黄河中下游“五库联调”在2021年秋汛洪水中的防洪作用浅析

刘 刚，刘博伦，杨 飞，王远见

(1.华北水利水电大学 信息工程学院，河南 郑州 450046;2.黄河水利委员会 黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003;3.水利部黄河下游河道与河口治理重点实验室，河南 郑州 450003;4.郑州大学 水利科学与工程学院，河南 郑州 450001）

1 黄河2021年秋汛基本情况

1.1 秋汛的定义

《中华实用水利大词典》中汛期的定义为“江河中由于流域内季节性降雨、融冰、化雪引起定时性水位上涨的时期”[1］。《防汛手册》中汛期的定义为“江河洪水在一年中集中出现明显的时期”[2］。黄河洪水按其成因可分为暴雨洪水和冰凌洪水两类,按其出现时节可分为伏汛、秋汛、凌汛和桃汛。其中伏汛主要由集中在夏季的暴雨洪水产生,多见于7—8月黄河主汛期,秋汛主要由华西秋雨产生,多见于8月下旬至10月上旬,两者合称为伏秋大汛[3,4-5］。

1.2 2021年秋汛洪水特点

笔者统计了1949—2021年9—10月黄河中下游28场秋汛洪水中代表站洪峰流量与对应时间,见表1。

表1 1949—2021年黄河中下游潼关、花园口站秋汛洪水洪峰流量[3］

2021年秋汛具有洪峰流量历史最大(潼关站有实测资料以来10月最大洪水)、洪水场次最多、洪水持续时间超长等特点,给水库群联合调度带来了巨大压力。

具体而言,2021年秋汛,黄河中下游降雨严重偏多且持续时间长。8月下旬至10月上旬,汾河、北洛河、渭河、泾河、伊洛河、沁河、三花间(三门峡至花园口区间)干流流域面平均降雨量均为多年最大值[6］。9月24—27日渭河、泾河、伊洛河、沁河、龙三间(龙门至三门峡区间)、三花间大部大雨,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日泾河、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。

持续的强降雨导致黄河中下游干支流发生了多年来同期最大洪水,汾河河津站10月9日洪峰流量985 m3/s,为1964年以来同期最大流量；北洛河头站10月7日洪峰流量1560 m3/s,为1999年以来同期最大流量；渭河华县站9月28日洪峰流量4860 m3/s,10月8日洪峰流量4560 m3/s,均为2011年以来同期最大流量；洛河卢氏站9月19日洪峰流量2430 m3/s,为1951年以来同期最大流量；伊河东湾站9月19日洪峰流量2810 m3/s,为2010年以来同期最大流量；沁河武陟站9月27日洪峰流量2000 m3/s,为1982年以来同期最大流量,10月8日洪峰流量1230 m3/s,为1999年以来同期最大流量。黄河干流在9 d内接连出现3场编号洪水,9月27日15时,潼关站流量5020 m3/s,黄河1号洪水报汛；9月27日21时,花园口站流量4020 m3/s,黄河2号洪水报汛,9月30日潼关站洪峰流量达到7480 m3/s；10月5日23时,潼关站流量5090 m3/s,黄河3号洪水报汛,10月7日潼关站洪峰流量达到8360 m3/s。综上,此次秋汛,雨情、水情、汛情都为多年罕见。

黄河下游洪水主要来自中游的3个地区,即河龙间(河口镇至龙门区间)、龙三间、三花间。不同区间来源的洪水,以不同组合形式在花园口形成两种类型的洪水。以河龙间、龙三间来水为主,三花间来水较少的洪水称“上大型洪水”；以三花间来水为主,三门峡以上来水较少的洪水称“下大型洪水”[7］。2021年秋汛,1号、3号洪水为以三门峡以上来水为主的“上大型洪水”,2号洪水为以三花间来水为主的“下大型洪水”。

图1 给出了2021年秋汛3场编号洪水在花园口的阶段划分。由图1可知,经过黄河中下游水库群的联合调度,2号洪水在花园口的流量降至报汛流量后1号洪水到达花园口,有效避免了1号“上大型洪水”与2号“下大型洪水”在花园口遭遇,在3场洪水接续期间花园口流量始终得到精准控制,洪峰流量始终控制在4800 m3/s左右,实现了“人员不伤亡、河道不漫滩、工程不跑坝”,确保了黄河下游的防洪安全。

