高云明,温立成,闻立芸
(1.海河水利委员会水文局,天津 300170;2.海河水利委员会引滦工程管理局,河北迁西 064309)
为缓解津、唐两市用水紧张的局面,国务院批准于1975年开始修建引滦工程,分别于1980年5月、1983年7月、1984年12月实现滦河下游农业供水和入津、入唐供水。引滦工程主要包括引滦枢纽工程、引滦入津工程、引滦入唐工程以及滦河下游农业输水工程。引滦枢纽工程作为引滦工程的龙头由潘家口水利枢纽、大黑汀水利枢纽和引滦枢纽闸三部分组成,潘家口、大黑汀水库作为津、唐两市的供水水源地在水资源配置中起主要作用。截止到2011年年底已累计完成供水354亿m3,其中向天津市供水157亿m3、向唐山市及滦河下游农业供水197亿m3,为津、唐两市的经济发展提供了保障。
大黑汀水库位于潘家口水库下游30 km滦河干流上,总库容为3.37亿m3。大黑汀水库的主要作用是调节潘家口水库水量,抬高水库水位,为跨流域引水创造条件,同时汛期拦蓄潘家口、大黑汀水库区间来水,并结合供水发电。引滦枢纽闸是引滦入津和引滦入唐工程的咽喉,位于大黑汀下游500 m处,通过引滦总干渠与大黑汀水库相接,其作用是控制调节引滦入唐和入津的流量。引滦枢纽闸右侧设有入津闸、设计流量60 m3/s,引滦枢纽闸左侧设有入唐闸、设计流量80 m3/s,引滦枢纽闸以下分别与引滦入唐隧洞和引滦入津明渠相接。
大黑汀水库设计上没有防洪库容,汛期在避免人造洪峰的前提下没有限泄要求,当水库水位达到133.00 m时,本着来多少泄多少的原则泄洪。
潵河是潘家口、大黑汀水库区间的最大支流。潵河流域是华北地区著名的暴雨中心,流域面积1 400 km2,河长72 km,坡降5.3‰。潵河洪水具有峰高流急的特点,从主雨峰到洪峰入库约5~6 h。由于大黑汀水库没有防洪库容,能否利用引滦入津、引滦入唐工程实现跨流域调配洪水资源、达到充分利用大黑汀水库洪水资源的目的,是本文研究的内容。
潵河流域冬季受内蒙高压控制,雨雪稀少;夏季受大陆低压和副热带高压控制,气温偏高,蒸发剧烈,东南湿润气流受高山抬升,形成夏季丰沛的降水,年平均降水量500~800 mm。降水量年际分布和年内分配都极不均匀。年内降水,80%左右的降水量集中在汛期,特别是丰水年份汛期所占比重更大。降水集中和暴雨频多量大是本地区气候的显著特点。暴雨多发生在7月下旬至8月上旬,由于雨量集中,加之中上游河道坡降较大,使得汛期洪水峰高流急,易造成洪涝灾害。该流域地处燕山山脉西侧的暴雨中心地带,洪峰模数达 4.07~4.17 m3/(s·km2)。 据蓝旗营水文站调查资料,1894年洪水为历史之最,洪峰流量为 6 590 m3/s,洪峰模数 10.2 m3/(s·km2)。由于流域内植被较好,水土流失不甚严重,每年除7、8月以外,河水清澈见底,枯季最小流量一般在 0.6~1.0 m3/s。
潵河洪水由暴雨形成,降水的年际变化大导致了洪水年际变化也大。而北方河流的特点就是每年只有1~2场洪水,洪水调度是否得当决定了洪水资源利用的科学性,洪水的稀缺性决定了实施洪水资源调度的紧迫性。
目前,天津为了维持海河市区段水质,每年约利用0.5亿m3的引滦指标,市区周边河道水质较差,基本上没有合适水源维持其自净。根据《天津市中长期供水规划》,预计到2020年天津市生态需水14.88亿m3,仅城市环境需水就达3.99亿m3,所以未来天津市生态水缺口较大。
