張　曼,周建軍,黃國鮮

(1.清華大學(xué)水利水電工程系,北京　100084; 2.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室,北京　100084)

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長江中游防洪問題與對策

張曼1,2,周建軍1,2,黃國鮮1,2

(1.清華大學(xué)水利水電工程系,北京100084; 2.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室,北京100084)

摘要：三峽工程的首要任務(wù)是防洪,防洪的重點是保荊江安全。在此背景下分析長江中游當(dāng)前防洪形勢和三峽工程存在的問題,認(rèn)為相對于長江中游洪水形勢和防洪要求,三峽水庫防洪庫容遠小于長江中游超額洪水,動態(tài)防洪庫容小于設(shè)計靜態(tài)防洪庫容,有效防洪庫容更小;長期河道演變使城陵磯等地同流量水位顯著升高;中游蓄滯洪區(qū)建設(shè)規(guī)模嚴(yán)重偏小,而建設(shè)進度嚴(yán)重滯后,已有蓄滯洪區(qū)使用困難;當(dāng)前大規(guī)模清水沖刷沒有降低洪水位,反而荊江向洞庭湖分洪減小、河道泄洪能力進一步萎縮;三峽水庫2008年按正常水位運行以來,連年攔中小洪水和超汛限水位運行,大量占據(jù)防洪庫容和壓低下泄洪水流量,使下游河道長期得不到洪水塑造,行洪能力和堤防得不到檢驗和考驗?？紤]到氣候變化等不確定性影響,現(xiàn)在長江中游防洪形勢仍然嚴(yán)峻。建議:切實維護三峽工程規(guī)劃確定目標(biāo)和防洪調(diào)度方式,嚴(yán)格控制汛限水位,積極采取優(yōu)化調(diào)度增加水庫防洪能力;盡快完成三峽工程規(guī)劃要求的城陵磯附近蓄滯洪區(qū)建設(shè),采取政策措施保證分洪與發(fā)展兼顧;改變和優(yōu)化金沙江下游4大梯級水庫汛期運行方式;加強三峽庫區(qū)岸坡治理、提高水庫防洪調(diào)度靈活性;采取積極措施維護長江中游江湖關(guān)系穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：防洪調(diào)度;防洪庫容;汛限水位;防洪形勢；三峽水庫;長江中游

厄爾尼諾南方振蕩是熱帶海洋與氣象相互作用的強信號,厄爾尼諾和拉尼娜是其中冷暖兩極異常事件,對全球氣候有異常重要影響。1951/2016年共發(fā)生15次厄爾尼諾和拉尼娜事件,每3到7年一個循環(huán)[1],其中3次極強厄爾尼諾事件分別發(fā)生在1982—1983年、1997—1998年和2015—2016年。2015—2016年厄爾尼諾發(fā)展情況監(jiān)測顯示,本次厄爾尼諾事件與1997—1998年超強厄爾尼諾事件較為相似,強度接近前兩次。目前呈減弱趨勢,預(yù)計2016年春末夏初結(jié)束,拉尼娜事件出現(xiàn)幾率增加[2]。2015年12 月以來,北美、南美和英國等地暴雨和洪災(zāi)等極端天氣集中出現(xiàn),而澳大利亞、印尼和菲律賓等地則出現(xiàn)大旱[3-5]。2015年入秋以來,我國南方降水偏多,部分地區(qū)發(fā)生汛情；2016年6月華南地區(qū)持續(xù)暴雨和入汛時間提前都與此相關(guān)。大量研究表明,隨著全球氣候變暖,東亞地區(qū)季風(fēng)作用在減弱而熱帶氣旋作用在增強,氣候兩極化趨勢將更明顯,特大洪水和嚴(yán)重干旱出現(xiàn)的機會都會增加[6]。長江流域是我國洪水比較嚴(yán)重地區(qū),短期和長期氣候形勢都表明長江流域防洪面臨的挑戰(zhàn)在加大。

近年來,三峽工程、金沙江下游和嘉陵江一些具有防洪能力的工程建成并投入使用,長江防洪能力已有很大提高。但是,長江上游暴雨洪水主要集中在川江,相對于長江中游的特大洪水,三峽水庫的防洪能力很小,不能完全保證長江中游的防洪安全。這是三峽工程論證的明確結(jié)論[7]。而且,三峽水庫的實際防洪庫容比規(guī)劃指標(biāo)低[8],而三峽工程規(guī)劃所依據(jù)的中游河道情景發(fā)生了很大變化;近十余年,長江中上游氣候條件也發(fā)生了很大變化(圖1-C)。三峽工程建成以來實際運行中存在很多問題。盡管近年來長江沒有發(fā)生大洪水,但是,在現(xiàn)行條件或未來極端氣候下,長江再次出現(xiàn)1954年規(guī)模洪水或更大洪水的可能性仍然存在。因此,在三峽工程已經(jīng)投入運行十余年后再次討論長江中游防洪問題與對策仍然具有非常重要的現(xiàn)實意義。

筆者基于過去的研究成果和三峽蓄水前后實際資料,討論三峽水庫的防洪能力,三峽蓄水后長江中游的防洪形勢和現(xiàn)實運行中長江中游防洪存在的問題,并提出相關(guān)對策供防洪和長江中游治理參考。

注：A圖為長江中下游宜昌—大通；B圖為長江中游上段宜昌—漢口，其中D1為松滋口，D2為太平口，D3為藕池口；C圖為1950—2014年中上游氣溫，其中1998—2014年中上游平均溫度比1951—1989年升高0.8℃，昆明、重慶和武漢氣溫分別升高1.5℃、1.28℃和0.55℃。圖1　長江中游位置、防洪形勢與中上游氣溫變化

