牟倫武

(四川省達州水文水資源勘測中心,四川達州,635000)

0 引言

近年來,受暴雨影響,達州市轄區(qū)主要河流先后發(fā)生了多場次洪水過程,其中2021年“8.29”、2022年“10.5”洪水主要發(fā)生在州河。兩次洪水洪峰量遠超達州城區(qū)防洪安全流量,在水文部門精準預測預報和防汛部門科學調度下,充分發(fā)揮了州河水庫群聯(lián)防聯(lián)控作用,最大程度削減洪峰流量,最大限度減小了洪水災害損失,全市無人死亡,達州城區(qū)安瀾。兩次典型的洪水過程,充分發(fā)揮工程與非工程作用,預報調度一體化完美結合、相互耦合發(fā)揮防洪減災效應,預報調度過程值得分析,流域水庫群預報調度一體化做法值得研究和思考。

本文基于州河流域水庫群典型洪水預報調度過程開展分析研究,旨在進一步分析預報和調度關系,厘清預報對調度的決策支撐作用,研究調度對預報的反饋影響,提出在今后的應用實踐中,預報調度環(huán)節(jié)必須耦合,開展預報調度一體化,實現(xiàn)精準預報精細調度,方能充分發(fā)揮工程與非工程措施合力,守牢水旱災害防御底線。

1 州河防洪現(xiàn)狀

1.1 州河流域概況

州河是渠江左岸最大的一級支流,流域面積11102km2,占渠江流域總面積29%。上源主要支流有前河、中河、后河三支,均發(fā)源于大巴山南麓,前河為主源,發(fā)源于重慶市城口縣與巫溪縣交界的碑梁子,自東北向西南流,至宣漢縣城附近與后河匯合后始稱州河,繼續(xù)西南流,經通川區(qū)、達川區(qū)至渠縣三匯鎮(zhèn)匯入渠江。州河全長310km,河道平均坡降1.41‰,流域形狀呈樹枝狀發(fā)育,下游較大支流有明月江、銅缽河、東柳河等。州河流域水系及水庫群分布見圖1。

圖1 州河流域水系及水庫群分布

1.2 流域現(xiàn)狀防洪能力及調度目標

達州市主城區(qū)堤防工程建設相對薄弱,防洪標準較低,特別是城區(qū)右岸部分堤防不足5年一遇?，F(xiàn)狀河道行洪能力較弱,河道安全行洪流量約5250m3/s。州河2004年“9.3”(最大洪峰流量13100m3/s)、2005年“7.8”(最大洪峰流量11300m3/s)等洪水,給達州市主城區(qū)造成了重大的洪澇災害損失。

流域內缺乏控制性調蓄工程,干流僅江口水庫有一定的調蓄能力,調節(jié)庫容僅1.33億m3,調節(jié)能力有限。在一般或較大洪水情況(入庫流量小于7000m3/s),可在確保水庫自身安全的前提下發(fā)揮其滯洪削峰的作用,有一定的調蓄能力。但當遭遇大洪水時(如2004年“9.3”洪水總量達12.9億m3)基本無法攔蓄和削峰、錯峰,不能有效減小洪水帶來的損失。

根據(jù)流域現(xiàn)狀防洪能力及流域內水庫調洪能力[1],發(fā)揮州河干流三座水庫的共同作用,在其調洪范圍內,盡可能削減洪峰流量,減少對達州城區(qū)的淹沒損失。同時,統(tǒng)籌巴河來水,州河流域的調度可實時攔蓄部分洪水,實現(xiàn)錯峰削峰,減小渠江干流洪峰量級,以減小對渠縣三匯鎮(zhèn)、渠縣城區(qū)及廣安城區(qū)的洪水沖擊及淹沒損失。

