊水庫控制流域面積476km2,亦可通過白溝引河為白洋淀提供水資源。

王快水庫、西大洋水庫為大 (Ⅰ)型,其余為大 (Ⅱ)型。水庫除險加固工程完成后將全部達到《防洪標準》 (GB50201-94)的要求,其中王快、西大洋水庫防洪標準達到萬年一遇,對低標準洪水的控制能力較強。

白洋淀是大清河南支洪水共同匯集地,由主淀區(qū)和周邊分洪區(qū)組成。當主淀區(qū)達到保證水位后即啟用周邊分洪區(qū),以減輕下游洪水災(zāi)害。

大清河南支洪水控制邊界清晰,工程自成體系,因此為減輕白洋淀周邊分洪所帶來的淹沒損失,對白洋淀以上流域內(nèi)的大型水庫和白洋淀進行聯(lián)合防洪調(diào)度研究具有十分重要意義。

2 大清河流域防洪調(diào)度現(xiàn)狀

2.1 流域洪水調(diào)度

大清河南支洪水以白洋淀為總控制節(jié)點,確保千里堤、保證潴龍河千里堤防洪安全。白洋淀十方院汛限水位按8.0m～8.3m(大沽高程,下同)動態(tài)控制,保證水位10.5m。當白洋淀十方院水位超過汛限水位時,開啟棗林莊樞紐泄洪。當十方院水位達到10.5m且繼續(xù)上漲時,在棗林莊樞紐充分泄流的前提下,依次扒開障水埝、淀南新堤、四門堤及新安北堤向白洋淀周邊分洪[1]。

2.2 大型水庫調(diào)度

流域內(nèi)的王快、西大洋兩座大 (Ⅰ)型水庫,采取三級控泄調(diào)度,按保證下游主河槽、堤防與京廣鐵路橋安全分級控制泄量。其余四座大 (Ⅱ)型水庫,因防洪庫容較小,雖部分調(diào)度中也有控泄措施,但在流域洪水中所起作用較小,以保證自身防洪安全為主[2]。

王快、西大洋水庫分級洪水調(diào)度控制見表1。

表1 王快、西大洋水庫分級洪水調(diào)度指標表

2.3 存在問題

流域內(nèi)大型水庫控制面積占白洋淀以上總面積的一半,對山區(qū)洪水起到了絕對控制作用,但現(xiàn)狀調(diào)度運用中水庫和白洋淀均從自身洪水出發(fā),缺乏流域整體防洪調(diào)度理念,從而未使上述工程發(fā)揮出最大的防洪作用。

3 大清河流域聯(lián)合防洪調(diào)度研究

3.1 流域洪水組成

流域內(nèi)發(fā)生的最大實測洪水為“63.8”洪水,白洋淀以上不同分區(qū)的洪水組成見表2。

表2 白洋淀以上流域“63.8”洪水組成表

“63.8”洪水量級相當于50年一遇[5],有控山區(qū)(水庫控制流域)占流域總洪量的46%～57%,其中王快、西大洋兩座大(Ⅰ)型水庫占34%～42%。從入淀區(qū)域分,入馬棚淀(潴龍河流域)、唐河入淀(唐河流域)、入藻雜淀(北部其他河流)的關(guān)系大致為5︰3︰2。由于入馬棚淀、唐河入淀流域內(nèi)有王快、西大洋水庫控制,其總水量比例占白洋淀以上80%左右,因此王快、西大洋水庫與白洋淀進行聯(lián)合調(diào)度的潛力很大。

對于較低標準的洪水,出現(xiàn)區(qū)域性暴雨洪水的機遇增大,因此在聯(lián)合調(diào)度研究中也同時兼顧到更集中于其一區(qū)域的類型。

3.2 聯(lián)合防洪調(diào)度理念

大型水庫在除險加固措施實施后防洪標準均得到極大提高,對低標準洪水具有較大的調(diào)洪空間和靈活調(diào)度余地。

匯入白洋淀的洪水按先后次序為平原瀝水、無控制山區(qū)洪水和大型水庫泄水。根據(jù)流域洪水量級不同和上述洪水特點,聯(lián)合防洪調(diào)度理念可概括為:

(1)降低白洋淀周邊分洪區(qū)啟用機遇;

