朱瀟遙張彥寧馬文輝

（1.北京市京密引水管理處，北京 101400；2.北京市密云水庫管理處，北京 101500）

0 引言

洪澇災(zāi)害是危及人民的生命財產(chǎn)安全，影響國家長治久安的重大自然災(zāi)害。洪水防治一直以來都是國家和人們關(guān)注的重點工作。1997年我國通過了《中華人民共和國防洪法》，并于2009年和2016年結(jié)合實際情況進行了修正，為我國的洪水防治工作提供了依據(jù)和指導(dǎo)方向。水利工程包括修建水庫、塘壩、截流溝等工程，其目的在于防止水土流失、坡地洪水暴發(fā)等危險的發(fā)生，也是防洪除澇的大型基礎(chǔ)設(shè)施。水庫作為重要的水利工程建筑物，具有攔洪蓄水、調(diào)節(jié)水流等功能，在除害興利中發(fā)揮著重要作用。北京是我國的首都，人多水少，水資源匱乏情況嚴重，如何合理運用地區(qū)水庫是目前需要解決的關(guān)鍵問題［1］。由于水庫首先需要保障防洪安全，還要兼顧水資源合理利用和市區(qū)供水灌溉，這進一步增加了水庫合理運用的難度。密云水庫和懷柔水庫是北京地區(qū)重要的防洪和供水設(shè)施。密云水庫和懷柔水庫不僅是北京地區(qū)重要的防洪屏障，還是北京市區(qū)飲用水供應(yīng)、農(nóng)田灌溉的重要保障，其中懷柔水庫的主要功能是輸配水，是密云水庫南水北調(diào)工程中的重要調(diào)節(jié)點。由此可見，密云水庫和懷柔水庫之間存在緊密的聯(lián)系。許多專家和學(xué)者研究了密云水庫和懷柔水庫洪水防控治理問題，黃俊雄等［2］根據(jù)1960—2016年密云水庫來水量，評估了土地利用和氣候環(huán)境變化對密云水庫來水量變化的影響程度。羅陽春等［3］根據(jù)密云水庫歷年高水位期間監(jiān)測資料，分析了水庫高水位運行潛在安全風(fēng)險。王澤勇等［4］根據(jù)以往數(shù)據(jù)分析了氣候變化和人類活動對北京密云水庫上游流域徑流變化的影響，并研究了潮白河生態(tài)補水對密云水庫工程、河道堤防以及防洪方面的影響［5］。楊秀芳［6］通過分析1959—2018年暴雨洪水資料，總結(jié)了懷柔水庫流域暴雨洪水特征。周寧等［7］根據(jù)防洪標準和歷史洪水信息，提出了懷柔水庫洪水防御對策，包括洪水監(jiān)測預(yù)報、防洪工程調(diào)度、防洪搶險技術(shù)支撐等。從上述分析可以看出，許多專家和學(xué)者從不同角度分析了密云水庫和懷柔水庫洪水防控、調(diào)度等問題，取得了許多有價值的成果。然而，大多數(shù)研究僅從單一水庫角度研究，很少考慮這兩個水庫之間的聯(lián)系，一些研究指出水庫群隨機優(yōu)化調(diào)度［8］、聯(lián)合調(diào)度［9］、綜合治理［10］等是防洪減災(zāi)、水資源高效利用的重要方法。提高密云水庫和懷柔水庫洪水防控綜合治理能力是解決北京地區(qū)防洪供水難題的重要途徑。因此，本研究通過對比密云水庫和懷柔水庫洪水防控情況，分析兩者之間存在的聯(lián)系和問題，基于此提出實現(xiàn)密云水庫和懷柔水庫洪水防控綜合治理的措施和辦法，為北京地區(qū)水庫綜合運用和防洪興利提供參考。