图1 2021年秋汛编号洪水在花园口的阶段划分

2 “五库联调”实践

黄河中下游防洪调度中有5座关键水库,分别为黄河干流的三门峡水库和小浪底水库、伊河的陆浑水库、洛河的故县水库以及沁河的河口村水库。本节将详细剖析各水库2021年秋汛期间的调度过程,评述其各自的洪水防御策略。

2.1 三门峡水库调度

2021年秋汛,1号、2号洪水期间三门峡水库大部分时间敞泄运用,3号洪水后期滞洪运用,拦蓄洪水2.6亿m3。秋汛期间三门峡水库出入库流量和水位变化见图2。

图2 2021年秋汛期间三门峡水库出入库流量和水位变化

由图2可知,1号、2号洪水期间,三门峡水库按照潼关站流量超1500 m3/s即敞泄运用的调度原则运行,秋汛期间共敞泄运用5次,历时405 h,3号洪水前库水位不超前汛期水位305 m。10月9日小浪底水库水位突破273 m,黄河水利委员会水文局多次预报小浪底水位有突破274 m的风险,为减缓小浪底水库与黄河下游防洪压力,三门峡水库开始滞洪运用,到10月12日利用315 m水位以下的防洪库容拦蓄洪水2.6亿m3(图2中椭圆所标区域)。10月26日黄河干支流相继退水后,水库向正常蓄水位318 m过渡。

2021年秋汛,3号洪水报汛后故县、陆浑水库关闸停泄,在支流水库防洪作用最大化的情况下小浪底水位仍有突破274 m的风险,三门峡水库启用315 m以下防洪库容,为保证小浪底水库安全、缓解下游防洪压力发挥了重要作用。

2.2 小浪底水库调度

2021年秋汛,1号洪水报汛后小浪底水库拦蓄洪水,避免“上大型洪水”与“下大型洪水”在花园口遭遇。2号洪水报汛后支流水库优先泄洪,然后小浪底水库逐渐加大流量下泄。3号洪水小浪底水库先拦后泄,在三门峡、故县、陆浑水库拦蓄控泄配合下与河口村水库错峰泄洪。秋汛期间小浪底水库出入库流量和水位变化见图3。

图3 2021年秋汛期间小浪底水库出入库流量和水位变化

由图3可知,9月初和中下旬两场秋雨过后,9月26日小浪底水库水位升至262.83 m。1号洪水报汛后故县、陆浑、河口村水库均处在泄洪关键期,小浪底水库拦蓄洪水配合3座支流水库联合泄洪,9月27日21时花园口站洪峰流量4020 m3/s,“下大型”2号洪水在花园口报汛。10月2日小浪底水位突破271 m后故县、陆浑、河口村水库减小下泄流量,小浪底水库加大流量泄洪,为将要到来的3号洪水腾库。10月5日小浪底水位回落至270 m,3号洪水报汛,故县、陆浑水库关闸停泄为小浪底水库下泄创造条件。10月10日小浪底水位升至273.50 m,与此同时河口村水库水位逼近280 m,为缓解小浪底水库防洪压力,三门峡水库紧急启动滞洪运用方式,到10月20日小浪底水库水位降至270 m。

小浪底水库因其防洪库容大,所处位置关键,故在此次秋汛洪水过程中,滞洪量和削峰率都远超其他水库,在“五库联调”体系当中发挥的作用最为显著。

2.3 故县水库调度

2021年秋汛,2号洪水期间故县水库以泄洪运用为主,1号洪水报汛后先拦后泄错峰调度,3号洪水报汛后关闸停泄历时7 d。秋汛期间故县水库出入库流量和水位变化见图4。