1.3 州河洪水成因及特點

州河流域上游地處大巴山西南麓迎風坡,又處于西南低渦的移動路徑上,受西太平洋副熱帶高壓、青藏高原低值系統(tǒng)及北方冷空氣等天氣系統(tǒng)影響,形成著名的大巴山暴雨區(qū)。流域洪水發(fā)生與暴雨季節(jié)一致,一般在5-10月出現(xiàn),大洪水以7-9月多見。主汛期暴雨多且河道兩岸地形坡度較陡,產匯流時間短,具有陡漲陡落、峰高量大、過程線尖削等特點。過程線形狀多單峰,單峰洪水歷時約2d～3d。

1.4 州河干流水庫群情況

州河干流自上而下現(xiàn)有江口、羅江口、金盤子、舵石鼓四個梯級水力發(fā)電站,其中最下游的舵石鼓電站位于達州城區(qū)下游80km,為低壩溢流壩水電站,無調節(jié)削峰作用,其余三座為河道型水庫電站。

1.4.1 江口電站

江口水庫于1991年建成,是州河干流梯級開發(fā)中的第一級,距離達州城區(qū)約51km,是一座以發(fā)電為主,兼有防洪、灌溉等綜合利用的水利樞紐。水庫壩址位于宣漢縣城前、后河匯合口,控制集水面積6364km2,占州河流域面積的71.9%,控制條件優(yōu)越。水庫擋水和泄水建筑物設計洪水標準為100年一遇,洪峰流量12500m3/s,校核洪水標準為1000年一遇,洪峰流量為15800m3/s。正常蓄水位為330.00m,主汛期防洪限制水位為327.00m,次汛期防洪限制水位為328.00m。

江口電站為不完全年調節(jié)電站,裝機容量5.1萬kW,總庫容2.77億m3,調洪庫容1.33億m3,具有一定的調洪削峰能力,是州河流域水庫群中防洪調度最關鍵的水庫[2]。

1.4.2 羅江口電站

羅江口電站于2012年建成,是州河梯級開發(fā)的第二級電站,是一座以發(fā)電為主,兼有防洪、城市供水等綜合利用的水利工程。位于通川區(qū)羅江鎮(zhèn),上游距宣漢縣28km,下游距達州市主城區(qū)14km,與已建成的江口電站尾水位銜接。該水庫控制州河以上集水面積6766km2,裝機容量3.9萬kW,總庫容0.9億m3,正常蓄水位295.00m。

該水庫調洪庫容較小,處于中間位置,一般采取與上游江口水庫一致的調度方式,在特殊情況下,可以適當攔蓄錯峰。由于距離達州城區(qū)位置較近,一般洪水從泄洪到達城區(qū)約1h,在開展短時臨近調控達州城區(qū)洪峰水位時尤為重要。

1.4.3 金盤子電站

金盤子電站于2002年建成投產,是州河梯級開發(fā)的第三級電站。位于達州城區(qū)下游39km。該河道型水庫控制州河以上集水面積10210km2,總庫容1.1億m3,電站裝機容量3.0萬kW。

水庫正?；厮吝_州主城區(qū),在防洪調度中需提前泄洪,具有拉低城區(qū)水位底水,與上游水庫聯(lián)合調度,降低城區(qū)洪水風險作用。電站下游約20km,州河匯入渠江干流,加大或減小泄洪量,對渠江干流三匯段洪峰具有一定的調控作用。

2 預報調度一體實例實踐

選取州河“20210829”和“20221005”兩次較為典型的洪水實例,分析水雨情及預報調度過程,理清預報與調度的關系,進一步探究預報調度一體化相互耦合下的防災減災作用。

2.1 “20210829”洪水預報調度過程分析

2.1.1 水雨情情況

2021年8月27日-29日,達州市轄區(qū)發(fā)生大到暴雨、部分地區(qū)大暴雨天氣過程。統(tǒng)計327處雨量顯示,最大日雨量宣漢縣土黃站215.0mm(28日),最大過程雨量宣漢縣土黃站293.0mm,日雨量在100mm以上的有151站次。受強降雨影響,境內中小河流及州河干流均發(fā)生了較大洪水過程,州河達州站29日11時30分洪峰水位281.95m(超警戒水位0.95m),相應流量7210m3/s。達州站20210829洪水過程線見圖2所示。巴河干流28日風灘站19時35分洪峰流量2040m3/s,29日出現(xiàn)水位復漲,9時復式洪峰流量1950m3/s。

