大清河流域白洋淀以上库淀联合防洪调度研究

于京要

(河北省水利水电勘测设计研究院 天津 300250)

1 基本情况

1.1 流域概况

大清河分南、北两大支流。南支由扇形分布的潴龙河、唐河、清水河共7条较大河流构成,均汇入白洋淀,经白洋淀滞蓄后通过赵王新河汇入东淀。北支洪水经新盖房分洪道和大清河故道入东淀,且有白沟引河与白洋淀相通[4]。东淀是南、北支洪水共同遭遇、滞蓄、泄流的淀区。东淀出口包括海河干流和独流减河,其中独流减河是根治海河过程中人工开挖的单独入海通道。

大清河流域总面积43060km2,其中白洋淀以上流域面积21045km2。大清河流域地跨山西、河北、北京、天津四省市,防洪保护区涉及河北、天津两省市36个县 (区),保护区面积10960km2,保护区内总人口814万人,耕地面积1090万亩。

图1 大清河流域示意图

1.2 工程概况

大清河流域内大型水库总库容33.02亿m3,主要集中于南支山区,控制流域面积9243km2,占南支山区面积的80%;北支的安各庄水库控制流域面积476km2,亦可通过白沟引河为白洋淀提供水资源。

王快水库、西大洋水库为大 (Ⅰ)型,其余为大 (Ⅱ)型。水库除险加固工程完成后将全部达到《防洪标准》 (GB50201-94)的要求,其中王快、西大洋水库防洪标准达到万年一遇,对低标准洪水的控制能力较强。

白洋淀是大清河南支洪水共同汇集地,由主淀区和周边分洪区组成。当主淀区达到保证水位后即启用周边分洪区,以减轻下游洪水灾害。

大清河南支洪水控制边界清晰,工程自成体系,因此为减轻白洋淀周边分洪所带来的淹没损失,对白洋淀以上流域内的大型水库和白洋淀进行联合防洪调度研究具有十分重要意义。

2 大清河流域防洪调度现状

2.1 流域洪水调度

大清河南支洪水以白洋淀为总控制节点,确保千里堤、保证潴龙河千里堤防洪安全。白洋淀十方院汛限水位按8.0m～8.3m(大沽高程,下同)动态控制,保证水位10.5m。当白洋淀十方院水位超过汛限水位时,开启枣林庄枢纽泄洪。当十方院水位达到10.5m且继续上涨时,在枣林庄枢纽充分泄流的前提下,依次扒开障水埝、淀南新堤、四门堤及新安北堤向白洋淀周边分洪[1]。

2.2 大型水库调度

流域内的王快、西大洋两座大 (Ⅰ)型水库,采取三级控泄调度,按保证下游主河槽、堤防与京广铁路桥安全分级控制泄量。其余四座大 (Ⅱ)型水库,因防洪库容较小,虽部分调度中也有控泄措施,但在流域洪水中所起作用较小,以保证自身防洪安全为主[2]。

王快、西大洋水库分级洪水调度控制见表1。

表1 王快、西大洋水库分级洪水调度指标表

2.3 存在问题

流域内大型水库控制面积占白洋淀以上总面积的一半,对山区洪水起到了绝对控制作用,但现状调度运用中水库和白洋淀均从自身洪水出发,缺乏流域整体防洪调度理念,从而未使上述工程发挥出最大的防洪作用。

3 大清河流域联合防洪调度研究

3.1 流域洪水组成

流域内发生的最大实测洪水为“63.8”洪水,白洋淀以上不同分区的洪水组成见表2。

表2 白洋淀以上流域“63.8”洪水组成表

“63.8”洪水量级相当于50年一遇[5],有控山区(水库控制流域)占流域总洪量的46%～57%,其中王快、西大洋两座大(Ⅰ)型水库占34%～42%。从入淀区域分,入马棚淀(潴龙河流域)、唐河入淀(唐河流域)、入藻杂淀(北部其他河流)的关系大致为5︰3︰2。由于入马棚淀、唐河入淀流域内有王快、西大洋水库控制,其总水量比例占白洋淀以上80%左右,因此王快、西大洋水库与白洋淀进行联合调度的潜力很大。

对于较低标准的洪水,出现区域性暴雨洪水的机遇增大,因此在联合调度研究中也同时兼顾到更集中于其一区域的类型。

3.2 联合防洪调度理念

大型水库在除险加固措施实施后防洪标准均得到极大提高,对低标准洪水具有较大的调洪空间和灵活调度余地。

汇入白洋淀的洪水按先后次序为平原沥水、无控制山区洪水和大型水库泄水。根据流域洪水量级不同和上述洪水特点,联合防洪调度理念可概括为:

(1)降低白洋淀周边分洪区启用机遇;

(2)减少白洋淀周边分洪区启用数量;

(3)减少西三洼(指东淀、文安洼、贾口洼,重点为文安洼)蓄滞洪量;

(4)降低白洋淀超标准分洪机遇。

本次研究重点是减轻白洋淀周边分洪损失的调度方案,也就是对20年一遇及其以下低标准洪水。

3.3 联合防洪调度研究

(1)调度基础研究

白洋淀以上流域联合防洪调度的基础是大型水库具有承担错峰、预泄、动态水位控制等能力。

对水库而言,错峰与限泄的结果相类似,即水库必须承担更多的调洪任务。但错峰调度是具有时限性的,错峰期以外仍可回归正常调度甚至加大泄量,因此错峰调度的风险在于未来非预期洪水的出现概率。