图4 2021年秋汛期间故县水库出入库流量和水位变化

9月初和中下旬两场秋雨过后,9月20日故县水库水位升至534.61 m。为应对洛河流域持续降雨、腾库迎洪控制水位,故县、陆浑、河口村水库联合泄洪,9月27日花园口站洪峰流量4020 m3/s,2号洪水报汛,9月28日10时,故县水库水位降至527.81 m。1号洪水后期,为给小浪底水库创造下泄条件,故县水库逐渐减小下泄流量,此轮洪水末故县水库水位升至533.30 m。3号洪水期间,为给小浪底、河口村水库创造下泄条件,10月6日起故县水库关闸停泄7 d,10月12日水位升至建库以来最高水位537.60 m。此后水位缓慢下降,10月26日开始向正常蓄水位过渡。

1号、2号洪水期间故县水库与其他水库联合调度,保证了洛河下游及库区移民线以下人员、财产的安全。3号洪水关键期故县水库关闸停泄7 d,为保证小浪底水库安全、缓解黄河下游防洪压力发挥了重要作用。

2.4 陆浑水库调度

2021年秋汛,陆浑水库调度策略与故县水库类似,2号洪水期间水库以泄洪运用为主,1号洪水报汛后先拦后泄错峰调度,3号洪水报汛后关闸停泄5 d。秋汛期间陆浑水库出入库流量和水位变化见图5。

图5 2021年秋汛期间陆浑水库出入库流量和水位变化

9月初和中下旬两场秋雨过后,9月20日陆浑水库水位升至318.93 m。2号洪水前,为应对持续降雨、保证库区水位不超过人员转移水位,腾库迎洪水位降至317 m以下。1号洪水过程中,以花园口站流量不超4700 m3/s、小浪底水位不超270 m为原则,减小流量控泄,9月30日水位升至319 m后错峰泄洪。3号洪水期间,为给小浪底水库创造下泄条件,10月6日起关闸停泄5 d,10月25日水位升至正常蓄水位附近(319.39 m)。

1号、2号洪水期间陆浑水库与其他水库联合调度,保证了伊河下游及水库自身的安全。3号洪水关键期关闸停泄5 d,为保证小浪底水库安全、缓解黄河下游防洪压力发挥了重要作用。

2.5 河口村水库调度

2021年秋汛,2号洪水前河口村水库腾库迎洪控制水位,1号、2号洪水接连报汛后河口村水库减小下泄流量错峰泄洪,3号洪水期间河口村水库先拦后泄,与小浪底水库错峰泄洪。秋汛期间河口村水库出入库流量和水位变化见图6。

图6 2021年秋汛期间河口村水库出入库流量和水位变化

由图6可知,9月初和中下旬两场秋雨过后,河口村水库水位升至274 m,9月17日起加大流量下泄,腾库迎洪。1号、2号洪水期间,沁河流域同时发生较大洪水,为控制水位不超280 m,河口村水库先拦后泄,与其他水库配合错峰泄洪。3号洪水期间,受沁河流域持续降雨和上游张峰水库泄洪调度的影响,河口村水库以水位不超过280 m为原则,与小浪底水库错峰泄洪。10月9日水位上涨至最高279.89 m,与此同时小浪底水库也出现了最高水位,三门峡水库启动滞洪运用方式,为小浪底、河口村水库下泄创造条件。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过渡。

河口村水库建成不久,此次秋汛前最高蓄水位为275 m,3场编号洪水期间受沁河上游持续降水影响,河口村水库大部分时间以保证水库自身安全、水位不超280 m为调度原则,但洪水过程中其间歇性滞洪也起到了重要作用。

2.6 “五库联调”总结

应对洪水,“五库联调”总体上以先小浪底水库后支流水库再三门峡水库为原则。2021年秋汛1号洪水以潼关以上干支流来水为主,2号洪水以三花间支流来水为主。1号、2号洪水前,故县水库接近汛限水位,陆浑水库超汛限水位,河口村水库超正常蓄水位,小浪底水库拦蓄洪水、支流水库优先泄洪。3号洪水以潼关以上干支流来水为主,此次洪水过程中,伊河、洛河流域来水明显减小,故县、陆浑水库先减小出库流量后关闸停泄,为小浪底水库泄洪创造条件,在小浪底水库水位突破273 m且上游持续来水的情况下,三门峡水库启动315 m以下防洪库容,减小了小浪底水库及黄河下游的防洪压力。河口村水库因沁河上游持续来水,3号洪水期间与小浪底联合泄洪,期间间歇性滞洪。