(2)減少白洋淀周邊分洪區(qū)啟用數(shù)量;

(3)減少西三洼(指東淀、文安洼、賈口洼,重點為文安洼)蓄滯洪量;

(4)降低白洋淀超標準分洪機遇。

本次研究重點是減輕白洋淀周邊分洪損失的調(diào)度方案,也就是對20年一遇及其以下低標準洪水。

3.3 聯(lián)合防洪調(diào)度研究

(1)調(diào)度基礎(chǔ)研究

白洋淀以上流域聯(lián)合防洪調(diào)度的基礎(chǔ)是大型水庫具有承擔錯峰、預(yù)泄、動態(tài)水位控制等能力。

對水庫而言,錯峰與限泄的結(jié)果相類似,即水庫必須承擔更多的調(diào)洪任務(wù)。但錯峰調(diào)度是具有時限性的,錯峰期以外仍可回歸正常調(diào)度甚至加大泄量,因此錯峰調(diào)度的風險在于未來非預(yù)期洪水的出現(xiàn)概率。

預(yù)泄調(diào)度并不會加大水庫防洪風險,但庫水位恢復(fù)期的洪水標準與預(yù)估洪水標準間的差異仍構(gòu)成了水庫調(diào)度風險。

動態(tài)水位控制是指汛期在一定時限內(nèi)超汛限水位運行且沒有按正常調(diào)度泄流。很顯然,動態(tài)水位控制是加大水庫防洪風險的最主要因素,因此合理掌握動態(tài)水位控制運用幅度和時機是保證水庫安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

為防止上述調(diào)度超出水庫可承受的風險,特對王快、西大洋水庫防洪風險進行了研究。研究方法是按設(shè)計洪水統(tǒng)計參數(shù)隨機生成10000個洪水系列,對每個系列都按正常調(diào)度、動態(tài)水位控制調(diào)度進行水庫洪水調(diào)節(jié)演算,統(tǒng)計分析高標準洪水超出設(shè)計值的概率。

經(jīng)分析,王快水庫按汛限水位193m進行調(diào)度的1000年一遇洪水風險為0.10%,與設(shè)計要求相符。當動態(tài)水位控制在汛限水位2m幅度以內(nèi)時洪水風險不超過0.11%,當動態(tài)水位控制幅度超2m時洪水風險顯著加大;西大洋水庫按汛限水位134.5m進行調(diào)度的2000年一遇洪水風險為0.05%,與設(shè)計要求相符。當動態(tài)水位控制在汛限水位2m幅度以內(nèi)時洪水風險不超過0.055%,當動態(tài)水位控制幅度超2m時洪水風險顯著加大。因此調(diào)度中應(yīng)嚴格控制動態(tài)水位控制幅度不超過2m。

(2)聯(lián)合錯峰調(diào)度

聯(lián)合錯峰調(diào)度是白洋淀以上聯(lián)合防洪調(diào)度最主要措施之一。

對于白洋淀啟用周邊分洪區(qū)的臨界標準洪水,通過上游水庫聯(lián)合錯峰調(diào)度,使后期入淀洪水過程均勻化,從而盡可能控制淀水位不超過分洪控制水位,實現(xiàn)減少白洋淀周邊分洪損失的目標。

對于白洋淀已啟用部分周邊分洪區(qū)情況下,可通過上游水庫的聯(lián)合錯峰調(diào)度控制白洋淀水位的上漲趨勢,從而減少白洋淀周邊分洪區(qū)啟用的數(shù)量,降低淹沒損失。

由于白洋淀在保證水位10.5～10.7m時的棗林莊樞紐下泄能力為2000～2300m3/s左右,因此上游水庫聯(lián)合錯峰調(diào)度的控制目標就是在白洋淀主淀區(qū)水位達到保證水位時的總?cè)氲砹髁靠刂圃?000～2300m3/s以內(nèi)。

(3)聯(lián)合預(yù)泄調(diào)度

聯(lián)合預(yù)泄調(diào)度是在預(yù)報可能產(chǎn)生洪水過程的流域提前泄水,通過騰留庫容的方式加大對后期洪峰的調(diào)蓄作用。

在考慮水庫以下基流的前提下,水庫按下游河道最低級別的控制流量預(yù)泄,即王快水庫泄量與下游組合流量不超過800m3/s,西大洋水庫泄量與下游組合不超過300m3/s。

