黃河中下游“五庫聯(lián)調(diào)”在2021年秋汛洪水中的防洪作用淺析

劉 剛，劉博倫，楊 飛，王遠見

(1.華北水利水電大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450046;2.黃河水利委員會 黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003;3.水利部黃河下游河道與河口治理重點實驗室，河南 鄭州 450003;4.鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

1 黃河2021年秋汛基本情況

1.1 秋汛的定義

《中華實用水利大詞典》中汛期的定義為“江河中由于流域內(nèi)季節(jié)性降雨、融冰、化雪引起定時性水位上漲的時期”[1］。《防汛手冊》中汛期的定義為“江河洪水在一年中集中出現(xiàn)明顯的時期”[2］。黃河洪水按其成因可分為暴雨洪水和冰凌洪水兩類,按其出現(xiàn)時節(jié)可分為伏汛、秋汛、凌汛和桃汛。其中伏汛主要由集中在夏季的暴雨洪水產(chǎn)生,多見于7—8月黃河主汛期,秋汛主要由華西秋雨產(chǎn)生,多見于8月下旬至10月上旬,兩者合稱為伏秋大汛[3,4-5］。

1.2 2021年秋汛洪水特點

筆者統(tǒng)計了1949—2021年9—10月黃河中下游28場秋汛洪水中代表站洪峰流量與對應(yīng)時間,見表1。

表1 1949—2021年黃河中下游潼關(guān)、花園口站秋汛洪水洪峰流量[3］

2021年秋汛具有洪峰流量歷史最大(潼關(guān)站有實測資料以來10月最大洪水)、洪水場次最多、洪水持續(xù)時間超長等特點,給水庫群聯(lián)合調(diào)度帶來了巨大壓力。

具體而言,2021年秋汛,黃河中下游降雨嚴重偏多且持續(xù)時間長。8月下旬至10月上旬,汾河、北洛河、渭河、涇河、伊洛河、沁河、三花間(三門峽至花園口區(qū)間)干流流域面平均降雨量均為多年最大值[6］。9月24—27日渭河、涇河、伊洛河、沁河、龍三間(龍門至三門峽區(qū)間)、三花間大部大雨,局部暴雨,24日渭河最大降雨量195 mm,25日沁河最大降雨量101 mm,26日渭河最大降雨量78 mm,27日伊洛河最大降雨量118 mm。10月3—5日涇河、渭河、北洛河、汾河、沁河大部大雨,局部暴雨,3日渭河最大降雨量130 mm,4日渭河最大降雨量104 mm。

持續(xù)的強降雨導(dǎo)致黃河中下游干支流發(fā)生了多年來同期最大洪水,汾河河津站10月9日洪峰流量985 m3/s,為1964年以來同期最大流量；北洛河頭站10月7日洪峰流量1560 m3/s,為1999年以來同期最大流量；渭河華縣站9月28日洪峰流量4860 m3/s,10月8日洪峰流量4560 m3/s,均為2011年以來同期最大流量；洛河盧氏站9月19日洪峰流量2430 m3/s,為1951年以來同期最大流量；伊河?xùn)|灣站9月19日洪峰流量2810 m3/s,為2010年以來同期最大流量；沁河武陟站9月27日洪峰流量2000 m3/s,為1982年以來同期最大流量,10月8日洪峰流量1230 m3/s,為1999年以來同期最大流量。黃河干流在9 d內(nèi)接連出現(xiàn)3場編號洪水,9月27日15時,潼關(guān)站流量5020 m3/s,黃河1號洪水報汛；9月27日21時,花園口站流量4020 m3/s,黃河2號洪水報汛,9月30日潼關(guān)站洪峰流量達到7480 m3/s；10月5日23時,潼關(guān)站流量5090 m3/s,黃河3號洪水報汛,10月7日潼關(guān)站洪峰流量達到8360 m3/s。綜上,此次秋汛,雨情、水情、汛情都為多年罕見。

