長江流域2020年7月洪水防御環(huán)境價值評估

林 莉，吳志廣，潘 雄，翟文亮

（1.長江科學(xué)院流域水環(huán)境研究所，湖北武漢 430010；2.長江科學(xué)院，湖北武漢 430010）

2020年，長江流域發(fā)生持續(xù)高強度、極端性降雨，并由此引發(fā)了新中國成立以來僅次于1954年、1998年的大洪水。2020年6～8月，長江流域累計面均雨量636 mm，較多年同期均值偏多三成多，其中，中游干流偏多近八成，下游干流偏多七成，漢江中下游、岷沱江偏多五成左右。僅7月份，長江干流先后發(fā)生3次編號洪水。在江西，贛北和贛中部地區(qū)的降雨總量達(dá)到常年的3倍以上，7月12日，鄱陽湖標(biāo)志性星子站水位已達(dá)22.74 m，超1998年水位（22.52 m），鄱陽湖發(fā)生流域性超歷史大洪水。長江中下游干流監(jiān)利至大通江段洪峰水位列有實測記錄以來的第2～5位；馬鞍山至鎮(zhèn)江江段潮位超歷史記錄；蓮花塘水位34.59 m，超過保證水位0.19 m；漢口站最高28.77 m，居歷史第4位。

在此次長江流域性大洪水過程中，長江水利委員會統(tǒng)籌上下游、干支流、江河湖泊的防洪需求，通過科學(xué)精準(zhǔn)調(diào)度流域內(nèi)以三峽水庫為核心的水庫群，配合中下游洲灘民垸行蓄洪運用、農(nóng)田澇片排澇泵站限排等綜合調(diào)度措施，有效防御了2020年長江大洪水，獲得了巨大的社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。為了解新時代長江流域防洪體系在抵御大洪水中發(fā)揮的環(huán)境價值，本文針對2020年7月長江1～3號洪水過程，假定沒有上中游水庫群配合三峽水庫展開的聯(lián)合防洪調(diào)度，還原長江流域7月洪水，計算超額洪量，預(yù)測分析長江中下游干流沿程分蓄滯洪區(qū)的啟用，確定其可能淹沒的各土壤利用類型，量化淹水狀態(tài)下可能進(jìn)入水體中的氮磷污染物負(fù)荷總量，以期初步估算此次聯(lián)合防洪調(diào)度的環(huán)境價值，從而為科學(xué)合理評估防洪減災(zāi)效益提供依據(jù)。

1 水工程聯(lián)合調(diào)度實施過程

目前，長江流域已建成大型水庫329座，總調(diào)節(jié)庫容1 800余億m3，防洪庫容約770億m3。其中，上游大型水庫102座，總調(diào)節(jié)庫容800余億m3，預(yù)留防洪庫容396億m3；中游大型水庫164座，總調(diào)節(jié)庫容945億m3，預(yù)留防洪庫容330余億m3。2020年7月，長江干流共發(fā)生3次編號洪水，按照暴雨洪水的發(fā)展過程大致可劃分為3個階段：①7月1～13日，以中下游干流水位漲勢加快、鄱陽湖流域性大洪水為代表的1號洪水，形成江湖滿槽之勢；②7月14～21日，以中下游干流附近支流再次大幅漲水、馬鞍山至鎮(zhèn)江江段最高潮位超歷史為代表的2號洪水；③7月22～31日，以中下游干流附近支流再次大幅漲水、城陵磯地區(qū)水位突破保證水位為代表的3號洪水。為應(yīng)對這3次編號洪水，長江流域水庫群的聯(lián)合防洪調(diào)度過程共啟用了101座（處）水工程，其中水庫41座，蓄滯洪區(qū)46處，引調(diào)水工程4處，涵閘泵站10處。除動用了三峽、溪洛渡、向家壩等控制性水庫外，還首度將烏東德水庫納入聯(lián)合調(diào)度，進(jìn)一步提升了長江流域防洪保障能力，共計攔蓄洪水約300億m3。其中，三峽水庫攔蓄洪量146億m3，約占攔洪總量的48.7%，充分體現(xiàn)了國之重器的核心作用，有效減輕了長江上游、洞庭湖區(qū)及長江中下游干流的防洪壓力。

