结雅、布列亚水库对黑龙江防洪需求的响应

李宜雪　董增川　肖敬　施任生　许凌杰

摘要：为定量研究结雅水库和布列亚水库对黑龙江干流防洪需求的响应，以2013年黑龙江大洪水为例，基于马斯京根理论构建了河道洪水反向演算模型，分别以奇克站、乌云站和勤得利站为流域控制站点，分析计算结雅水库和布列亚水库对奇克、乌云和勤得利三站的防洪需求响应。位于俄罗斯结雅河上的结雅水库和布列亚河上的布列亚水库对黑龙江干流洪水具有明显的削峰、错峰作用;干流不同站点对水库的错峰要求不同，结雅、布列亚水库应分别进行错峰调度，将支流洪峰与干流洪峰错开，保障干流安全。

关键词：2013年洪水;洪水影响;马斯京根法;结雅水库;布列亚水库;黑龙江

中图分类号：TV877

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019.03.011

我国是世界上洪涝灾害最为频繁和严重的国家之一[1].由洪涝灾害所造成的社会经济损失占各种自然灾害损失的首位。黑龙江为世界十大国际界河之一.100多a来曾多次发生大洪水，对人民的生命财产造成巨大的威胁。水库作为重要的水利工程，在减轻洪水灾害方面发挥着举足轻重的作用。然而黑龙江干流上并无水库等防洪工程，其防洪形势十分严峻。在黑龙江大洪水期间，位于俄罗斯结雅河上的结雅水库和布列亚河上的布列亚水库发挥了重要的削峰、错峰作用，有效地减轻了黑龙江干流的防洪压力。因此，分析结雅水库和布列亚水库对黑龙江干流防洪需求的响应，对黑龙江流域应对大洪水具有重要的现实意义，同时可为中俄联合防洪交流与谈判提供理论依据。

目前，关于水库等水利工程对洪水的影响，许多学者已经做了很多研究。李成林等[2-3]采用新安江模型和遥感技术，分析了水利工程对洪水的影响规律：张建云等[4]从水文的角度分析了主要水利工程运用对淮河洪水的影响，并提出了相应的防洪措施：孙新国等[5]将TOPMODEL水文模型耦合到水文模型中，通过历史洪水来率定水利工程对洪水的影响：张瑞勋等[6]采用优化准则与经验适线法，分析了上游水利工程对枫树坝入库洪水的影响：张志红等[7]在大量实地考察的基础上构建流域水文模型，分析了渭河流域水利水保工程对实测洪水的影响：郭生练等[8]采用新安江模型、纳西模型和地下线性水库汇流模型进行分析计算，提出了人类活动影响下的丰满水库洪水预报方案。以往的研究主要集中于流域多个水利工程对洪水径流的综合影响，目前针对国际河流上大型水库对我国干流洪水的影响研究较少。本文在总结前人研究工作的基础上，分别以黑龙江干流奇克站、乌云站和勤得利站为控制站点，构建河道洪水反向演算模型，并以2013年大洪水为例，分析结雅水库和布列亚水库对黑龙江干流防洪需求的响应，为流域防洪调度决策提供依据。

1 研究区概况

黑龙江位于北纬42°0′-55°45′、东经108° 21′-141°21′之间，跨中国、俄罗斯、蒙古、朝鲜4个国家。黑龙江流域面积为184.3万km².自石勒喀河源鄂嫩河起，黑龙江全长4 416 km，石勒喀河和额尔古纳河汇合点以下称为黑龙江干流，干流全长2 833 km。传统上将黑龙江流域划分为额尔古纳河、石勒喀河、结雅河、布列亚河、松花江、乌苏里江6大水系，其他支流及黑龙江干流统称为黑龙江干流区。黑龙江流域属大陆性气候区，受中纬度西风带和西伯利亚寒冷空气影响，具有春季干旱多大风、夏季温热多雨、秋季晴冷温差大、冬季严寒而漫长的气候特点。流域多年平均气温-4.3 -5.1℃，年降水量一般为500 mm左右。受气候和地形条件等方面的影响，流域年内降水主要集中在6-9月（占年降水量的70%）。降雨年际变化也较为明显，最大年降水量一般是最小年降水量的2-3倍。黑龙江流域的洪水主要由汛期暴雨形成，暴雨集中在6-9月，其中7月至8月上旬是暴雨的集中期。