由于陡河水库多年不泄洪,流经唐山市内的陡河基本干涸,仅有一些生活污水,只有每年春季结合丰南农业供水,供水河道才有部分流量;邱庄水库为平原水库,水位较低、加之近几年网箱养鱼的影响,水质较差,已经不具备城市供水条件,如没有大的洪水,邱庄水库以下河道基本长年断流。唐山市水环境形势也相当严峻。
由于潘家口、大黑汀水库的修建,滦河下游河流已为季节性河流,加之迁西、迁安、乐亭等县修建了大量的拦蓄水工程和引水工程,如没有较大洪水,汛期大黑汀、桃林口水库以下区域产生的径流几乎全部被拦蓄,导致多年来滦河基本没有入海水量。同时,由于经济的发展和城镇化步伐加快,滦河下游地区城镇生活、生产和环境用水大多直接抽取地下水,导致滦河下游地下水位普遍下降,目前已经形成了2个较大的漏斗区。
针对严峻的缺水形势,依托引滦工程实施大黑汀水库洪水资源调度,改善津、唐两市以及滦河下游水环境是十分必要的。
3.1.1 实施原则
(1)在保障于桥、邱庄、陡河水库以及相关河道的防洪安全、不增加淹没损失的前提下,通过引滦入津、引滦入唐以及引滦沿线水库、湿地、洼淀和湖泊等充分拦蓄洪水资源。
(2)以洪水调度方案为基础,根据天气形势和水情预报,合理拦蓄洪水,兼顾上下游、左右岸,公平分配水量,实现洪水资源的和谐利用。
(3)充分结合工程现状,利用现有水库、河道、输水工程,不新建工程。
(4)遵循“风险共担,利益共享”的原则。
3.1.2 实施条件
(1)当潘、大区间发生洪水时,根据洪水预报成果分析,大黑汀水库即将达到132.00 m面临泄洪时。
(2)于桥水库控制流域无洪水发生,在未来可预见期内也没有大的降雨天气过程,尚有防洪库容,可以直接存蓄引滦洪水;或于桥水库没有防洪库容,但于桥水库以下引滦入津沿线没有降雨发生,具备向下游河道、湿地供水条件时。
(3)邱庄、陡河2座水库控制流域无洪水发生,在未来可预见期内也没有大的降雨天气过程,尚有防洪库容,可以直接存蓄引滦洪水;或邱庄、陡河两水库没有防洪库容,且两水库以下河道没有降雨发生,具备向下游河道供水条件时。
(4)滦河下游没有大的降雨,具备利用河道、洼地储备洪水资源、维持滦河下游生态流量,改善滦河下游环境的条件时。
3.2.1 总体方案
首先满足津、唐两市城市及环境用水流量,其次考虑滦河河道的环境改善以及地下水的补给,最后考虑冲洗还乡河流量及于桥水库下游河道的流量。
3.2.2 天津部分
根据于桥水库的当前水位、汛期限制水位,结合目前的天气周报情况,考虑7 d来水,计算于桥水库可存蓄引滦洪水量。同时,考虑于桥水库先行向蓟运河、海河或七里海湿地补水,降低库水位(州河最大允许安全泄量150 m3/s),然后由潘家口、大黑汀水库以60 m3/s向于桥水库补水,核算可利用洪水资源量。
根据于桥水库、引滦入津沿线的需水情况,上述2种情况有时需要统筹考虑。
3.2.3 唐山部分
根据邱庄、陡河水库的当前水位、汛期限制水位,结合目前的天气周报情况,考虑7 d来水,计算2座水库可存蓄引滦洪水量。
考虑邱庄水库先行向还乡河补水,降低库水位(最大允许安全泄量230 m3/s),然后大黑汀水库以40 m3/s向邱庄水库补水,核算可利用洪水资源量。
考虑陡河水库先行向陡河补水,降低库水位(最大允许安全泄量130 m3/s),然后邱庄水库以35 m3/s向陡河水库补水,核算可利用洪水资源量。
根据邱庄水库、陡河水库、引滦入唐沿线的需水情况,上述3种情况有时需要统筹考虑。
3.2.4 滦河下游部分
(1)利用滦河下游橡胶坝存蓄洪水资源,根据大黑汀水库出库水量确定洪水资源量。
(2)利用岩山渠首和滦河下游灌区河渠、洼地存蓄部分洪水资源,核算可利用洪水资源量。