1　長江中游防洪問題背景

長江是1億多年以來喜馬拉雅隆起、四川盆地夷平、巫山下切和云夢澤沉陷等強烈地質(zhì)過程的共同產(chǎn)物。由于橫斷山脈擠壓,長江一統(tǒng)橫斷山脈以東水系,以近萬億方河川徑流出東海,按水量計算是世界第三大河。宜昌至鄱陽湖口稱中游,中游上段的荊江是長江最危險的防洪河段(圖1)。荊江是在古云夢澤上淤積形成的。由于上游大量泥沙和海平面大幅度升高,7 000多年來,云夢澤以枝城為起點,北齊漢江,南極西洞庭,形成了一個巨大的淤積三角洲。云夢澤南北地質(zhì)凹陷、中部崛起和后來人工圍墾等作用造就了荊北平原低洼、洞庭湖萎縮和荊江河曲高起,荊江就在這一大背景下形成[9]?，F(xiàn)代荊江河床下面存在各種復(fù)雜的淤積覆蓋層,黏土和卵石淤積層異常發(fā)育,厚度可超過20 m[9]。荊江懸河高出兩岸,大片土地在洪水位之下,堤防是在長期圍墾基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來的。長江堤防深層缺陷很多[10]。明清以來,荊江大堤決口46次,1853—1949年洞庭湖圩垸平均5年潰決1次。1860年、1870年兩次特大洪水,對長江產(chǎn)生了深遠影響。1870年枝城洪峰流量110 000 m3/s,宜昌30 d洪量1 650億m3。20世紀(jì)的1931年、1935年、1949年、1954年等大洪水都引起流域巨大洪水災(zāi)害。1954年是20世紀(jì)最大全流域洪水,洪峰流量不大,但宜昌、漢口30 d洪量分別為1 350億m3和2 182億m3,沿岸大片地區(qū)被淹沒,中游超額洪水很大,實際分洪量為1 023億m3。1954年洪水是長江中游防洪目標(biāo)。幾十年來,長江中下游防洪建設(shè)主要包括堤防、蓄滯洪區(qū)、河道整治和水庫幾方面。

長江中下游30 000余km、干流3900余km的堤防是防洪主要屏障。按1980年長江中下游防洪座談會要求,現(xiàn)有堤防以1954年最高洪水位為依據(jù),設(shè)計洪水位分別是沙市45 m、城陵磯34.4 m、漢口29.73 m、湖口17.1 m。堤防建設(shè)已基本達到這一目標(biāo)。目前一般堤防高6～12 m、荊江大堤高12～16 m。荊江大堤堤頂高出荊北平原約18 m,堤防安全是防洪的大事。

河道整治的目的是提高泄洪能力和維護堤防安全。長江中游整治工程包括護岸、除障、河勢控制和裁彎取直等。其中荊江1966年和1969年兩處裁彎和1972年1處自然裁彎縮短荊江78 km、增加沙市泄洪流量4 500 m3/s。目前,中游荊江沙市、城陵磯、武漢以下河段的行洪能力分別是53 000、60 000和73 000 m3/s。但是,荊江裁彎等工程也加劇了三口萎縮、江湖關(guān)系變化并增加了城陵磯以下河道泥沙淤積,下荊江實際洪水流量較大幅度增加。1998年洪水小于1954年,而下荊江流量明顯增大。

蓄滯洪區(qū)是避免洪水泛濫的重要安排。1952年建成的荊江分洪區(qū),在1954年洪水保障荊江大堤安全中發(fā)揮了決定性作用。按1954年洪水標(biāo)準(zhǔn)和1980年長江中下游防洪座談會要求的堤防標(biāo)準(zhǔn),三峽工程建成前,長江中下游需要492億m3蓄滯洪區(qū),其中城陵磯附近320億m3(表1)。但是,目前這部分工程建設(shè)緩慢,欠賬很大。國家要求盡快建設(shè)的城陵磯附近蓄滯洪區(qū)只有100億m3[11]。已有的蓄滯洪區(qū)由于其內(nèi)部經(jīng)濟社會發(fā)展和條件變化限制著有效使用,荊江分洪區(qū)在1998年洪水期間就沒能發(fā)揮作用。蓄滯洪區(qū)不足會嚴(yán)重增加堤防的安全壓力。

表1　各方案調(diào)度1954年全流域洪水的結(jié)果 　億m3

目前長江流域干支流水庫總庫容超過2 400億m3,是流域防洪的重要設(shè)施。長江水利委員會認(rèn)為要保證荊江安全、降低中游防洪壓力的根本是要建三峽工程[7]。根據(jù)全國人民代表大會批準(zhǔn)的三峽工程建設(shè)方案,三峽工程的第一目標(biāo)是防洪,水庫按175-145-155 m方案運行,具有221.5億m3防洪庫容,防洪重點是保荊江安全。通過三峽工程補償調(diào)節(jié),可使荊江地區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)達到百年一遇,百年以下洪水不再分洪,具體控制標(biāo)準(zhǔn)是百年洪水按沙市設(shè)計水位44.5～45 m控制,三峽調(diào)控使枝城斷面洪水流量不超過60 600 m3/s;遇千年一遇或類似1870年洪水時,控制枝城流量不超過80 000 m3/s,在1980年規(guī)劃的蓄滯洪區(qū)配合運用下,避免兩岸堤防出現(xiàn)毀滅性災(zāi)害;同時,三峽調(diào)度兼顧城陵磯附近分洪量有較大幅度的減少。此外,長江中上游有很多攔洪水庫,金沙江、嘉陵江和烏江等干支流已建和在建水庫都可發(fā)揮作用。規(guī)劃[11]要求上游水庫主汛期預(yù)留340億～360億m3防洪庫容。但是,上游水庫距離遠、不能有效控制上游主要暴雨區(qū);三峽工程建成以來,大型水庫調(diào)節(jié)和蓄水使中游河道夏秋季節(jié)流量大幅度減少,水位顯著降低,長江上游更多預(yù)留防洪庫容還會加劇這一問題。考慮到一般年份長江中游干旱和生態(tài)環(huán)境等壓力,依靠長江上游水庫蓄泄和調(diào)度,長江中游洪水還有很大不確定性。