1 密云水庫與懷柔水庫洪水防控綜合分析

1.1 密云水庫與懷柔水庫基本概況

密云水庫坐落在燕山南麓密云區(qū)，距北京市區(qū)中心約90 km，建成于1960年，水庫控制流域面積15 788 km2，為華北地區(qū)最大的水庫。水庫工程按千年一遇洪水設(shè)計，萬年一遇洪水校核，壩頂高程160.0 m，設(shè)計水位157.5 m，校核水位158.5 m，正常蓄水位157.5 m，汛期限制水位152.0 m，死水位126.0 m。水庫總庫容43.75億m3，其中防洪庫容9.27億m3，調(diào)洪庫容11.08億m3，興利庫容35.45億m3，死庫容4.19億m3。主要建筑物包括7座大壩、7條隧洞、3座溢洪道、1座電站和1座調(diào)節(jié)池。

懷柔水庫位于北京市懷柔區(qū)城西，始建于1958年，經(jīng)多次改擴建，為大Ⅱ型水庫，具有防洪、蓄水、供水等綜合效益。懷柔水庫控制流域面積525 km2，防洪標準按100年一遇洪水設(shè)計，2 000年一遇洪水校核，設(shè)計洪水位64.16 m，校核洪水位67.73 m，正常蓄水位62.0 m，汛期限制水位58.0 m，死水位126.0 m。總庫容1.44億m3，其中防洪庫容1.05億m3，興利庫容0.65億m3，死庫容0.085億m3。懷柔水庫水利樞紐主要包括1座主壩、4座副壩、1座進水閘、1座輸水閘、1座輸水隧洞、1座防洪閘、2座溢洪道和1座非常溢洪道。

從密云水庫和懷柔水庫基本情況可以看出，在地理位置方面，密云水庫在懷柔水庫東北邊，均屬于潮白河水系。在水庫規(guī)模方面，密云水庫容量遠遠大于懷柔水庫，前者作用和功能在北京市防洪興利上具有主導(dǎo)地位。為了解決北京市供水問題，密云水庫和懷柔水庫之間由京密引水渠相連，由此水渠將密云水庫的水經(jīng)懷柔水庫以及其他水庫引入北京市。由此可見，在防洪興利方面密云水庫和懷柔水庫之間存在緊密聯(lián)系。

1.2 密云水庫與懷柔水庫歷史洪水綜合分析

密云水庫與懷柔水庫同屬于潮白河水系，洪水形成主要由暴雨引起。通過對以往年份暴雨和洪水資料分析，密云水庫和懷柔水庫暴雨洪水主要呈以下4個特征［6］。第一，不同年份暴雨變化大，暴雨分布不均勻，主要汛期集中在每年的6—9月。第二，暴雨空間分布不均勻，暴雨中心位置對洪水形成影響較大，當降雨量小于100 mm時，暴雨中心偏中下游，當降雨量大于100 mm時，暴雨中心偏中上游。第三，暴雨持續(xù)時間短，相應(yīng)的洪水歷時短，整個持續(xù)過程大于2～3 d。第四，洪水大多發(fā)生在7—8月，不同年份洪峰流量相差較大。

為了探索密云水庫和懷柔水庫，分別收集了兩個水庫歷年洪峰出現(xiàn)時間、入庫洪峰流量以及洪量，密云水庫歷年洪水情況如表1所示，懷柔水庫歷年洪水情況如表2所示。

表1 密云水庫歷年洪水情況表

將表1和表2中的數(shù)據(jù)相結(jié)合可以看出，密云水庫和懷柔水庫洪水發(fā)生時期大多集中在7—8月，由于兩個水庫規(guī)模和水容量具有較大差別，入庫洪峰和洪量從數(shù)值上難以進行有效綜合分析，但是可以對兩個水庫相同年份洪水發(fā)生時間進行統(tǒng)計和綜合分析，統(tǒng)計圖如圖1所示。

表2 懷柔水庫歷年洪水情況

從圖1可以看出，密云水庫和懷柔水庫洪水發(fā)生時間軌跡非常相近，其中1964年、1969年、1973年、1974年密云水庫和懷柔水庫洪峰出現(xiàn)時間差完全一致，其他年份洪峰出現(xiàn)時間差也相差不大，這表明兩個水庫受到暴雨洪水及其影響相似，防洪時間節(jié)點一致。因此，在制定供水防控方案時，可以考慮密云水庫和懷柔水庫共同防御洪澇災(zāi)害，制定統(tǒng)一的洪水防控策略。