黃河下游洪水主要來自中游的3個地區(qū),即河龍間(河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間)、龍三間、三花間。不同區(qū)間來源的洪水,以不同組合形式在花園口形成兩種類型的洪水。以河龍間、龍三間來水為主,三花間來水較少的洪水稱“上大型洪水”；以三花間來水為主,三門峽以上來水較少的洪水稱“下大型洪水”[7］。2021年秋汛,1號、3號洪水為以三門峽以上來水為主的“上大型洪水”,2號洪水為以三花間來水為主的“下大型洪水”。

圖1 給出了2021年秋汛3場編號洪水在花園口的階段劃分。由圖1可知,經(jīng)過黃河中下游水庫群的聯(lián)合調(diào)度,2號洪水在花園口的流量降至報汛流量后1號洪水到達花園口,有效避免了1號“上大型洪水”與2號“下大型洪水”在花園口遭遇,在3場洪水接續(xù)期間花園口流量始終得到精準(zhǔn)控制,洪峰流量始終控制在4800 m3/s左右,實現(xiàn)了“人員不傷亡、河道不漫灘、工程不跑壩”,確保了黃河下游的防洪安全。

圖1 2021年秋汛編號洪水在花園口的階段劃分

2 “五庫聯(lián)調(diào)”實踐

黃河中下游防洪調(diào)度中有5座關(guān)鍵水庫,分別為黃河干流的三門峽水庫和小浪底水庫、伊河的陸渾水庫、洛河的故縣水庫以及沁河的河口村水庫。本節(jié)將詳細剖析各水庫2021年秋汛期間的調(diào)度過程,評述其各自的洪水防御策略。

2.1 三門峽水庫調(diào)度

2021年秋汛,1號、2號洪水期間三門峽水庫大部分時間敞泄運用,3號洪水后期滯洪運用,攔蓄洪水2.6億m3。秋汛期間三門峽水庫出入庫流量和水位變化見圖2。

圖2 2021年秋汛期間三門峽水庫出入庫流量和水位變化

由圖2可知,1號、2號洪水期間,三門峽水庫按照潼關(guān)站流量超1500 m3/s即敞泄運用的調(diào)度原則運行,秋汛期間共敞泄運用5次,歷時405 h,3號洪水前庫水位不超前汛期水位305 m。10月9日小浪底水庫水位突破273 m,黃河水利委員會水文局多次預(yù)報小浪底水位有突破274 m的風(fēng)險,為減緩小浪底水庫與黃河下游防洪壓力,三門峽水庫開始滯洪運用,到10月12日利用315 m水位以下的防洪庫容攔蓄洪水2.6億m3(圖2中橢圓所標(biāo)區(qū)域)。10月26日黃河干支流相繼退水后,水庫向正常蓄水位318 m過渡。

2021年秋汛,3號洪水報汛后故縣、陸渾水庫關(guān)閘停泄,在支流水庫防洪作用最大化的情況下小浪底水位仍有突破274 m的風(fēng)險,三門峽水庫啟用315 m以下防洪庫容,為保證小浪底水庫安全、緩解下游防洪壓力發(fā)揮了重要作用。

2.2 小浪底水庫調(diào)度

2021年秋汛,1號洪水報汛后小浪底水庫攔蓄洪水,避免“上大型洪水”與“下大型洪水”在花園口遭遇。2號洪水報汛后支流水庫優(yōu)先泄洪,然后小浪底水庫逐漸加大流量下泄。3號洪水小浪底水庫先攔后泄,在三門峽、故縣、陸渾水庫攔蓄控泄配合下與河口村水庫錯峰泄洪。秋汛期間小浪底水庫出入庫流量和水位變化見圖3。