圖2 達州水文站2021-08-29洪水過程線

2.1.2 預報調度過程

為應對“8.29”暴雨洪水過程,依據(jù)氣象信息和水文部門的預測調度建議,流域內江口、羅江口水庫均開展提前下泄,執(zhí)行調度后江口水庫水位由326.92m降至320.08m,預留防洪庫容7900萬m3。

29日2時,根據(jù)州河上游支流前河、中河、后河水文站點實時水情及區(qū)間來水情況,采用洪水預報模型系統(tǒng)[3]開展江口水庫入庫洪水預報,江口水庫將于29日5時30分左右,出現(xiàn)最大入庫流量10000m3/s,江口下泄洪水量若與區(qū)間洪水遭遇疊加后流量將達11300m3/s,將對達州城區(qū)造成重大淹沒損失。

水文部門提出調度方案,建議下游金盤子按最大下泄量拉低城區(qū)底水位,上游江口和羅江口水庫控制下泄流量在5500m3/s以下,充分利用江口和羅江口水庫防洪庫容攔蓄和削減洪水。防汛部門開展水庫群聯(lián)合調度,在8月28日-29日的洪水過程中,江口水庫最大入庫流量8600m3/s,出庫流量始終控制在5500m3/s。29日4時左右,江口水庫庫水位已達汛限水位,至29日14時,水庫最高庫水位329.55m,超汛限水位2.55m,在保證水庫自身安全的情況下,控制下泄流量在5500m3/s以下,最大限度地避開與州河流域區(qū)間洪水的疊加,削減洪峰流量3100m3/s,有效降低州河達州城區(qū)段洪峰水位3.50m左右。

若不開展江口水庫預報調度,經分析計算,在天然狀態(tài)下,州河來水將達11300m3/s,與巴河流量疊加后渠江干流洪峰將達13000m3/s。因此,本次江口水庫的攔蓄洪峰過程避免了州河與巴河復式洪峰的疊加,減輕了下游渠江三匯鎮(zhèn)和渠縣防洪壓力,渠江三匯站29日18時洪峰水位254.42m,相應流量11200m3/s,有效降低渠江三匯站水位1.5m左右。

2.2 “20221005”洪水預報調度過程分析

2.2.1 水雨情情況

2022年10月3日-5日,渠江流域發(fā)生暴雨到大暴雨天氣過程。最大過程雨量298mm(萬源市溪口鄉(xiāng)),過程雨量超250mm的有5站,100mm～250mm的有246站。受降雨影響,境內州河流域發(fā)生較大洪水過程,州河達州站5日9時洪峰水位279.28m(低于警戒水位0.22m。說明:2021年9月根據(jù)現(xiàn)場防護對象高程及洪水調查,對達州站警戒水位進行了修訂,由281.00m調整為279.50m),相應流量5070m3/s。

2.2.2 預報調度過程

根據(jù)氣象藍色預警預測,州河江口水庫入庫流量低于3000m3/s,防汛部門基于入庫預測和次汛期蓄水保水要求,維持江口水庫天然入庫和正常發(fā)電流量(約200m3/s)出庫。由于實際降雨落區(qū)明顯偏移至江口水庫上游,且量級變大,導致江口水庫上游各河流普遍漲水,入庫流量逐步增大,至5日1時,江口水庫庫水位已達328.60m,超汛限0.60m,致使江口水庫后續(xù)可利用防洪庫容有限。

水文部門根據(jù)實際降雨和河流漲水情況開展入庫分析[4],預報州河江口水庫入庫流量將達5000m3/s,加之江口水庫至達州區(qū)間明月江等支流洪水影響,若不開展有效的洪水調度,達州城區(qū)可能遭遇洪峰流量達6800m3/s,將淹沒城區(qū)濱河路1m～1.5m。