長江治理已經(jīng)使長江中游防洪能力提高。長江水利委員會認(rèn)為[12],三峽工程建成后再遇1954年洪水,按照枝城調(diào)度或城陵磯補償調(diào)度方案,長江中游分洪量可降低到398億m3或336億m3,其中城陵磯附近280億m3或218億m3(表1)。因此,相對于長江中游大洪水,三峽水庫的防洪能力仍然很小,水庫必須在堤防和蓄滯洪區(qū)配合下才能有效發(fā)揮作用。但是,現(xiàn)實情況是,城陵磯附近目前只安排了100億m3蓄滯洪區(qū)建設(shè)[11],三峽水庫有效防洪庫容小于規(guī)劃指標(biāo)[8],中游防洪規(guī)劃依據(jù)1954年情況確定,而幾十年來長江中游河道改變很大[13],三峽工程建成以來實際運行也存在很多問題。

2　三峽水庫防洪問題

2.1三峽水庫有效防洪庫容偏小

水庫防洪庫容是水庫防洪能力的重要指標(biāo)。對一般水庫而言,它是指介于汛限水位和最高洪水位之間的河谷空間體積。三峽工程175-145-155 m方案,在145 m汛限水位和175 m最高水位之間的靜態(tài)防洪庫容是221.5億m3。三峽工程論證研究還顯示,水庫淤積后防洪庫容減少,運行80年后水庫淤積達到基本沖淤平衡,平衡后有85.7%(相當(dāng)于190億m3)的防洪庫容可長期保留[14-15]。

但是,三峽水庫是典型的河道型水庫。在670 km的回水范圍內(nèi),水庫水面平均寬度只有1.3 km。汛期庫區(qū)水流速度和縱向水面坡降較大,在需要三峽水庫開始攔蓄洪水前(下泄流量56 700 m3/s),相當(dāng)部分位于汛限水位以上的防洪空間已經(jīng)被占據(jù)。因此,河道型水庫不同于一般水面開闊的湖泊型水庫,其防洪庫容具有顯著動態(tài)特征。水庫泥沙淤積后,過水?dāng)嗝婵s小、流速增大,回水縱向坡降更大,動庫容特征更顯著。對于三峽工程這樣的水庫,防洪調(diào)度采用動態(tài)防洪庫容更符合實際。采用水動力學(xué)和泥沙數(shù)學(xué)模型,水庫泥沙淤積采用1961—1970年水沙條件,調(diào)度從145 m汛限水位開始攔洪的起調(diào)流量是56 700 m3/s,水庫蓄水到175 m水位時的不同下泄流量計算的動庫容比例(相對于靜防洪庫容221.5億m3)計算結(jié)果[8](圖2)表明:

圖2　三峽水庫不同時期和不同蓄滿下泄流量的動態(tài)防洪庫容比例及相應(yīng)水庫泥沙淤積量

a. 初期按百年一遇或千年一遇枝城下泄流量標(biāo)準(zhǔn)(即壩前水位175 m時三峽下泄流量60 000 m3/s或80 000 m3/s),三峽水庫的實際防洪庫容分別只有179億m3和205億m3;

b. 泥沙淤積后期,水庫可保留的防洪庫容比例遠小于論證期間的預(yù)測結(jié)果,按百年一遇和千年一遇的枝城下泄標(biāo)準(zhǔn),130年后預(yù)計水庫淤積173.4億m3(與文獻[14-15]100年淤積量相當(dāng)),三峽水庫防洪庫容保留的比例分別只有43%和62%;

c. 而且,庫區(qū)移民還會進一步限制上述防洪庫容的正常發(fā)揮作用(完全無償、自由使用的庫容更小)。計算顯示,初期壩前水位超過168～170 m后,三峽庫區(qū)回水高度就開始超過移民線(圖3(a))。水庫淤積后期,即使是二十年一遇的洪水,水庫內(nèi)部超過400 km移民范圍也將受相當(dāng)程度淹沒的影響(圖3(b))。三峽工程的設(shè)計防洪能力超千年一遇,然而按照動庫容調(diào)度預(yù)測,即使在沒有太多泥沙淤積之前,防御這樣的洪水,庫區(qū)涪陵等重要城市都會受到嚴(yán)重淹沒(圖3(a))?；厮^移民范圍后,進一步攔洪必然受到移民安全的限制,調(diào)度效率降低、防洪的代價增加。

