巢湖流域防洪新格局方案构建研究

马玉峰 田 娟

(安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司,安徽 合肥 230000)

1 概 述

巢湖流域面积13545km2,其中巢湖闸上流域面积9186km2,主要入湖支流有南淝河、派河、丰乐河、杭埠河、白石天河、兆河、柘皋河等,均呈放射状汇入巢湖,经湖泊调蓄后由裕溪河和牛屯河等注入长江;巢湖闸下流域面积4359km2,主要河流有西兆河(西河、兆河)裕溪河、牛屯河等[1-2]。

巢湖流域历史上水旱灾害频繁,治水任务极为艰巨。新中国成立以来,为治理水旱灾害开展了多轮流域防洪规划。1954年大水后,根据《巢滁皖流域规划》,陆续建成了巢湖闸、裕溪闸和董铺水库、龙河口水库,开挖了牛屯河分洪道等;1991年大水后,根据1994版防洪规划,陆续兴建了凤凰颈排灌站、大房郢水库,拓宽了牛屯河分洪道和西河、兆河,加固了无为大堤和巢湖闸、裕溪闸等;2016年大水后,根据《巢湖流域治理规划》,加固了环巢湖大堤和南淝河堤防,继续拓宽牛屯河分洪道,实施杭埠河防洪治理,开工建设神塘河站、凤凰颈新站等[3],形成了目前的防洪工程布局。

2 现状存在问题

巢湖流域现状防洪体系及规模主要由1994版防洪规划确定,根据大水年1991年的洪水特征调算确定蓄洪圩口大小、进洪水位及排江通道规模。其中巢湖闸上洪水通过巢湖、圩口调蓄,裕溪河、牛屯河自排;西兆河洪水通过东大圩蓄洪,神塘河站和凤凰颈新、老闸站对江自排抽排相结合方式外排;流域内万亩以上圩口进洪水位巢湖闸上为12.50m,巢湖闸下为12.00m;万亩以下圩口进洪水位巢湖闸上为12.00m,巢湖闸下为11.70m,小圩均为自然溃破。基于以上工程,1994版防洪规划确定了巢湖流域设计洪水位,即巢湖闸上20年一遇水位为12.50m,50年一遇水位为12.75m,100年一遇水位为13.36m[4]。

2020年,受持续强降雨影响,巢湖发生流域性大洪水,同期遭遇长江高水位,7月2—19日,长江水位高于裕溪河闸上水位,巢湖流域洪水不能自排,关门淹长达17天。巢湖忠庙站最高水位13.43m[5](2020年7月22日),突破历史实测记录,超100年一遇洪水位(13.36m)0.07m。巢湖流域溃(漫)破及主动分洪圩口共215个,其中千亩以上圩口90个,包括石大圩、蒋口河联圩、滨湖联圩、牛广圩等万亩以上圩口11个,千亩以下圩口125个[6-7],根据2020年7月15日和27日Sentinel-1A SAR灾前和灾中影像、安徽省高程和巢湖流域边界地理信息数据分析结果,巢湖流域内淹没面积为524.8km2,洪涝灾害损失严重[8]。

随着流域内经济的快速发展和城市人口的快速增长,巢湖流域经济总量已约占安徽省30%,省会合肥市的GDP已突破1.2万亿元,伴随迅猛发展的经济,人与水争地的矛盾越发强烈,有效蓄洪圩口减小,洪水被逼在外河及湖泊中,导致洪水位居高不下,如遭遇长江高洪水位顶托、入江泄洪通道不畅甚至关闭,巨大超额洪量积滞将导致巢湖、支流水位高涨及大面积破圩,威胁人民群众的生命财产安全,现状防洪体系亟须完善。

3 典型年洪水分析

3.1 巢湖洪量分析

巢湖洪量按巢湖闸上、闸下、巢湖流域选取3d、7d、30d、90d四个统计时段,其中7～30d为巢湖洪水控制时段,巢湖最高洪水位就出现在此时段。通过分析,各分区最大30d洪量均以1991年为首,巢湖闸上、闸下,巢湖流域最大7d洪量分别以1991年、2016年及1969年最大,2020年洪量排第四。由于2020年出现了恶劣的江湖遭遇,导致长达17天的洪水无法外排,形成了比1991年、2016年及1969年更多的超额洪量[9],见表1。

表1 巢湖最大洪量分析成果 单位:亿m3

3.2 自排水位分析

根据大水年巢湖闸上水位与裕溪闸下长江水位实测资料,分析巢湖的自排条件。建闸前巢湖水位易受江水倒灌影响,水位不具有参考意义,如大水年1954年的高水位为江水倒灌所导致。以建闸后的大水年进行分析,巢湖最高水位以2020年、1991年、2016年较为突出。

1962年巢湖闸建成后,内外水分隔,巢湖闸上历年最高水位为2020年的13.3m(7月22日忠庙水位13.43m),其次为1991年的12.71m(7月13日忠庙水位12.8m)[10];长江最高水位为12.63m,出现在2020年,其次是1998年,为12.51m。长江汛期洪水位的高低,影响着巢湖流域洪水对江下泄。通过分析,9个大水年中,长江水位低,能完全自排的有3个;长江水位偏高,有机会错峰自排的有4个;长江水位高,形成“关门淹”无法自排的有2个[11],其中以2020年最为典型,见表2。