預(yù)泄調(diào)度及其他聯(lián)合調(diào)度措施均應(yīng)考慮到水庫與白洋淀之間的洪水傳播時間。另一方面,當前地下水位埋深較大,洪水在演進過程中對地下水補給形成的損失也應(yīng)考慮在內(nèi)。

(4)調(diào)度風險與實時控制調(diào)度

上述各種調(diào)度方式都與水文預(yù)報緊密相關(guān),受預(yù)報精度所限,既應(yīng)防止盲目抬高庫水位,也應(yīng)防止過量泄空庫容,為后期蓄水帶來影響。

鑒于洪水預(yù)報可能存在的誤差及調(diào)度風險[3],實時控制調(diào)度是消除誤差和糾偏的最有效措施。實時調(diào)度所依據(jù)的信息盡可能多樣化,包括上游入庫控制站實測流量、庫水位、淀水位、分洪區(qū)水位及河道流量等等。由于王快水庫、西大洋水庫控泄級別較多,且級差較大,實時控制調(diào)度同時也是防止盲目加大泄量,有效減輕下游洪災(zāi)的重要手段。

(5)調(diào)度效果分析

常規(guī)調(diào)度遇流域10年一遇洪水需破障水埝啟用一個分洪區(qū),而通過聯(lián)合調(diào)度則可不再啟用,相應(yīng)減少淹沒面積50km2。遇20年一遇洪水,白洋淀周邊分洪區(qū)將全部啟用,通過聯(lián)合調(diào)度將減少1～2個分洪區(qū),相應(yīng)減少淹沒面積90～230km2。

4 聯(lián)合防洪調(diào)度效益分析

大清河流域聯(lián)合防洪調(diào)度中不同洪水標準的效益不同,可采用頻率法分析多年平均效益,每一頻率標準的效益為常規(guī)調(diào)度與優(yōu)化調(diào)度的損失差值。防洪效益計算的最高洪水標準為50年一遇,水資源利用效益計算的最高洪水標準為20年一遇。

由于調(diào)度中利用了洪水預(yù)報成果,鑒于洪水預(yù)報中可能存在的誤差,按產(chǎn)生預(yù)報誤差的幅度和概率進行風險效益分析。

表3 大清河流域聯(lián)合防洪調(diào)度效益分析表

不同淹沒對象按其可能產(chǎn)生的損失特點計算損失值。 在考慮下游蓄滯洪區(qū)整體運用條件下且計入預(yù)報風險的優(yōu)化調(diào)度效益成果見表3。

5 結(jié)語

大清河流域防洪對象涉及京、津、冀三省市,因此在海河流域防洪調(diào)度中占據(jù)舉足輕重的地位。經(jīng)過新中國成立以來的防洪工程和調(diào)度體系建設(shè),以及水文預(yù)報能力的不斷提高,已具備了對流域洪水統(tǒng)籌兼顧,并對上游水庫、中游洼淀與分洪區(qū)、下游入海通道進行聯(lián)合調(diào)度的條件。

大清河白洋淀以上庫淀聯(lián)合防洪調(diào)度以洪水預(yù)報為基礎(chǔ),以防洪工程體系為依托,以實時調(diào)度為控制,以減災(zāi)保安全為目標。庫淀聯(lián)合防洪調(diào)度結(jié)合洪水預(yù)報,針對不同洪水量級和地區(qū)組成,充分利用流域內(nèi)控制工程整體的調(diào)蓄能力,對于白洋淀在臨界洪水條件下減小周邊分洪區(qū)啟用機遇或啟用數(shù)量具有十分重要意義。

1 國務(wù)院.大清河防御洪水方案[M].2007.

2 邱人立.淺談大清河系洪水調(diào)度規(guī)程編制中的幾個問題[J].河北水利水電技術(shù),2002,3.

3 侯召成,翟宜峰等.水庫防洪預(yù)報調(diào)度風險分析研究[J].中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報,2005,1.

4 吳新玲,王文林,田新敏.大清河系北支洪水特點及其防御[J].河北水利水電技術(shù),2002,3.

5 魏智敏,李群.關(guān)于大清河系“96?8”洪水調(diào)度評價的幾個問題[J].河北水利,2001,4.