3 “五库联调”的防洪作用

通过还原计算的方式,应用自主研发的数学模型,分别计算了2021年秋汛3场洪水期间各水库对应的最大滞洪量与削峰率,计算结果见图7和表2。图8给出了无水库条件下花园口站还原计算的流量与实测流量对比。由图7和表2可知,在3场洪水的滞洪作用对比中,小浪底＞三门峡＞故县＞陆浑＞河口村,干流水库因其所处空间位置及可调控库容大,在拦蓄洪水中发挥了更显著的作用；在削峰作用对比中,小浪底贡献最大,三门峡次之,故县、陆浑和河口村水库因在不同场次洪水中采取的调度策略不同而在贡献率上出现差异。

图7 2021年秋汛3场洪水期间各水库对应的最大滞洪量

表2 2021年秋汛“五库联调”整体与各水库3场洪水期间对应的削峰率 %

图8 2021年秋汛花园口实测与还原流量对比

由图8可知,在防御秋汛洪水的过程中,“五库联调”发挥了巨大的防洪作用。经还原计算,1号洪水花园口还原洪峰流量9742 m3/s,实测流量4940 m3/s,削峰率49.29%；2号洪水花园口还原洪峰流量8906 m3/s,实测流量4800 m3/s,削峰率46.10%；3号洪水花园口还原洪峰流量9279 m3/s,实测流量4840 m3/s,削峰率47.84%。

需要特别指出的是,在削峰率计算中,花园口的峰现时间受上游水库的共同调控,当不考虑其中任一水库对洪水的调节作用时,花园口的峰现时间不同,而且3场洪水是连续发生的,各水库在对其中一场洪水的峰值进行调节时会影响其他洪水的峰值,从而导致计算所得各水库削峰率相加不等于五库削峰率的总和；此外,由于故县水库在2号洪水期间以泄洪运用、确保水库和坝上游安全为主,水库的出库流量大于入库流量,因此其在2号洪水期间的削峰率为负值,这里的负值仅说明故县水库在2号洪水期间对于花园口洪峰的影响,并不能代表其对洪水整体防御的贡献。

4 结语

2021年秋汛洪水因其洪峰流量历史最大(潼关站有实测资料以来10月最大洪水)、洪水场次最多、洪水持续时间超长等特点给黄河中下游防洪调度带来严峻挑战。“五库联调”在此次秋汛防御中发挥了关键作用。本文系统梳理了2021年秋汛洪水的基本特点,剖析了洪水过程中5座水库的调度过程,阐明了其各自的洪水防御策略,采用还原计算的方法确定了各自的防洪作用。

(1)“五库联调”中各水库结合来水实际情况和防洪需求,采取了不同的调度策略,但均对洪水防御做出了积极贡献,还原计算结果表明,3场洪水“五库联调”的削峰率分别为49.29%、46.10%、47.84%。

(2)“五库联调”中干流水库因其所处空间位置及可调控库容大,故在拦蓄洪水中发挥了更显著的作用,其中小浪底水库贡献最大,三门峡水库次之；故县、陆浑和河口村水库因在不同场次洪水中采取的调度策略不同而在贡献率上出现差异。

(3)黄河下游防洪是多目标任务,其中最重要的是确保下游洪水不漫滩,保障滩区近200万群众的生命财产安全。本次秋汛洪水的成功防御,一方面体现了“五库联调”的重要作用,同时也反映出黄河下游河道行洪能力不足是制约防洪安全最关键的因素。在整个调度过程中,花园口站洪峰流量始终是制约水库调度的最关键因素,其主要原因是孙口附近局部河道平滩流量不足5000 m3/s,远小于花园口至高村段及艾山以下的平滩流量,成为制约洪水下泄的卡口。近年来黄河流域极端天气事件增多,洪水灾害风险长期存在,因此迫切需要进一步提高下游河道卡口段行洪能力,进一步扩大梯级水库群调度空间,确保黄河安澜。