2012年7月21日,潘家口、大黑汀区间的潵河流域发生洪水,在本次洪水调度中,利用引滦输水工程,大黑汀水库实现了洪水资源调度,具体情况如下:
7月20—21日,受河套地区的高空槽影响,同时配合副热带高压稳定维持形成的阻挡作用,潵河流域普降大到暴雨,局地特大暴雨,面平均雨量224.3 mm,降雨主要集中在流域中、上游,最大点雨量为石庙子站266.1 mm。各站次降雨量,见表1。
表1 各站次降雨量统计
潵河上游控制站蓝旗营22日1时开始起涨,22日3时12分洪峰流量1 890 m3/s,流量列1959年有实测记录以来第4位 (历史最大流量2 180 m3/s,1962年7月),次洪量0.96亿m3。大黑汀水库22日8时入库洪峰流量2 130 m3/s,次洪量1.13亿m3,仅次于 1994 年“7·13”洪水(洪峰流量 2 150 m3/s)。 大黑汀水库入库洪水过程,如图1所示。
图1 大黑汀水库入库洪水过程
本次洪水调度依靠中短期降雨预报和大黑汀水库洪水预报系统,实现了洪水资源调度,根据大黑汀水库的入库洪水过程,本次洪水资源调度的终止时间为7月26日8时。
7月19日8时,大黑汀水库水位128.11 m,距汛限水位133.00 m相差4.89 m,汛限水位以下防洪库容为1.04亿m3,根据天气预报,未来3 d将有1次较大的降雨过程。考虑到刚进入主汛期,大黑汀水库又没有防洪库容,为确保水库安全,避免汛期大流量泄洪,水库不能高水位运行,加之引滦沿线的于桥、陡河水库汛限水位以下分别有1.1亿、0.39亿m3的蓄水能力,具备实施洪水资源调度的条件,决定实施洪水资源调度。
7月19日9时,在降雨前24 h利用引滦入津工程向天津实施洪水资源调度,由于潵河流域和于桥水库产流区基本处于同一雨区,为确保于桥水库安全,错开于桥水库入库洪峰,在于桥水库洪峰入库前停止供水33 h,待于桥水库入库洪水情况明朗后恢复供水。
7月22日17时,利用引滦入唐工程向陡河水库供水,一直持续到7月26日8时。
7月25日11时,根据入库洪水情况,向滦河下游河道泄水,一直持续到7月26日8时。
调度具体过程,如图2所示。
图2 大黑汀水库洪水资源调度过程
图3 常规调度和洪水资源调度过程对比
按照常规调度,大黑汀水库水位超过133.00 m的水量全部通过滦河河道下泄,则最大下泄流量279 m3/s,总下泄水量0.2亿m3。考虑到洪水资源利用,大黑汀水库在洪峰入库72 h前即通过引滦工程实施洪水资源调度,避免了水库大流量向河道泄洪,最大限度地利用了洪水资源。利用引滦工程分别向天津、唐山供水0.21亿、0.1亿m3,向滦河下游河道下泄0.08亿m3,最大流量109 m3/s。常规调度和洪水资源调度过程如图3所示,具体成果对比见表2。
表2 常规调度和洪水资源调度对比成果
从表2可以看出,本次洪水依托引滦工程实现洪水资源利用0.31亿m3,利用引滦渠首电站多发电77.5万kW·h,创造发电效益31万元。滦河河道最大下泄流量由279 m3/s减至109 m3/s,有利于下游防洪。
(1)通过“7·21”洪水的调度实例分析,依托引滦工程,应对潵河洪水,在大黑汀水库实施洪水资源调度是可行的。
(2)实施洪水资源调度过程中,密切关注引滦沿线雨情、工情变化,在风险控制的基础上制定完备的应急预案,确保安全输水。
(3)进一步加强气象降水和洪水预报系统耦合研究,在延长预见期的前提下提高耦合预报成果的精度,为更好地实施洪水资源调度提供技术支撑。