注:①本圖根據(jù)不恒定流模型按三峽設(shè)計調(diào)度方式進行調(diào)洪計算得到;②5%、1%和0.1%洪水根據(jù)1954年典型放大(其中1%洪水采用了3種不同倍比放大方式,中心線是宜—枝區(qū)間洪水,與宜昌按同頻率放大);③百年以內(nèi)洪水(即5%和1%)情況下,三峽水庫最大泄洪流量56 700 m3/s,千年洪水(0.1%)情況下,三峽水庫最大泄洪流量為80 000 m3/s;④百年一遇洪水、千年一遇洪水,三峽水庫分別攔蓄143億m3和208億m3;⑤ 水庫泥沙淤積采用1961—1970年水沙條件循環(huán)計算,圖3(b)初期(1年)至淤積130年間回水線時間間隔10年;L1；⑥和L2分別是涪陵防護大堤抵頂高程和最大擋水高程(之間4 m靠薄壁子埝擋水);⑦ L3是百年一遇洪水的壩前水位(168～170 m)。圖3　三峽庫區(qū)最高回水線位及其與移民遷移線的相對關(guān)系

更進一步,三峽水庫有效防洪庫容受泥沙淤積的影響嚴(yán)重。圖2～3顯示,泥沙淤積對三峽水庫防洪庫容和回水影響遠比預(yù)期嚴(yán)重。當(dāng)前,三峽水庫淤積已接近20億m3、水庫防洪能力在減小。當(dāng)然,現(xiàn)在由于上游水庫攔沙,三峽泥沙淤積會更緩慢,原來預(yù)計的80～100年情景或許在200～300年后出現(xiàn)。因此,防洪能力變化應(yīng)該與泥沙淤積而非與年代對應(yīng)。但是,一旦原預(yù)計淤積情景出現(xiàn),50%以上的防洪庫容將難以保留。若沒有切實有效的減淤措施,三峽工程防洪功能最終將不能長期利用。

圖4　1998年洪水宜昌、枝城流量和枝城控制下泄流量與三峽水庫需要攔洪量關(guān)系

從圖2可以看出,防洪庫容與防洪起調(diào)流量關(guān)系很大,當(dāng)補償調(diào)節(jié)的控制枝城下泄流量降低后,三峽防洪庫容更接近靜庫容。但是,如果將枝城最大流量降低,面臨相同洪水,三峽水庫需要提供的防洪庫容會急劇增加(圖4)。枝城控制下泄流量從56 700 m3/s降低到50 000 m3/s和45 000 m3/s,需要的攔洪量將從29.3億m3增加到167億m3和360億m3。1998年全流域洪水,沿線水位長期大幅度超設(shè)計洪水位，但是,1998年上游洪水并不大,枝城最大日均流量65 800 m3/s(二十年一遇流量75 200 m3/s)。將枝城控制流量降低到50 000 m3/s(下游城陵磯等地超設(shè)計水位情景不會明顯改變),三峽水庫需要攔洪167億m3,水庫基本蓄滿。可見,三峽水庫只能主要用于削減洪峰、保護荊江,而對于洪量很大的長江全流域洪水而言，其防洪作用非常有限。

2.2當(dāng)前三峽水庫防洪調(diào)度存在的問題

三峽工程第一任務(wù)是防洪,主要保荊江安全,這是三峽工程的主要目標(biāo)。前述分析已經(jīng)表明,相對于長江中游洪水和規(guī)劃要求,三峽水庫的有效防洪能力已經(jīng)嚴(yán)重偏小，因此,更應(yīng)該嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)劃確定的保荊江為主的枝城補償調(diào)度方案。根據(jù)防洪規(guī)劃,汛期(6—9月)壩前水位應(yīng)控制在145 m汛限水位,對百年一遇以內(nèi)洪水,三峽水庫通過補償調(diào)節(jié),控制枝城流量不超過56 700～60 600 m3/s、沙市水位不超過44.5～45 m。

三峽水庫建成后,需要更多防洪庫容的城陵磯補償方案成了實際調(diào)度首選方案。調(diào)度要求三峽壩前水位低于155 m時,水庫攔洪保證城陵磯水位不超過34.4 m;同時,還讓三峽水庫攔中小洪水[16]。2009年以來,不但沒有嚴(yán)格執(zhí)行三峽防洪規(guī)劃確定的運行方案,而且連續(xù)多年在沒有防洪需求情況下,每年汛期都大幅度超汛限水位運行(圖5(a)),2009—2014年分別超過汛限水位7.7、15.9、8.6、17.9、10.8和17.4 m。這些時候,枝城下泄流量都在40 000 m3/s左右,沙市最高水位42 m左右,遠低于規(guī)劃要求的泄洪能力和沙市設(shè)計洪水位44.5～45.0 m(圖5(b))。而且,這些年城陵磯最高水位都遠低于34.4 m?？梢?即使按照城陵磯調(diào)度方案,三峽壩前水位頻繁超過155 m,實際調(diào)度也違背了相應(yīng)的防洪原則。三峽調(diào)度方案[16]和實際調(diào)度都背離了工程論證所確定的調(diào)度原則,具有法定意義的防洪汛限水位完全成了擺設(shè)。防洪調(diào)度方式改變,更使得相當(dāng)部分防洪庫容過早消耗。過去幾年,汛期連續(xù)高水位運行減少防洪庫容1/3～1/2,這不但顯著增加了荊江災(zāi)害風(fēng)險,而且還會對下游河道行洪能力造成嚴(yán)重影響,將使三峽庫區(qū)淹沒范圍和程度都加重。

注：城陵磯設(shè)計水位為34.4 m；沙市設(shè)計水位45 m；權(quán)城設(shè)計流量為60 600 m3/s;設(shè)計泄洪能力為60 000 m3/s；2009—2014年，城陵磯最高水位分別為30.82、33.28、29.38、33.38、29.8 m。圖5　三峽水庫2009—2014年防洪調(diào)度和運行情況