2 洪水還原分析

洪水還原分析能有效量化流域水庫群防洪效益，幫助準(zhǔn)確評估聯(lián)合調(diào)度效果。該過程主要涉及對人類活動與水庫群攔蓄及洲灘民垸、蓄滯洪區(qū)分蓄等水利工程影響還原［1］。首先，假定水庫群不攔蓄，將長江上游來水演算至三峽水庫壩前，得到水庫還原后的壩址入庫流量過程，分析中游水庫洪水?dāng)r蓄量，然后演算長江中下游干流及兩湖出口控制站水位流量過程，最后給出相應(yīng)超額洪量。

2.1 洪水還原計算

以長江流域洪水作業(yè)預(yù)報方案體系為基礎(chǔ)，采用多方法綜合模擬，對長江上中游水庫群攔蓄過程進(jìn)行還原分析。根據(jù)長江水利委員會水文局馮寶飛等［2］的研究，基于分段馬斯京根模型將上游水庫群的攔蓄洪量還原至三峽水庫入庫控制站（寸灘站和武隆站），以此為基礎(chǔ)對2020年7月長江洪水進(jìn)行還原計算。結(jié)果表明：1號洪水期間，蓮花塘、漢口站洪峰水位分別提高0.8，0.2 m；2號洪水期間，蓮花塘、漢口站洪峰水位分別提高1.7，1.0 m；3號洪水期間，蓮花塘、漢口站洪峰水位分別提高0.6，0.4 m（見圖1）。

圖1 蓮花塘站實況與還原水位對比［2］

當(dāng)遭遇經(jīng)還原計算后的洪水時，受洞庭湖水系匯入影響，7月10～31日蓮花塘站水位超過保證水位，可能需要開啟洞庭湖蓄滯洪區(qū)分蓄洪水。7月6～31日漢口站水位超過警戒水位但低于保證水位，尚不需要開啟武漢附近蓄滯洪區(qū)分蓄洪水。

2.2 超額洪量計算

堤防接近或者達(dá)到保證水位時，需要起用中下游蓄滯洪區(qū)，接納超量洪水，保障重點地區(qū)和水庫的安全［3］。本文將超過保證水位的洪水部分作為蓮花塘站超額洪量。根據(jù)蓮花塘站水位流量關(guān)系曲線［4］，獲得還原后洪水流量過程，見圖2。根據(jù)計算得到蓮花塘站7月超額洪量為164.80億m3，其中1號洪水超額洪量為34.25億m3，2號洪水超額洪量為92.05億m3，3號洪水超額洪量為38.50億m3。

圖2 蓮花塘站洪水還原后流量過程

3 洪水防御的環(huán)境價值評估

3.1 蓄滯洪區(qū)啟用分析

蓄滯洪區(qū)工程是長江中游防洪體系的重要組成部分，可臨時分蓄超額洪量并有效降低下游洪峰水位，從而減輕下游防洪壓力［5］。

3.1.1 長江中游蓄滯洪區(qū)利用類別及蓄洪容積

根據(jù)《長江流域防洪規(guī)劃》，長江中下游蓄滯洪區(qū)分為重要、一般和蓄滯洪保留區(qū)3類。其中，重要蓄滯洪區(qū)為使用幾率較大（一般在20 a一遇以下）的蓄滯洪區(qū)；一般蓄滯洪區(qū)是三峽工程建成后為防御1954年洪水，除重要蓄滯洪區(qū)外，還需啟用的蓄滯洪區(qū)；蓄滯洪保留區(qū)是指三峽工程建成后，為防御超標(biāo)準(zhǔn)洪水或特大洪水需要使用的蓄滯洪區(qū)。其中，長江中游蓄滯洪區(qū)主要有荊江地區(qū)蓄滯洪區(qū)、洞庭湖附近的蓄滯洪區(qū)和武漢附近蓄滯洪區(qū)，分布見圖3。

（1）荊江地區(qū)蓄滯洪區(qū)主要包括1個重點蓄滯洪區(qū)（荊江分洪區(qū)）和3個蓄滯洪保留區(qū)（涴市擴(kuò)大區(qū)、虎西備蓄區(qū)、人民大垸）。

圖3 長江中游蓄滯洪區(qū)分布

（2）洞庭湖附近的蓄滯洪區(qū)主要包括10個重要蓄滯洪區(qū)（錢糧湖、共雙茶、大通湖東、洪湖東分塊、圍堤湖、民主垸、城西垸、澧南垸、西垸官、建設(shè)垸）、5個一般蓄滯洪區(qū)（洪湖中分塊、屈原、九垸、江南陸城、建新）和12個蓄滯洪保留區(qū)（君山垸、集成安合、南漢垸、安垸澧、安昌垸、北湖垸、義合垸、安化垸、和康垸、南頂垸、六角山和洪湖西分塊）。