考慮江口水庫高水位情形下的自身安全和可利用庫容,綜合分析后提出“上攔中蓄下排”調度,建議江口及羅江口水庫控制下泄流量在4000m3/s以下,下游金盤子電站加到最大下泄量,盡可能拉低達州城區(qū)底水,減輕城區(qū)防洪壓力。

調度執(zhí)行后江口水庫水位迅速攀升,由5日1時的328.60m直至10時的330.52m(超汛限水位2.52m),有效攔蓄洪水量3200萬m3,5日7時江口達最大入庫流量4800m3/s,出庫持續(xù)控制在4000m3/s以下。

5日7時,區(qū)間洪水即將現(xiàn)峰(測算約1800m3/s),發(fā)揮羅江口水庫短時蓄滯洪和調節(jié)城區(qū)洪峰水位作用,調度羅江口水庫下泄流量由3800m3/s降至3300m3/s,2h后,5日9時達州城區(qū)過境洪峰流量5070m3/s,低于達州城區(qū)濱河路5250m3/s的超警流量。通過開展江口、羅江、金盤子電站的梯級聯(lián)合調度,發(fā)揮“上攔中蓄下排”作用,使州河這次近20年來最強秋汛降低為近10年來一般洪水,有效避免了洪水淹沒達州城區(qū)濱河路,減小了洪水災害損失。

3 預報調度一體化研究

3.1 預測預報是調度的基礎和前置

洪水預報是調度的基礎和前置條件。水庫工程要科學開展洪水調度,離不開精準的洪水預報?？v觀上述預報實例1和實例2,因為有較為精準的水庫入庫預報,方能開展水庫精細化調度,達到主動防御洪水的目的,實現(xiàn)一定量級洪水可控可調,可以更為精準地開展下游城區(qū)預報,保障城市防洪安全。

在州河流域梯級開發(fā)背景下,每次洪水預報后,在開展調度前,還應統(tǒng)籌考慮各級水庫自身安全、可利用庫容、下游防護對象防洪能力等諸多因素,主動采取“上攔中蓄下排”等有效的調度措施,方能最大限度發(fā)揮流域水庫群整體合力,最大程度減小洪水淹沒損失。

3.2 水庫預泄調度是主動防御洪水的關鍵

從預報實例1中可以看出,要發(fā)揮水庫工程的主動防御和調洪削峰作用,水庫提前預泄至關重要。水庫在汛期必須嚴格執(zhí)行汛期限制水位以下運行,一遇有天氣藍色預警或水文預測信息,應提前開展預泄調度,充分挖掘水庫防洪庫容潛力,為調洪削峰盡可能騰留防洪庫容。

從預報實例2中可以看出,在防洪準備階段由于未采取提前預泄措施,無多余防洪庫容來容納后續(xù)洪水過程,導致后期江口水庫調度被動,只得發(fā)揮中游羅江口水庫的短時蓄滯洪作用。當然,這是基于次汛發(fā)生的一般洪水過程,如是在主汛發(fā)生較大或大洪水時,未采取預泄措施導致高水位運行,后期可能造成水庫自身安全和人為增大洪水等無法想象的后果。

3.3 關注調度對預報的反饋影響

調度對下游洪水預報的影響也是非常明顯的。在現(xiàn)有梯級開發(fā)情況下,達州城區(qū)的洪水預報,一次洪水過程如無較大區(qū)間匯入影響,江口或者羅江口水庫調度后的下泄流量,基本上可以直接演算到達州城區(qū)的流量,可獲得較為準確的城區(qū)洪水預報結果。羅江口水庫至達州城區(qū)洪水傳播時間僅1h,適當調控調度下泄流量,將直接改變和影響城區(qū)的洪水量級、峰現(xiàn)時間,因此,在開展受電站影響的洪水預報作業(yè)時尤其要考慮調度對預報的反饋影響。