三峽水庫超汛限水位運行和攔中小洪水,最直接的效益是增加發(fā)電量。2014年年入庫水量基本接近設(shè)計水平,而三峽工程發(fā)電988億kW·h,超過設(shè)計17%?？紤]到三峽水庫防洪能力本來已經(jīng)很小,這種以增加防洪風(fēng)險為代價的調(diào)度方式必須摒棄。

3　長江中游防洪形勢變化與問題分析

長江中游防洪目標(biāo)是1954年洪水。1954年分洪1 023億m3,是20世紀(jì)超額洪水最大的一次。按長江流域防洪規(guī)劃[8],1980年防洪工程實施后,中游仍有超額洪水492億m3。在無三峽水庫情況下、荊江分洪區(qū)分洪54億m3后,城陵磯附近仍需要安排分洪320億m3。有三峽水庫后,按工程規(guī)劃[7]確定的枝城調(diào)度方案,城陵磯附近仍需280億m3蓄滯洪區(qū),如果采用城陵磯調(diào)度方案可適當(dāng)減少分洪量,但需要三峽水庫增加很多攔洪量(表1),因而增加了荊江防洪風(fēng)險。

可見,長江中游防洪安全必須結(jié)合蓄滯洪區(qū)使用。然而,新批準(zhǔn)的長江流域綜合規(guī)劃[11]在城陵磯附近只安排了100億m3蓄滯洪區(qū)建設(shè)。當(dāng)前長江中游蓄滯洪區(qū)規(guī)模與規(guī)劃還有很大差距，而且,1998年洪水期間荊江分洪區(qū)不能使用,導(dǎo)致長江防洪“嚴(yán)防死守”，承擔(dān)了巨大風(fēng)險?，F(xiàn)在,荊江和武漢等蓄滯洪區(qū)內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模和人口增加了很多,特大洪水來臨時,現(xiàn)有蓄滯洪區(qū)的使用難度依然很大。

更重要的是,長江防洪規(guī)劃主要以1954年情況為依據(jù),而現(xiàn)在長江中游河道已發(fā)生很大改變。1998年洪水后,城陵磯附近螺山站同流量(60 000 m3/s左右)水位較1954年大幅度抬高(圖6)。1998年螺山站最大流量比1954年小11 000 m3/s,但城陵磯水位比1954年高1.84 m。長江水利委員會根據(jù)螺山站單一的1980—1999年水位流量關(guān)系包絡(luò)線,將城陵磯設(shè)計水位34.4 m下城陵磯—漢口河段泄洪能力由65 000 m3/s調(diào)整為61 500 m3/s后,無三峽工程方案城陵磯附近分洪量已由表1中的320億m3上升到480億m3(漢口附近降低為16億m3)[12]。文獻[13]采用1954年洪水和1998年中游河道情況進行數(shù)學(xué)模型模擬,按《長江流域防洪規(guī)劃》確定的沙市至湖口設(shè)計水位不變,計算結(jié)果顯示,由于河道泄洪能力降低,按枝城和城陵磯防洪方案調(diào)度后,城陵磯附近分洪量分別達到465億m3和385億m3。即使用分洪量最小的調(diào)度方案,城陵磯附近需要的分洪量也遠超過原來規(guī)劃確定的無三峽工程需要的分洪量。現(xiàn)在,城陵磯以下河道已經(jīng)變化,使河道泄洪能力顯著降低,城陵磯附近分洪量急劇增加。

圖6　1999年洞庭湖口螺山站水位流量關(guān)系與規(guī)劃線(1954年)和單一線(1998年)比較

另一方面,荊江松滋等三口分洪也發(fā)生了很大變化。1998年和1954年洪水比較,進入荊江枝城斷面的最大流量分別68 800 m3/s和71900 m3/s,而下荊江監(jiān)利斷面最大流量分別是46 300 m3/s和35 600 m3/s。1998年荊江洪水小于1954年,而下荊江洪水流量反而超過后者10 700 m3/s。同時,1998年下荊江同流量洪水位也抬高。監(jiān)利設(shè)計泄洪能力42 000 m3/s左右的最高水位已經(jīng)比1954年實測最高水位高1.73 m,比當(dāng)?shù)氐谭涝O(shè)計水位高出0.88 m。因此,即使現(xiàn)在再遇1954年洪水,但荊江洪水流量更大、城陵磯高洪水頂托更加嚴(yán)重,荊江防洪形勢也更趨緊張。文獻[13]按目前河道情況,給出了幾種分洪規(guī)模條件下各站最高洪水位(表2)。即使是按需要三峽水庫攔洪最多的城陵磯方案調(diào)度(三峽水庫攔洪181.6億m3、最高壩前水位172 m),監(jiān)利、城陵磯和漢口超過設(shè)計洪水位的幅度都很大。若城陵磯附近只有目前100億m3蓄滯洪區(qū),監(jiān)利、城陵磯和漢口將分別超過設(shè)計洪水位1.37 m、2.19 m和1.72 m。即使按320億m3蓄滯洪區(qū)規(guī)模,監(jiān)利和城陵磯超高水位幅度仍然很大。在城陵磯高洪水位頂托和下荊江洪水流量增加的雙重壓力下,三峽水庫能發(fā)揮的控制作用十分有限。城陵磯洪水位比1954年抬高,對荊江和洞庭湖防洪都有嚴(yán)重的影響。再遇1954年洪水,荊江也存在很大風(fēng)險,這是原來沒有預(yù)料到的。