预泄调度并不会加大水库防洪风险,但库水位恢复期的洪水标准与预估洪水标准间的差异仍构成了水库调度风险。

动态水位控制是指汛期在一定时限内超汛限水位运行且没有按正常调度泄流。很显然,动态水位控制是加大水库防洪风险的最主要因素,因此合理掌握动态水位控制运用幅度和时机是保证水库安全的关键环节。

为防止上述调度超出水库可承受的风险,特对王快、西大洋水库防洪风险进行了研究。研究方法是按设计洪水统计参数随机生成10000个洪水系列,对每个系列都按正常调度、动态水位控制调度进行水库洪水调节演算,统计分析高标准洪水超出设计值的概率。

经分析,王快水库按汛限水位193m进行调度的1000年一遇洪水风险为0.10%,与设计要求相符。当动态水位控制在汛限水位2m幅度以内时洪水风险不超过0.11%,当动态水位控制幅度超2m时洪水风险显著加大;西大洋水库按汛限水位134.5m进行调度的2000年一遇洪水风险为0.05%,与设计要求相符。当动态水位控制在汛限水位2m幅度以内时洪水风险不超过0.055%,当动态水位控制幅度超2m时洪水风险显著加大。因此调度中应严格控制动态水位控制幅度不超过2m。

(2)联合错峰调度

联合错峰调度是白洋淀以上联合防洪调度最主要措施之一。

对于白洋淀启用周边分洪区的临界标准洪水,通过上游水库联合错峰调度,使后期入淀洪水过程均匀化,从而尽可能控制淀水位不超过分洪控制水位,实现减少白洋淀周边分洪损失的目标。

对于白洋淀已启用部分周边分洪区情况下,可通过上游水库的联合错峰调度控制白洋淀水位的上涨趋势,从而减少白洋淀周边分洪区启用的数量,降低淹没损失。

由于白洋淀在保证水位10.5～10.7m时的枣林庄枢纽下泄能力为2000～2300m3/s左右,因此上游水库联合错峰调度的控制目标就是在白洋淀主淀区水位达到保证水位时的总入淀流量控制在2000～2300m3/s以内。

(3)联合预泄调度

联合预泄调度是在预报可能产生洪水过程的流域提前泄水,通过腾留库容的方式加大对后期洪峰的调蓄作用。

在考虑水库以下基流的前提下,水库按下游河道最低级别的控制流量预泄,即王快水库泄量与下游组合流量不超过800m3/s,西大洋水库泄量与下游组合不超过300m3/s。

预泄调度及其他联合调度措施均应考虑到水库与白洋淀之间的洪水传播时间。另一方面,当前地下水位埋深较大,洪水在演进过程中对地下水补给形成的损失也应考虑在内。

(4)调度风险与实时控制调度

上述各种调度方式都与水文预报紧密相关,受预报精度所限,既应防止盲目抬高库水位,也应防止过量泄空库容,为后期蓄水带来影响。

鉴于洪水预报可能存在的误差及调度风险[3],实时控制调度是消除误差和纠偏的最有效措施。实时调度所依据的信息尽可能多样化,包括上游入库控制站实测流量、库水位、淀水位、分洪区水位及河道流量等等。由于王快水库、西大洋水库控泄级别较多,且级差较大,实时控制调度同时也是防止盲目加大泄量,有效减轻下游洪灾的重要手段。

(5)调度效果分析

常规调度遇流域10年一遇洪水需破障水埝启用一个分洪区,而通过联合调度则可不再启用,相应减少淹没面积50km2。遇20年一遇洪水,白洋淀周边分洪区将全部启用,通过联合调度将减少1～2个分洪区,相应减少淹没面积90～230km2。

4 联合防洪调度效益分析

大清河流域联合防洪调度中不同洪水标准的效益不同,可采用频率法分析多年平均效益,每一频率标准的效益为常规调度与优化调度的损失差值。防洪效益计算的最高洪水标准为50年一遇,水资源利用效益计算的最高洪水标准为20年一遇。

由于调度中利用了洪水预报成果,鉴于洪水预报中可能存在的误差,按产生预报误差的幅度和概率进行风险效益分析。

表3 大清河流域联合防洪调度效益分析表

不同淹没对象按其可能产生的损失特点计算损失值。 在考虑下游蓄滞洪区整体运用条件下且计入预报风险的优化调度效益成果见表3。

5 结语

大清河流域防洪对象涉及京、津、冀三省市,因此在海河流域防洪调度中占据举足轻重的地位。经过新中国成立以来的防洪工程和调度体系建设,以及水文预报能力的不断提高,已具备了对流域洪水统筹兼顾,并对上游水库、中游洼淀与分洪区、下游入海通道进行联合调度的条件。

大清河白洋淀以上库淀联合防洪调度以洪水预报为基础,以防洪工程体系为依托,以实时调度为控制,以减灾保安全为目标。库淀联合防洪调度结合洪水预报,针对不同洪水量级和地区组成,充分利用流域内控制工程整体的调蓄能力,对于白洋淀在临界洪水条件下减小周边分洪区启用机遇或启用数量具有十分重要意义。

1 国务院.大清河防御洪水方案[M].2007.

2 邱人立.浅谈大清河系洪水调度规程编制中的几个问题[J].河北水利水电技术,2002,3.

3 侯召成,翟宜峰等.水库防洪预报调度风险分析研究[J].中国水利水电科学研究院学报,2005,1.

4 吴新玲,王文林,田新敏.大清河系北支洪水特点及其防御[J].河北水利水电技术,2002,3.

5 魏智敏,李群.关于大清河系“96◦8”洪水调度评价的几个问题[J].河北水利,2001,4.