圖3 2021年秋汛期間小浪底水庫出入庫流量和水位變化

由圖3可知,9月初和中下旬兩場秋雨過后,9月26日小浪底水庫水位升至262.83 m。1號洪水報汛后故縣、陸渾、河口村水庫均處在泄洪關(guān)鍵期,小浪底水庫攔蓄洪水配合3座支流水庫聯(lián)合泄洪,9月27日21時花園口站洪峰流量4020 m3/s,“下大型”2號洪水在花園口報汛。10月2日小浪底水位突破271 m后故縣、陸渾、河口村水庫減小下泄流量,小浪底水庫加大流量泄洪,為將要到來的3號洪水騰庫。10月5日小浪底水位回落至270 m,3號洪水報汛,故縣、陸渾水庫關(guān)閘停泄為小浪底水庫下泄創(chuàng)造條件。10月10日小浪底水位升至273.50 m,與此同時河口村水庫水位逼近280 m,為緩解小浪底水庫防洪壓力,三門峽水庫緊急啟動滯洪運用方式,到10月20日小浪底水庫水位降至270 m。

小浪底水庫因其防洪庫容大,所處位置關(guān)鍵,故在此次秋汛洪水過程中,滯洪量和削峰率都遠超其他水庫,在“五庫聯(lián)調(diào)”體系當(dāng)中發(fā)揮的作用最為顯著。

2.3 故縣水庫調(diào)度

2021年秋汛,2號洪水期間故縣水庫以泄洪運用為主,1號洪水報汛后先攔后泄錯峰調(diào)度,3號洪水報汛后關(guān)閘停泄歷時7 d。秋汛期間故縣水庫出入庫流量和水位變化見圖4。

圖4 2021年秋汛期間故縣水庫出入庫流量和水位變化

9月初和中下旬兩場秋雨過后,9月20日故縣水庫水位升至534.61 m。為應(yīng)對洛河流域持續(xù)降雨、騰庫迎洪控制水位,故縣、陸渾、河口村水庫聯(lián)合泄洪,9月27日花園口站洪峰流量4020 m3/s,2號洪水報汛,9月28日10時,故縣水庫水位降至527.81 m。1號洪水后期,為給小浪底水庫創(chuàng)造下泄條件,故縣水庫逐漸減小下泄流量,此輪洪水末故縣水庫水位升至533.30 m。3號洪水期間,為給小浪底、河口村水庫創(chuàng)造下泄條件,10月6日起故縣水庫關(guān)閘停泄7 d,10月12日水位升至建庫以來最高水位537.60 m。此后水位緩慢下降,10月26日開始向正常蓄水位過渡。

1號、2號洪水期間故縣水庫與其他水庫聯(lián)合調(diào)度,保證了洛河下游及庫區(qū)移民線以下人員、財產(chǎn)的安全。3號洪水關(guān)鍵期故縣水庫關(guān)閘停泄7 d,為保證小浪底水庫安全、緩解黃河下游防洪壓力發(fā)揮了重要作用。

2.4 陸渾水庫調(diào)度

2021年秋汛,陸渾水庫調(diào)度策略與故縣水庫類似,2號洪水期間水庫以泄洪運用為主,1號洪水報汛后先攔后泄錯峰調(diào)度,3號洪水報汛后關(guān)閘停泄5 d。秋汛期間陸渾水庫出入庫流量和水位變化見圖5。

圖5 2021年秋汛期間陸渾水庫出入庫流量和水位變化

9月初和中下旬兩場秋雨過后,9月20日陸渾水庫水位升至318.93 m。2號洪水前,為應(yīng)對持續(xù)降雨、保證庫區(qū)水位不超過人員轉(zhuǎn)移水位,騰庫迎洪水位降至317 m以下。1號洪水過程中,以花園口站流量不超4700 m3/s、小浪底水位不超270 m為原則,減小流量控泄,9月30日水位升至319 m后錯峰泄洪。3號洪水期間,為給小浪底水庫創(chuàng)造下泄條件,10月6日起關(guān)閘停泄5 d,10月25日水位升至正常蓄水位附近(319.39 m)。