圖7　三峽水庫蓄水后長江中游各站的水位、流量關(guān)系比較及水位變幅分析

表2　按城陵磯方案調(diào)度1954年洪水各站最高水位、城陵磯和漢口分洪規(guī)模

2003年三峽水庫蓄水以來,長江中游整體上發(fā)生了較大規(guī)模沖刷,2002年10月至2014年10月,宜昌-湖口之間干流河道共計沖刷15.4億m3,荊江河道平均降低2.11 m。根據(jù)實測水位、流量資料和比水位流量關(guān)系法[17],圖7給出了最近10余年沖刷后中游各站單一水位流量關(guān)系的變化情況。總體趨勢是,中小流量期間水位降低幅度較大,但是,河道清水沖刷下切并沒有降低大流量期間的水位(甚至有一定程度抬高)。清水沖刷和水位降低對洞庭湖、鄱陽湖及河道生態(tài)環(huán)境影響較大,同時洪水位抬高對防洪不利。造成當(dāng)前洪水位反?，F(xiàn)象的主要原因是,三峽工程正常運行以來,長期偏離了規(guī)劃確定的防荊江大洪水為主的原則,攔蓄中小洪水使荊江泄洪流量長期低于設(shè)計泄洪能力,河道運行的最高水位偏低(圖3)。對河道行洪能力極為重要的河灘以上泄洪斷面長期得不到洪水塑造，阻力增加，泄洪能力萎縮。雖然清水沖刷對高洪水位影響還在變化過程中,但可以肯定的是,1998年洪水后清水沖刷與河道變化沒有改變長江中游防洪格局,三峽工程運行以來長江中游河道的行洪能力沒有得到改善。

當(dāng)前三峽水庫攔中小洪水給長江中游防洪帶來更多新問題。通過三峽水庫調(diào)節(jié)把原本通過灘地下泄的洪水都約束到主槽中,河流造床流量持續(xù)的機會和時間增加會加劇河槽沖刷;由于河槽沖刷不均勻,局部沖刷劇烈(如荊江門等地2014年實測最大沖深已超過20 m),會加劇崩岸,近年堤前灘地崩岸增多對堤防安全是很大的威脅;由于實際洪水流量長期大幅度小于河道設(shè)計行洪能力,較高堤身部位長期得不到洪水檢驗、隱患難以即時排查,真正過設(shè)計流量洪水時,堤身出現(xiàn)管涌等風(fēng)險機會增加;汛期較高水位行洪時段顯著加長,堤身長期浸泡也會降低高洪水期間堤防強度。更值得重視的是,如果長期沒有較大洪水,防洪設(shè)施占用情況增加,沿岸群眾防洪意識和防洪能力也會降低,而對三峽等工程防洪的期待程度將越來越高。長江中游防洪能力嚴(yán)重不足,一旦大洪水來臨,局面將非常被動。

三峽水庫攔蓄中小洪水后,一旦遭遇特大洪水,有效防洪能力必然進一步降低。除前面指出的不利因素外,庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害也構(gòu)成嚴(yán)重制約。考慮到庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害和庫岸穩(wěn)定的限制,水庫調(diào)度規(guī)程[18]要求防洪期間庫區(qū)最大的水位日降不超過2 m(這一幅度顯著低于論證期間調(diào)洪計算采用的幅度)。當(dāng)前汛期三峽庫區(qū)航運也非常繁忙,防洪期間三峽大壩與葛洲壩兩壩間大量船舶也會嚴(yán)重限制三峽水庫的防洪調(diào)度。同時,在實際調(diào)度中,三峽泄洪和騰空庫容時必須考慮荊江以外堤防的安全(這在規(guī)劃中沒有考慮)。長江多呈多峰洪水,在上述復(fù)雜和嚴(yán)格的條件限制下,三峽水庫防洪庫容重復(fù)利用難度很大,汛期防洪庫容一旦被占據(jù)就很難即時騰出。

必須指出,三峽工程為長江黃金水道建設(shè)提供了重要前提條件，但是,原來三峽工程規(guī)劃確定的通航保證率很低(規(guī)劃萬噸船隊直達重慶保證率只有50%,汛期保證率很低),由于船舶動力條件改善,現(xiàn)在限制沒有那么嚴(yán)格了。三峽水庫蓄水以來,長江航運增加速率超過三峽水道規(guī)劃,汛期大量船只和防洪之間的矛盾在黃金水道規(guī)劃中必須高度重視，否則,今后三峽水庫防洪調(diào)度的限制條件還會更加苛刻。

4　對策建議

長江是世界大河中最繁榮的流域,同時荊江也是罕見的地上懸河。中游沖積平原一直洪水災(zāi)害嚴(yán)重,三峽建成使荊江防洪能力提高、防洪形勢得到一定程度改善。但是,由于三峽水庫的防洪能力極其有限;長期河道淤積抬高了河道同流量水位、下荊江洪水流量增加;中游蓄滯洪區(qū)規(guī)模偏小,已有分蓄洪區(qū)使用困難;三峽水庫運行以來,長期超汛限水位運行使水庫防洪庫容進一步減小,下游河道行洪能力萎縮,清水沖刷還進一步增加了下荊江防洪壓力;三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害和汛期通航大幅度增加等因素也進一步限制了水庫防洪調(diào)度、降低了防洪能力。在全球氣候變化等更大不確定性因素影響下,三峽工程建成后長江中游防洪安全仍然需要切實的對策并加以改進,建議:

a. 切實維護三峽工程規(guī)劃確定目標(biāo)和防洪調(diào)度方式,嚴(yán)格控制汛限水位,積極優(yōu)化調(diào)度以增加防洪能力。三峽水庫防洪庫容相對較小,只能用來消減荊江洪峰、保荊江安全和相應(yīng)減少城陵磯附近洪水分洪量。三峽工程發(fā)揮好作用的關(guān)鍵是嚴(yán)格控制汛限水位。《中華人民共和國防洪法》規(guī)定“水庫應(yīng)該按照防洪規(guī)劃的要求留足防洪庫容”、“在汛期水庫不得擅自在汛限水位以上蓄水”,全國人民代表大會批準(zhǔn)的三峽建設(shè)方案具有法律效應(yīng)。當(dāng)前,三峽水庫超汛限水位運行和攔蓄中小洪水等做法違背了三峽工程建設(shè)目標(biāo),必須徹底摒棄。同時,考慮到三峽水庫有效防洪能力小于設(shè)計能力,應(yīng)積極采取優(yōu)化調(diào)度措施,提高防洪能力。一個直接和有效的方式是充分利用入庫洪水有效預(yù)見期和三峽水庫的靈敏性預(yù)泄洪水(工程設(shè)計保證最低可降到135 m),增加防洪庫容,利用下游河道提前泄洪(即“雙汛限”和“多汛限”等動態(tài)汛限水位調(diào)度方案[19-20])。預(yù)泄還可人造安全洪水,有序塑造下游河道,防止防洪能力萎縮,同時還可減少水庫泥沙淤積,改善庫區(qū)和下游河湖生態(tài)環(huán)境,增加三峽工程發(fā)電效益[21]。

b. 盡快完成三峽工程規(guī)劃要求的城陵磯附近蓄滯洪區(qū)建設(shè),采取措施保證蓄滯洪區(qū)分洪并兼顧發(fā)展。近年的變化使城陵磯附近分洪量增加幅度很大,是長江中游防洪的重點。建議盡快安排不低于三峽工程論證要求的城陵磯附近280億m3蓄滯洪區(qū)規(guī)模建設(shè),適當(dāng)提高城陵磯設(shè)計洪水位、降低荊江分洪區(qū)啟用標(biāo)準(zhǔn),以最大限度利用荊江和武漢附近分蓄洪區(qū)。同時,國家必須采取措施保障蓄滯洪區(qū)建設(shè)和正常使用。分蓄洪區(qū)的建設(shè)和運用受人口壓力的制約嚴(yán)重,要達到上述目標(biāo),發(fā)展、人口與防洪安全之間的矛盾必須首先得到解決。建議改革蓄滯洪區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展方式,走現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和災(zāi)害風(fēng)險分擔(dān)之路[22],這也是實現(xiàn)這些區(qū)域全面小康的要求。

c. 改變和優(yōu)化金沙江下游4大梯級水庫汛期的運行方式[23-24]。金沙江烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩4大梯級水庫已經(jīng)或?qū)㈥懤m(xù)建成,目前設(shè)計防洪庫容145億m3,是長江防洪體系組成部分。但是,這些水庫與中游防洪區(qū)和上游暴雨中心相距較遠,設(shè)計汛限水位高于死水位(白鶴灘和烏東德都高20 m),防汛期與汛期后長江水庫蓄水矛盾很大,泥沙淤積比較嚴(yán)重。為了更好發(fā)揮這4大水庫對長江中游的防洪作用,建議將其6月至7月下旬(長江主汛期)汛限水位降低到死水位(增加防洪庫容58.6億m3),增加的防洪庫容主要用于幫助三峽水庫防洪期間降低洪水基流;根據(jù)長江汛情,到7月下旬或8月初提前蓄水(只留宜賓防洪庫容)、在蓄水過程中發(fā)揮防洪作用。這樣不但可以更大降低長江中游防洪壓力,也可緩解長江水庫群汛后蓄水矛盾和長江中下游水量減少問題,同時也利于這些水庫泥沙淤積減少和長期利用。

d. 加強三峽庫區(qū)岸坡治理,提高水庫防洪調(diào)度的靈活性。水庫蓄水后,庫岸邊坡穩(wěn)定條件改變,存在調(diào)整和適應(yīng)過程,發(fā)生一些滑坡難以避免。三峽水庫蓄水以來,庫區(qū)確實發(fā)生了較多滑坡,必須引起高度重視。當(dāng)前《三峽—葛洲壩梯級水利樞紐調(diào)度規(guī)程》[18]要求限制水庫防洪期間的水位降幅2 m/d十分必要。然而,長江很容易出現(xiàn)連續(xù)多峰的大洪水過程,不能因為邊坡穩(wěn)定的限制條件而嚴(yán)重降低防洪庫容的重復(fù)利用,以致影響三峽工程發(fā)揮既定的防洪作用。建議加強三峽庫區(qū)岸坡治理,特別是要通過增加排水條件盡快加固一些重要滑坡體,以提高庫岸巖體對水位變化的適應(yīng)能力。必須爭取達到3 m/d或更大的水位變率,以滿足三峽水庫防洪調(diào)度必要的靈活性要求。

e. 采取積極措施維護長江中游江湖關(guān)系穩(wěn)定。從更長遠看,由于上游大量水庫攔截泥沙,當(dāng)前中游河道的清水沖刷過程可能持續(xù)200～300年以上。大幅度河道沖刷對當(dāng)前中游的江湖關(guān)系、洪水蓄泄能力和堤防安全都會造成很大影響,嚴(yán)重時甚至改變江湖格局,這是現(xiàn)代社會難以適應(yīng)的變化。如,若荊江和城陵磯河段持續(xù)沖刷下去(由于河床下軟弱覆蓋層很厚,大幅度沖刷的可能性存在),江湖關(guān)系改變將加速洞庭湖萎縮,使其防洪作用減小。因此,必須采取措施維護江湖格局相對穩(wěn)定,關(guān)鍵是保證荊江河道不能發(fā)生劇烈沖刷。為此,建議通過在水庫挖粗沙等方式來修復(fù)長江泥沙通量[25]和“引清水入洞庭”[26],從根本上降低荊江沖刷能量。同時,在三峽水庫控制之下更多讓中游河道過安全洪水,也是減少河槽沖刷的途徑。