圖1 密云水庫和懷柔水庫洪水發(fā)生時間趨勢

1.3 密云水庫與懷柔水庫洪水調(diào)度方案綜合分析

密云水庫洪水調(diào)度方案主要包括洪水控制指標、調(diào)度運用計劃、洪水預(yù)報調(diào)度安排、調(diào)度權(quán)限以及調(diào)度工作程序等。根據(jù)降雨量統(tǒng)計分析，密云水庫汛期限制指標分為兩個部分，6月1日—8月10日限制水位152 m，8月11日—9月30日限制水位154 m。按照這種汛期時間劃分，制定相應(yīng)的正常調(diào)度規(guī)則和錯峰調(diào)度規(guī)程。在洪水預(yù)報方面，根據(jù)流域?qū)嶋H雨量和氣象情況，按短期（12～24 h）、中期（1～7 d）、長期（7～15 d）三種方式預(yù)報場次降雨洪峰流量及峰現(xiàn)時間、入庫洪量、水庫最高水位及出現(xiàn)時間。在安全監(jiān)測方面，按《密云水庫水利工程運行管理標準化運行手冊》《密云水庫水利工程運行管理標準化制度手冊》中相關(guān)制度做好大壩監(jiān)測工作。在雨水監(jiān)測方面，設(shè)有40個遙測雨量站，另有12個水文站。洪水預(yù)報采用自主研發(fā)密云水庫洪水預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)，通過自動化系統(tǒng)洪水預(yù)報、人工預(yù)報、實際來水進行比測。

懷柔水庫洪水調(diào)度方案主要包括洪水調(diào)度、防御措施、調(diào)度權(quán)限以及工作機制等。在供水調(diào)度和防御措施方面，按標準內(nèi)洪水和超標準洪水制定了相應(yīng)的泄洪途徑和最大泄洪量，例如遇10年一遇以下洪水（入庫洪峰流量≤2 440 m3/s或3 d洪量≤0.548億m3時），結(jié)合天氣預(yù)報及洪水預(yù)報結(jié)果，控制最大下泄流量320 m3/s，遇100年一遇以上2 000年一遇以下洪水（5 059 m3/s＜前辛莊和口頭水文站入庫流量之和≤8 543 m3/s或1.140億m3＜3 d洪量≤1.974億m3時），結(jié)合天氣預(yù)報及洪水預(yù)報結(jié)果，東、西溢洪道敞泄，最大下泄流量3 036 m3/s。在制定防御措施時，根據(jù)庫區(qū)內(nèi)和下游行洪存在淹沒風(fēng)險評估統(tǒng)計，制定人員轉(zhuǎn)移避險方案。同時，通過人體感官、錘、釬等常規(guī)檢查方法，必要時采用開挖探坑（或槽）、探井等特殊檢查方法，對壩體、壩基和壩區(qū)、輸水隧洞、溢洪道、近壩岸坡等重要部位進行巡查。

從以上密云水庫和懷柔水庫洪水調(diào)度方案內(nèi)容可以看出，密云水庫和懷柔水庫洪水調(diào)度方案主要按照國家和地方標準，結(jié)合水庫自身情況，制定符合水庫安全的防洪措施。雖然這種水庫防洪措施能基本滿足水庫要求，但是洪水治理是一項系統(tǒng)工程，在潮白河水系中每一個水庫并不是孤立存在的，都是供水治理系統(tǒng)的組成部分。密云水庫和懷柔水庫是該系統(tǒng)中重要組成部分，它們之間存在非常緊密的聯(lián)系，由于密云水庫和懷柔水庫洪水調(diào)度措施相對獨立，尚未形成統(tǒng)一的防御策略制定機制，在一定程度上造成了洪水防控資源浪費。