1號、2號洪水期間陸渾水庫與其他水庫聯(lián)合調(diào)度,保證了伊河下游及水庫自身的安全。3號洪水關(guān)鍵期關(guān)閘停泄5 d,為保證小浪底水庫安全、緩解黃河下游防洪壓力發(fā)揮了重要作用。

2.5 河口村水庫調(diào)度

2021年秋汛,2號洪水前河口村水庫騰庫迎洪控制水位,1號、2號洪水接連報汛后河口村水庫減小下泄流量錯峰泄洪,3號洪水期間河口村水庫先攔后泄,與小浪底水庫錯峰泄洪。秋汛期間河口村水庫出入庫流量和水位變化見圖6。

圖6 2021年秋汛期間河口村水庫出入庫流量和水位變化

由圖6可知,9月初和中下旬兩場秋雨過后,河口村水庫水位升至274 m,9月17日起加大流量下泄,騰庫迎洪。1號、2號洪水期間,沁河流域同時發(fā)生較大洪水,為控制水位不超280 m,河口村水庫先攔后泄,與其他水庫配合錯峰泄洪。3號洪水期間,受沁河流域持續(xù)降雨和上游張峰水庫泄洪調(diào)度的影響,河口村水庫以水位不超過280 m為原則,與小浪底水庫錯峰泄洪。10月9日水位上漲至最高279.89 m,與此同時小浪底水庫也出現(xiàn)了最高水位,三門峽水庫啟動滯洪運用方式,為小浪底、河口村水庫下泄創(chuàng)造條件。10月20日水位下降至275 m,25日降至271 m,此后向正常蓄水位275 m過渡。

河口村水庫建成不久,此次秋汛前最高蓄水位為275 m,3場編號洪水期間受沁河上游持續(xù)降水影響,河口村水庫大部分時間以保證水庫自身安全、水位不超280 m為調(diào)度原則,但洪水過程中其間歇性滯洪也起到了重要作用。

2.6 “五庫聯(lián)調(diào)”總結(jié)

應(yīng)對洪水,“五庫聯(lián)調(diào)”總體上以先小浪底水庫后支流水庫再三門峽水庫為原則。2021年秋汛1號洪水以潼關(guān)以上干支流來水為主,2號洪水以三花間支流來水為主。1號、2號洪水前,故縣水庫接近汛限水位,陸渾水庫超汛限水位,河口村水庫超正常蓄水位,小浪底水庫攔蓄洪水、支流水庫優(yōu)先泄洪。3號洪水以潼關(guān)以上干支流來水為主,此次洪水過程中,伊河、洛河流域來水明顯減小,故縣、陸渾水庫先減小出庫流量后關(guān)閘停泄,為小浪底水庫泄洪創(chuàng)造條件,在小浪底水庫水位突破273 m且上游持續(xù)來水的情況下,三門峽水庫啟動315 m以下防洪庫容,減小了小浪底水庫及黃河下游的防洪壓力。河口村水庫因沁河上游持續(xù)來水,3號洪水期間與小浪底聯(lián)合泄洪,期間間歇性滯洪。

3 “五庫聯(lián)調(diào)”的防洪作用

通過還原計算的方式,應(yīng)用自主研發(fā)的數(shù)學(xué)模型,分別計算了2021年秋汛3場洪水期間各水庫對應(yīng)的最大滯洪量與削峰率,計算結(jié)果見圖7和表2。圖8給出了無水庫條件下花園口站還原計算的流量與實測流量對比。由圖7和表2可知,在3場洪水的滯洪作用對比中,小浪底＞三門峽＞故縣＞陸渾＞河口村,干流水庫因其所處空間位置及可調(diào)控庫容大,在攔蓄洪水中發(fā)揮了更顯著的作用；在削峰作用對比中,小浪底貢獻最大,三門峽次之,故縣、陸渾和河口村水庫因在不同場次洪水中采取的調(diào)度策略不同而在貢獻率上出現(xiàn)差異。