位于俄罗斯的结雅河是黑龙江左岸最大的支流，发源于外兴安岭马洛托科湖南30 km处，河长1 242km，流域面积23.3万km³。结雅水库位于俄罗斯结雅河上，于1976年建成，水库水面长度为225 km，中部宽度为24 km，平均水面面积2 420 km²，库容873.8亿m3，防洪库容161亿m³。水库可调蓄的坝址以上流域产生的径流量占结雅河总径流量的36%。布列亚河河长739 km.流域面积7.07万km².布列亚水库位于布列亚河上，为山区水库，库区水面长234 km，面积750 km²（相应于正常高水位），总库容209亿m³，水库调节径流量占整个布列亚河的92%。图1为黑龙江干支流及研究站点位置分布情况，由于黑龙江流域面积很大，因此只截取了研究站點和水库所在的区域。

2 控制河道洪水反向演进模型

2.1 基本原理

反向演进模型可将防洪断面目标流量过程反演到水库坝址断面，本次洪水反向演算采用过程迭代法。过程迭代法设下游控制断面的目标流量过程为0_t，入库流量过程为Q_t，符合控制断面目标流量过程的上断

由式（3）可知，当K、x已知，上游断面的来水过程以及下游断面上一时刻的出流已知，就可以计算出下游断面下一时刻的出流。该方法在实际应用中的一个关键问题是如何正确估计模型的参数K、x或CO、C1、C2。马斯京根法要求人流和出流过程在计算时段At内呈线性变化，并且在任何计算时段△t内，在河段内沿程呈线性变化。在实际应用中，一般计算河段较长，人流洪水的涨落洪历时远小于河段的传播时间，马斯京根法的计算误差较大。因此，为满足马斯京根法的线性假定，需要把演算河段划分成若干子河段，使子河段内的流量在计算时段△t内及沿程均呈线性分布，然后采用分段连续演算的方法将防洪断面目标流量过程反演到水库坝址断面。

2.2 控制站点

本次关于结雅水库、布列亚水库对黑龙江干流防洪需求的响应研究，考虑了奇克、乌云、勤得利3个控制站点。奇克站洪水受结雅水库调节的影响，为单独防洪点：乌云站和勤得利站的洪水受结雅水库和布列亚水库共同调节的影响，为公共防洪点。因此，在对控制站点目标流量过程进行反向演算时，需要将控制站点目标流量过程减去区间来水过程，然后反向分段演算至各水库坝址处。反向连续演算的分段情况见表1，洪水传播时间见表2。

3 结雅水库、布列亚水库防洪响应分析

结雅水库、布列亚水库分别位于黑龙江干流两条支流结雅河与布列亚河上，主要控制这两条支流的来水。奇克、乌云和勤得利分别作为单独防洪点、公共防洪点，两水库对不同防洪点防洪需求的响应模式各有不同，总的来说可以归纳为削峰和错峰两种方式。削峰体现在洪峰流量上，而错峰体现在洪水传播时间上。

3.1 结雅水库、布列亚水库对黑龙江干流的削峰错峰作用

结合黑龙江流域的实际情况和结雅水库、布列亚水库的洪水资料，采用马斯京根法分段连续演算，将各水库的入库流量、出库流量分别演算至黑龙江干流各控制断面，并将入库流量、出库流量演算后的流量差叠加到实测流量过程中，即可还原得到无结雅水库、布列亚水库调度情况下各控制断面的洪水过程。

3.1.1 结雅水库对奇克站的削峰、错峰作用

奇克站位于黑龙江干流与结雅河的交汇处，由图2、表3可以看出，结雅水库对奇克站流量具有明显的削峰、错峰作用。

3.1.2 结雅水库、布列亚水库对乌云站、勤得利站的削峰、错峰作用

乌云站位于黑龙江干流与布列亚河的交汇处，勤得利位于黑龙江干流的下游。由表4、图3、图4可以看出，结雅水库和布列亚水库对黑龙江干流具有明显的削峰、错峰作用。

3.2 以奇克站为流域代表站

3.2.1 水库防洪响应分析

从洪水组成上看，奇克站来水主要受结雅河与黑龙江干流的影响。可将奇克站来水分为黑河、结雅水库以及结雅水库与别洛戈里耶区间来水（以下称结别区间）3个主要部分。根据结雅水库建库前的资料分析，结雅水库以上来水约占别洛戈里耶洪水量的50% - 60%，结别区间来水约占别洛戈里耶洪水量的40% - 50%。奇克站洪水组成可以表示为