（3）武漢附近的蓄滯洪區(qū)主要包括1個重要蓄滯洪區(qū)（杜家臺）、4個一般蓄滯洪區(qū)（西涼湖、武湖、漲渡湖、白潭湖）和1個蓄滯洪保留區(qū)（東西湖）。

3.1.2 擬啟動的蓄滯洪區(qū)分析

根據(jù)蓮花塘站2020年7月洪水超額洪量及長江中下游蓄滯洪區(qū)分布，擬定分洪方案的蓄滯洪區(qū)信息見表1。

蓮花塘站7月超額洪量為164.80億m3，擬定啟用洞庭湖附近8個重要蓄滯洪區(qū)，分洪146.4億m3，不足的部分由武漢附近的杜家臺蓄滯洪區(qū)分蓄洪水22.9億m3。

3.2 環(huán)境價值分析

蓄滯洪區(qū)啟用分洪時將有大面積農(nóng)田耕地被長時間淹沒，這可能導(dǎo)致土壤中的氮磷營養(yǎng)物質(zhì)、重金屬及有機物溶出而污染水體［5］。而且，隨著蓄滯洪區(qū)城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的發(fā)展，這種分洪淹沒還將帶來更多的污染問題［6］。因此，2020年7月長江流域水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度在大力減少人民生命財產(chǎn)損失的同時，也減少了對流域內(nèi)蓄滯洪區(qū)的啟用，避免了土壤淹沒對水體的污染，產(chǎn)生了環(huán)境價值。

表1 蓮花塘附近啟用蓄滯洪區(qū)信息

根據(jù)2020年7月長江流域1～3號洪水還原分析結(jié)果，假定水庫群不攔蓄，長江中下游將擬定啟用洞庭湖附近8個重要蓄滯洪區(qū)。對8個蓄滯洪區(qū)土地利用類型的分析結(jié)果顯示，洪水還原后擬淹沒蓄滯洪區(qū)3 039.5 km2，包括種植耕地1 901.7 km2，河湖水域面積844.5 km2，農(nóng)村居民用地97.2 km2，城鎮(zhèn)居民用地30.4 km2，林地34.3 km2，灘地 88.6 km2，沼澤地42.8 km2（見表2）。其中，農(nóng)田耕地是洪水淹沒后各類型污染物尤其是氮磷釋放進(jìn)入水體的主要來源。根據(jù)已有文獻(xiàn)報道［7-10］，長江流域農(nóng)田、消落帶淹沒浸泡狀態(tài)下TN、TP溶出速率分別在0.96～11.66 kg/（km2·d）、0.02～0.09 kg/（km2·d）范圍內(nèi)。根據(jù)長江水利委員會水文局對洪水還原的研究結(jié)果［2］，擬定啟用的蓄滯洪區(qū)淹沒時間最少將從7月11日持續(xù)至8月5日，累積26 d。由此計算淹水時長、淹水農(nóng)田耕地面積以及TN、TP溶出速率的乘積，得到洪水還原后淹水可能流失進(jìn)入水體的TN在47.5 t～576.5 t之間，TP在1.0 t～4.4 t之間。

表2 蓮花塘附近啟用蓄滯洪區(qū)土地利用類型與面積 km2

4 結(jié)論

2020年7月長江流域水庫群的聯(lián)合防洪調(diào)度合計攔蓄洪水約300億m3，有效減輕了長江干流3次編號洪水的防御壓力?；诜侄务R斯京根模型，將長江2020年7月洪水進(jìn)行還原分析，得到水庫還原后的壩址入庫流量過程及中游水庫洪水?dāng)r蓄量，給出相應(yīng)超額洪量，并就還原成果剖析其對應(yīng)的防洪環(huán)境價值，主要結(jié)論如下。

（1）若沒有水庫群攔蓄，洪水還原分析顯示蓮花塘站將超保證水位。長江流域7月超額洪量為164.80億m3，其中1號洪水超額洪量為34.25億m3，2號洪水超額洪量為92.05億m3，3號洪水超額洪量為38.50億m3。

（2）若沒有水庫群攔蓄，擬啟用8個重要蓄滯洪區(qū)淹沒面積達(dá)3 039.5 km2，其中種植耕地面積最大，達(dá)1 901.7 km2，淹沒后初步估算進(jìn)入水體的氮磷污染物分別最大可達(dá)576.5 t與4.4 t，而這也是2020年7月長江流域水庫群的聯(lián)合防洪調(diào)度的環(huán)境價值所在。