圖7 2021年秋汛3場洪水期間各水庫對應(yīng)的最大滯洪量

表2 2021年秋汛“五庫聯(lián)調(diào)”整體與各水庫3場洪水期間對應(yīng)的削峰率 %

圖8 2021年秋汛花園口實測與還原流量對比

由圖8可知,在防御秋汛洪水的過程中,“五庫聯(lián)調(diào)”發(fā)揮了巨大的防洪作用。經(jīng)還原計算,1號洪水花園口還原洪峰流量9742 m3/s,實測流量4940 m3/s,削峰率49.29%；2號洪水花園口還原洪峰流量8906 m3/s,實測流量4800 m3/s,削峰率46.10%；3號洪水花園口還原洪峰流量9279 m3/s,實測流量4840 m3/s,削峰率47.84%。

需要特別指出的是,在削峰率計算中,花園口的峰現(xiàn)時間受上游水庫的共同調(diào)控,當(dāng)不考慮其中任一水庫對洪水的調(diào)節(jié)作用時,花園口的峰現(xiàn)時間不同,而且3場洪水是連續(xù)發(fā)生的,各水庫在對其中一場洪水的峰值進行調(diào)節(jié)時會影響其他洪水的峰值,從而導(dǎo)致計算所得各水庫削峰率相加不等于五庫削峰率的總和；此外,由于故縣水庫在2號洪水期間以泄洪運用、確保水庫和壩上游安全為主,水庫的出庫流量大于入庫流量,因此其在2號洪水期間的削峰率為負值,這里的負值僅說明故縣水庫在2號洪水期間對于花園口洪峰的影響,并不能代表其對洪水整體防御的貢獻。

4 結(jié)語

2021年秋汛洪水因其洪峰流量歷史最大(潼關(guān)站有實測資料以來10月最大洪水)、洪水場次最多、洪水持續(xù)時間超長等特點給黃河中下游防洪調(diào)度帶來嚴峻挑戰(zhàn)。“五庫聯(lián)調(diào)”在此次秋汛防御中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。本文系統(tǒng)梳理了2021年秋汛洪水的基本特點,剖析了洪水過程中5座水庫的調(diào)度過程,闡明了其各自的洪水防御策略,采用還原計算的方法確定了各自的防洪作用。

(1)“五庫聯(lián)調(diào)”中各水庫結(jié)合來水實際情況和防洪需求,采取了不同的調(diào)度策略,但均對洪水防御做出了積極貢獻,還原計算結(jié)果表明,3場洪水“五庫聯(lián)調(diào)”的削峰率分別為49.29%、46.10%、47.84%。

(2)“五庫聯(lián)調(diào)”中干流水庫因其所處空間位置及可調(diào)控庫容大,故在攔蓄洪水中發(fā)揮了更顯著的作用,其中小浪底水庫貢獻最大,三門峽水庫次之；故縣、陸渾和河口村水庫因在不同場次洪水中采取的調(diào)度策略不同而在貢獻率上出現(xiàn)差異。

(3)黃河下游防洪是多目標(biāo)任務(wù),其中最重要的是確保下游洪水不漫灘,保障灘區(qū)近200萬群眾的生命財產(chǎn)安全。本次秋汛洪水的成功防御,一方面體現(xiàn)了“五庫聯(lián)調(diào)”的重要作用,同時也反映出黃河下游河道行洪能力不足是制約防洪安全最關(guān)鍵的因素。在整個調(diào)度過程中,花園口站洪峰流量始終是制約水庫調(diào)度的最關(guān)鍵因素,其主要原因是孫口附近局部河道平灘流量不足5000 m3/s,遠小于花園口至高村段及艾山以下的平灘流量,成為制約洪水下泄的卡口。近年來黃河流域極端天氣事件增多,洪水災(zāi)害風(fēng)險長期存在,因此迫切需要進一步提高下游河道卡口段行洪能力,進一步擴大梯級水庫群調(diào)度空間,確保黃河安瀾。