Q奇克=f（ q黑河+Q结雅+q结别区间+q区间汇流） （5）式中：q黑河为黑河站来水，代表黑龙江干流上游来水;Q结雅为结雅水库以上来水;q结别区间为结别区间来水，g结别区间/Q结雅∈（0.67，1）;q区间汇流为黑河站、别洛戈里耶至奇克区间汇流，由于该部分来水量较小，因此忽略不计。

若两江来水量较大且洪峰遭遇，将对下游堤防安全造成巨大威胁，此时结雅水库应充分发挥拦洪削峰作用，尽可能削减结雅河上游来水.避免两江洪峰叠加，以下讨论皆以此为前提。干支流来水不同，则结雅水库调度下泄也不相同。2015年黑龙江干流加固堤防后，奇克段堤防的防洪标准为50 a一遇，对应安全泄流量为26 800 m³/S。根据奇克断面防洪标准和洪水组成情况，估算干支流不同洪水组合情况下结雅水库下泄限值，结果见表5。

由表5可知，黑龙江干流的来水流量越大，在同样的结别区间来水和入库洪水下，为了减少支流结雅河的来水，结雅水库的下泄限值也越小。极限情况为当黑龙江干流出现20 a一遇的洪水，且结别区间来水和入库流量都很大时，结雅水库不能放水。这对水库压力太大，基本不可能实现，因此奇克站肯定会发生超标准的洪水。因此，提高下游防洪断面的防洪标准极为重要。

3.2.2 典型年响应分析

2013年黑龙江流域发生全流域大洪水，图5为2013年奇克站洪水组成情况。以奇克站防洪安全泄流量26 800 m³/s为防洪上限值，将其分段减去区间来水并反演至结雅水库坝址处，得到结雅水库为保证奇克站安全的最大允许下泄流量，即结雅水库对奇克站防洪需求的响应。

由图5可知，结雅河和黑龙江干流黑河站以上均发生了较大的洪水，且持续时间长，从而干支流洪水遭遇，造成下游奇克站洪峰流量达到27 600 m³/s，超过其防洪标准。

2013年来水情况下，结雅水库对奇克站防洪需求的响应结果见图6。由图6可知，反演至水库断面的最小下泄流量为6 530 m³/s，水库削峰率为44.2%，对应下游奇克站洪峰流量27 600 m³/s。从传播时间上看，水库最小下泄限值出现在8月11日，奇克断面洪峰出现在8月17日前后，表明结雅水库应提前5-6 d进行错峰补偿调度，将水库下泄流量调整至相应限值以下，避免与黑河以上来水洪峰叠加，保证奇克断面的防洪安全。

3.3 以乌云站为流域代表站

3.3.1 水库防洪響应分析

从洪水组成上看，乌云站位于布列亚河与黑龙江干流汇合口下游，其来水主要受结雅河、黑龙江干流以及布列亚河的影响，因此可将乌云站来水分为上游奇克站来水、布列亚水库以及区间汇流3个主要部分。乌云站洪水组成可以表示为

Q乌云=f（Q奇克+Q布列亚+q区间汇流）

（6）式中：Q奇克为奇克站来水;Q布歹忸为布列亚水库以上来水;q区间汇流为奇克站、布列亚水库至乌云站区间汇流，该部分忽略不计。

若奇克站来水流量较大且与布列亚河洪峰遭遇，将对下游乌云堤防安全造成巨大威胁，此时结雅水库和布列亚水库应充分发挥拦洪削峰作用，尽可能削减支流来水，避免干支流洪峰叠加。2015年黑龙江干流加固堤防后，乌云站堤防的防洪标准为50 a一遇，对应洪峰流量为31 000 m³/s。根据乌云断面防洪标准和洪水组成情况，估算干支流不同洪水组合情况下两水库下泄限值，结果见表6。q结雅+q布列亚表示两水库下泄限值之和，两水库具体下泄流量应根据实际情况调整，但为保证上游奇克站的防洪安全，结雅水库下泄流量还应满足其下泄限值要求。