謹(jǐn)以此文深切懷念林秉南先生。

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基金項目:國家自然科學(xué)基金(51509137,51179088);水沙科學(xué)與水利水電工程清華大學(xué)國家重點實驗室項目(2013-ky-01, 2015-ky-02)

作者簡介:張曼(1986—),女,博士,主要從事河流動力學(xué)研究。E-mail:zhangman98@tsinghua.edu.cn 通信作者:周建軍(1960—),男,教授,博士,主要從事河流動力學(xué)和三峽工程等研究。E-mail: zhoujj@tsinghua.edu.cn

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.04.001

中圖分類號：TV87

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)04-0001-10

(收稿日期：2016-06-03編輯：彭桃英)

Flood control problems in middle reaches of Yangtze River and countermeasures

ZHANG Man1,2, ZHOU Jianjun1,2, HUANG Guoxian1,2

(1. Department of Hydraulic Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;2.StateKeyLaboratoryofHydroscienceandEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

Abstract：The Three Gorges Project (TGP)’s primary task is flood control, with emphasis being placed on the safety of the Jingjiang River. With this background, we analyze the status of flood control in the middle reaches of the Yangtze River and the problems in the TGP. In terms of the status and requirements of flood control in the middle reaches of the Yangtze River, the flood control capacity of the Three Gorges Reservoir is far lower than the excess flood amount in the middle reaches of the Yangtze River. The dynamic flood control capacity is lower than the designed static flood control capacity, and the valid flood control capacity is even lower. Long-term evolution of river channels has caused the water levels of Chenglingji and other areas to increase for a constant flow rate. The construction scale of the flood storage and detention area has been too small and has fallen behind schedule, resulting in difficulties in operation. In addition, water scouring has not decreased the flood water level, but has reduced the amount of flood diverted from the Jingjiang River into Dongting Lake and caused the flood discharge capability of the river channels to further degrade. Since the beginning of operation of the Three Gorges Reservoir in 2008, it has been operated for years at water levels of medium-and small-scale floods and above flood control levels, reaching the flood control capacity and reducing the flood flow downwards. As a result, the downstream river channels have not experienced floods for long periods, and their flood discharge capabilities and dikes have not been tested. Due to uncertain factors such as climate change, the middle reaches of the Yangtze River are still facing serious flood control problems. We propose suggestions as follows: pursuing the planning goals of the TGP and adopting flood regulation modes; strictly controlling the flood control level; optimizing the regulation and increasing the reservoir’s flood control capability; completing the construction of the flood storage and detention area near Chenglingji as quickly as possible, as required in the TGP; taking measures with consideration of both flood diversion and local development; optimizing the operation modes of four cascade reservoirs in the lower reaches of the Jinsha River in flood seasons; strengthening the governance of banks and slopes in the reservoir area; improving the reservoir’s flexibility in flood control and regulation; and maintaining a stable relationship between rivers and lakes in the middle reaches of the Yangtze River.

Key words：flood regulation; flood control capacity; flood control level; flood control status; Three Gorges Reservoir; middle reaches of Yangtze River

編者按：科學(xué)精神的核心是批判、質(zhì)疑和實事求是，學(xué)術(shù)需要交流和爭鳴。本刊從2016年第4期開始，開辟“特約專家論壇”。本期刊登的3篇特約稿件中，清華大學(xué)周建軍教授為通信作者的《長江中游防洪問題與對策》，對三峽工程的防洪作用和長江中游防洪形勢提出了獨到的見解；本研究凝聚了三代研究人員的心血，其中一些學(xué)術(shù)觀點和研究結(jié)論，由于種種原因18年后的今天才在本文揭示。希望本文的發(fā)表能促進客觀用好三峽，保證長江防洪更安全。河海大學(xué)陳建生教授的《外源地下水補給二連浩特盆地》，秉承其獨特的“地下水深循環(huán)”理論，通過研究二連浩特地區(qū)大氣水、地表水、土壤水與地下水之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，確定二連浩特干旱區(qū)存在深循環(huán)地下水，并成功在古火山區(qū)打出了4口自流井。這是陳建生教授幫助阿拉善右旗打出8口富鍶型礦泉水后的又一次實踐。鄭州大學(xué)左其亭教授的《我國海綿城市建設(shè)中的水科學(xué)難題》，以一種宏大的視角從水科學(xué)學(xué)科體系的10個方面，闡述水科學(xué)在海綿城市建設(shè)中的應(yīng)用和海綿城市建設(shè)中可能遇到的6方面水科學(xué)難題，并初步提出這些難題的解決途徑。三位教授的文章觀點新穎，視角獨特，但難免有人持不同觀點或者反對意見。本刊歡迎學(xué)術(shù)爭鳴，期盼更多的專家學(xué)者能關(guān)注本刊、參與討論。