2 密云水庫與懷柔水庫洪水防控綜合治理措施

通過對密云水庫和懷柔水庫洪水防控綜合分析可知，密云水庫和懷柔水庫在防洪興利方面具有緊密聯(lián)系，兩個水庫同屬于潮白河水系，汛期洪峰到來時間相差不大，但是兩個水庫洪水防控方案相對獨立，在洪水防御策略上并沒有形成一個統(tǒng)一的整體。為了有效使用洪水防控資源，使密云水庫和懷柔水庫形成一個洪水聯(lián)合防控系統(tǒng)，進一步降低洪澇災(zāi)害的影響，提出以下洪水防控綜合治理措施。

2.1 建立密云水庫與懷柔水庫防洪聯(lián)合調(diào)度機制

水庫群防洪聯(lián)合調(diào)度是對流域內(nèi)水文、地理相互聯(lián)系的水庫進行統(tǒng)一協(xié)同調(diào)度，使流域內(nèi)洪水防治效果最大化。水庫群作為一個系統(tǒng)整體，在防洪效果上并不是簡單的相加，通過合理的調(diào)度分配實現(xiàn)“1+1＞2”的效果。密云水庫和懷柔水庫同屬潮白河水系，根據(jù)其地理位置，可組成并聯(lián)水庫群。首先根據(jù)密云水庫和懷柔水庫的基本情況，構(gòu)建相應(yīng)的聯(lián)合調(diào)度模型，基于此，結(jié)合天氣預(yù)報對兩水庫的運行統(tǒng)計協(xié)調(diào)和安排。在暴雨洪水到來時，通過調(diào)度模型綜合運算，制定一系列蓄洪滯洪、錯峰削峰等措施，優(yōu)化水庫最大泄量和泄洪時間，達到水庫及區(qū)間防洪安全的目的，充分發(fā)揮密云水庫和懷柔水庫的防洪綜合作用。

2.2 提高密云水庫與懷柔水庫洪水實時預(yù)報精度

洪水實時預(yù)報精度直接影響水庫防洪調(diào)度的有效性和安全性。實時校正是洪水預(yù)報的重要組成部分，也是提高預(yù)報精度的重要手段。在密云水庫與懷柔水庫洪水實時預(yù)報中，可以采用多種不同方法提高預(yù)報精度，例如計量經(jīng)濟學(xué)中的協(xié)整理論和誤差修正模型［11］，將卡爾曼濾波和K最鄰近結(jié)點算法的聯(lián)合實時校正［12］，或?qū)C器學(xué)習(xí)技術(shù)運用到洪水實時預(yù)報中提高預(yù)報精度［13］。

2.3 拓寬密云水庫和懷柔水庫防洪信息傳遞渠道

氣象、水文、地理、防洪等信息的快速準確傳遞是實現(xiàn)水庫群防洪聯(lián)合調(diào)度的重要保障。密云水庫和懷柔水庫在防洪方面具有獨立的信息收集渠道，例如密云水庫設(shè)有40個遙測雨量站，另有12個水文站收集各類信息，懷柔水庫則是通過公共氣象部門收集信息。由于暴雨洪水變化快，各類信息收集存在時間差，在防洪實際過程中會造成密云水庫和懷柔水庫洪水防控信息不對稱。為了更有效地實現(xiàn)密云水庫和懷柔水庫防洪聯(lián)合調(diào)度，可以運用更多先進的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，拓寬他們之間防洪信息傳遞渠道，使得密云水庫和懷柔水庫之間的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度變得越來越“智慧”。

3 結(jié)語

密云水庫和懷柔水庫是北京市防洪興利中重要的水利樞紐工程。為了提高防洪資源使用效率，通過以往數(shù)據(jù)對密云水庫和懷柔水庫洪水防控進行了綜合分析，根據(jù)分析結(jié)果提出了密云水庫和懷柔水庫防控綜合治理措施，為密云水庫和懷柔水庫防洪聯(lián)合調(diào)度提供了參考和借鑒。