表2 巢湖闸上水位与长江水位对比分析 单位:m

3.3 洪水下泄影响因素分析

导致巢湖出现高水位和形成巢湖流域大面积洪灾的影响变量较多,主要取决于流域暴雨量级、对江排洪能力、超额洪水滞蓄条件及江水位顶托程度等。通过对历年受灾年份的分析,发现主要影响因素为巢湖流域暴雨量级及相应的长江水位,当巢湖流域暴雨量级(频率)一定时,则江水位起决定性作用,江水位的高低决定了内部来水能否排出,江水位越低,排洪越畅快,否则就易形成洪水关门淹。相比1991年、2016年、1998等大水年,2020年洪水江湖遭遇更为恶劣,在相同来水条件下,100年一遇2020年型超额洪量为19.8亿m3,1991年型超额洪量为14.5亿m3,2016年型超额洪量最小,为10.8亿m3,2020年型巢湖下泄洪量较1991年、2016年少5亿～9亿m3左右[12],在巢湖闸上形成了更多的超额洪量,造成了更大的洪涝损失。

4 防洪新格局方案构建

巢湖流域现状防洪体系以巢湖湖区及周边圩口蓄洪,结合排洪通道排洪为主,随着经济的发展,圩口有效蓄洪量正在逐渐减小,而自排量又取决于复杂的江湖遭遇过程,防洪体系存在很大的不确定性和风险性。对于1991年型巢湖流域洪水,长江水位较低,巢湖流域自排条件较好,造成洪涝灾害的主要原因是裕溪河和牛屯河对江排洪河道的泄洪规模较低,通过完善圩口蓄洪设施,扩大泄洪通道可满足防洪要求。对于2020年型巢湖流域洪水,长江水位涨得快,长时间处于高水位,来水受到长江洪水位顶托难以下泄形成关门淹,为化解2020年型洪水庞大的超额洪量,除了依靠蓄洪容积调蓄和扩大泄洪通道外,还需新建大型对江排洪泵站,构建巢湖流域“蓄洪、自排、抽排”相结合的综合防洪新格局,共同保障流域防洪安全,见图1。

图1 巢湖流域防洪方案布局示意图

4.1 蓄洪容积

根据实地调查分析现状蓄洪容积,巢湖闸上可进洪的圩口以小圩为主,可进洪面积为82.0km2,最大进洪量为3.6亿m3(13.36m水位);已落实的蓄洪区有8个,合计面积127.6km2,实际测量库容为4.1亿m3(13.36m水位);可进洪圩口及蓄洪区合计蓄洪容积为7.7亿m3。蓄洪区设置进、退洪闸,使进洪过程可控且分洪能力显著提高[13]。

4.2 自排通道

巢湖闸上洪水主要泄洪通道为裕溪河、牛屯河,考虑牛屯河对江自排条件更好[14],重点拓宽裕溪河上段(蟹子口以上计19.0km)及牛屯河通道,扩建沿线巢湖闸等节制闸。根据1991年型洪水完全自排确定泄洪通道规模,根据调算,在闸上蓄洪容积为7.7亿m3时,基础方案裕溪河上段河道底宽需从现状的80～190m拓宽至265m,巢湖闸需从16孔扩至23孔,后河及牛屯河底宽从现状的80m拓宽至175m,铜城闸需从11孔扩至12孔,新桥闸需从9孔扩至12孔。

牛屯河在2016年大水之后,按照1000m3/s规模进行扩建,再继续扩建征地面积及工程量巨大,得胜河为牛屯河扩建的替代方案。得胜河河口位于牛屯河口下游20km处,大水年份得胜河口水位一般低于牛屯河口水位0.5m,排江条件优于牛屯河。通过连通清溪河、得胜河,能起到相同的排洪效果,通过调节计算,得胜河及连通河道设计底宽80m,清溪河现状河底宽30～70m,得胜河20～40m,需拓宽10～60m,规模较牛屯河方案更小。

自排通道将形成巢湖、裕溪河、德胜河、牛屯河等多条排洪通道的布局,安全系数更高,进一步保障了洪量的下泄。

4.3 对江排洪泵站

在防洪体系自排通道确定之后,需要进一步解决流域因江水位高而无法自排的超额洪量出路问题。根据2020年的江湖遭遇关系进行调算,在巢湖水位达到10.5m而不能自排时开机,需要在裕溪河河口新增800m3/s规模的排洪泵站,如此对2020年型洪水可抽排洪量达12.1亿m3,提升巢湖流域主动排洪的能力[15]。

巢湖常水位为8.5～9.0m,水位太低开机,频率高,减少了自排概率,原本可以自排的洪量通过抽排排出,造成巨大浪费。通过对巢湖闸上和裕溪闸下江水位实测资料的分析,在裕溪闸关闸期间,水位高于10.5m的年份有8个,在巢湖水位继续上涨的过程中开机抽排,能有效控制巢湖高水位,在防洪的关键时刻确保巢湖流域的防洪安全。

4.4 效果评价

巢湖流域洪水通过蓄洪区蓄洪、排洪通道扩建及新建排江泵站,2020年型巢湖100年一遇以下频率的水位能维持原有水位不变,2020年型200年一遇水位为14.29m,见表3。

表3 2020年典型年巢湖水量平衡

工程建成后对2020年型洪水减少淹没面积11.1万亩,减灾效益41.4亿元。1954年以来计,多年平均减免洪灾面积5万亩,多年平均减灾效益18.7亿元。工程措施实施后将提高对江外排能力,减少圩口溃破所造成的洪涝灾害,提高河道防洪能力,有利于减轻由洪涝灾害造成的人民生命财产损失。

5 结 论

巢湖流域2020年型洪水受长江高水位顶托影响,在巢湖闸上形成了更多的超额洪量,较1991年型洪水更为恶劣,洪灾影响范围及经济损失大。通过对2020年典型年洪水的分析,超额洪量主要通过蓄洪区滞蓄,裕溪河、牛屯河泄洪通道下泄,并提出得胜河分洪道替代牛屯河扩建方案,新建裕溪河排洪泵站共同分泄洪水。得胜河排江条件优于牛屯河,实施方案更为经济。