3.4 預報調度一體化思考

3.4.1 預報與調度關系研究

在流域梯級水庫大力開發(fā)的現(xiàn)實背景下,開展水庫工程洪水科學調度,必須依賴精準的入庫洪水預報;開展受水庫工程影響下的洪水預報,就必須研究水庫調度帶來的影響。預報和調度兩個因子相互影響,相互鉗制,必須結合起來研究。有精準預報支撐的調度,才能更加科學合理;考慮了調度反饋的預報,才能更為及時精準。

預報調度環(huán)節(jié)必須耦合,不能割裂來開展。重點把握三個環(huán)節(jié)的預報調度:一是在雨前依據(jù)洪水預測開展預泄調度;二是在雨中依據(jù)洪水預報開展過程調度;三是在雨后依據(jù)后期來水預測開展蓄水保水調度。

3.4.2 預報調度一體化體制機制探索

為切實有效地提升預報調度水平,有必要開展預報調度一體化的體制機制研究,如目前構建的流域水旱災害聯(lián)防聯(lián)控監(jiān)測預警中心,可以直接破除地域限定,按照流域防洪一盤棋需要,直接開展上中下游水庫群預報調度;如構建流域或區(qū)域“大水調”機制,整合水文和防汛力量,讓預報直接服務于調度,讓調度更有依據(jù)更為科學。制定和完善水庫入庫洪水預報方案、修訂完善水庫調度運行方案,進一步完善受水庫調度影響下的水文站點洪水預報方案。同時還可以開發(fā)基于預報調度一體化的軟件,實現(xiàn)預報調度一體自動化、智能化。

4 結語

(1)深化預報與調度關系理解、發(fā)揮預報調度一體化合力

兩次典型的州河洪水過程,預報調度結合較好,預報調度一體化相互耦合發(fā)揮了巨大的合力。通過梳理預報調度關系,提示需要轉變思想觀念,打破行業(yè)內部屏障,摒棄預報與調度割裂運行的傳統(tǒng)認識。預報和調度兩個因子相互影響,相互鉗制,預報調度環(huán)節(jié)必須耦合,預報支撐調度,調度反饋預報,方能充分發(fā)揮工程與非工程措施合力,守牢水旱災害防御底線。

(2)充分發(fā)揮預報對調度的決策支撐作用

預報是開展水庫洪水調度的基礎和前置要件,超前預測是水庫提前預泄調度的關鍵,精準的預報對科學的調度至關重要。在開展預報調度時,需要進一步摸清流域水利工程梯級開發(fā)情況,所轄城市的防洪能力,嚴密監(jiān)視和收集雨情、水情、汛情、工情,強化“預警、預報、預案、預演”措施,深挖海量數(shù)據(jù)、深研模型算法、夯實算力基礎,全力提升洪水預報的精準度和時效性,充分發(fā)揮預報對調度的決策支撐作用。

(3)通過科學調度實現(xiàn)對洪水的管理

目前,全省十大江河均建成了具有一定調節(jié)能力的梯級水利工程,基本構建了大中水庫群聯(lián)合調度防洪減災新格局。利用精準的洪水預報,開展水庫群聯(lián)合調度,可以對流域性洪水過程進行人工干預。通過雨前洪水預測預泄調度、雨中洪水預報過程調度、雨后來水預測蓄水調度來實現(xiàn)洪水過程管理。通過開展科學調度,可逐步實現(xiàn)中小洪水調度免災、中高洪水調度減災、特大洪水調度保工程安全,由洪水防御實現(xiàn)洪水管理。

(4)開展精準預報和精細調度是趨勢和常態(tài)

近年來,氣象預測預報精度逐年提升,為水文部門開展基于天氣預報的洪水預測提供了基礎。充分研究數(shù)值天氣預報和洪水預報的耦合技術,提升水文超前預測預警精度;強化“四預”措施,利用數(shù)字流域孿生等技術,開展水文預報模型等算法的研究,進一步提升預報精準度;結合洪水預報進一步優(yōu)化完善調度方案,開展精細化調度。通過精準預報和精細調度,盡力提升洪水預報調度的合力作用。