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長(zhǎng)江流域2020年7月洪水防御環(huán)境價(jià)值評(píng)估

2021-01-26 08:12吳志廣翟文亮
水利水電快報(bào) 2021年1期
關(guān)鍵詞:洪量滯洪區(qū)干流

林 莉,吳志廣,潘 雄,翟文亮

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院流域水環(huán)境研究所,湖北武漢 430010;2.長(zhǎng)江科學(xué)院,湖北武漢 430010)

2020年,長(zhǎng)江流域發(fā)生持續(xù)高強(qiáng)度、極端性降雨,并由此引發(fā)了新中國(guó)成立以來(lái)僅次于1954年、1998年的大洪水。2020年6~8月,長(zhǎng)江流域累計(jì)面均雨量636 mm,較多年同期均值偏多三成多,其中,中游干流偏多近八成,下游干流偏多七成,漢江中下游、岷沱江偏多五成左右。僅7月份,長(zhǎng)江干流先后發(fā)生3次編號(hào)洪水。在江西,贛北和贛中部地區(qū)的降雨總量達(dá)到常年的3倍以上,7月12日,鄱陽(yáng)湖標(biāo)志性星子站水位已達(dá)22.74 m,超1998年水位(22.52 m),鄱陽(yáng)湖發(fā)生流域性超歷史大洪水。長(zhǎng)江中下游干流監(jiān)利至大通江段洪峰水位列有實(shí)測(cè)記錄以來(lái)的第2~5位;馬鞍山至鎮(zhèn)江江段潮位超歷史記錄;蓮花塘水位34.59 m,超過(guò)保證水位0.19 m;漢口站最高28.77 m,居歷史第4位。

在此次長(zhǎng)江流域性大洪水過(guò)程中,長(zhǎng)江水利委員會(huì)統(tǒng)籌上下游、干支流、江河湖泊的防洪需求,通過(guò)科學(xué)精準(zhǔn)調(diào)度流域內(nèi)以三峽水庫(kù)為核心的水庫(kù)群,配合中下游洲灘民垸行蓄洪運(yùn)用、農(nóng)田澇片排澇泵站限排等綜合調(diào)度措施,有效防御了2020年長(zhǎng)江大洪水,獲得了巨大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。為了解新時(shí)代長(zhǎng)江流域防洪體系在抵御大洪水中發(fā)揮的環(huán)境價(jià)值,本文針對(duì)2020年7月長(zhǎng)江1~3號(hào)洪水過(guò)程,假定沒(méi)有上中游水庫(kù)群配合三峽水庫(kù)展開的聯(lián)合防洪調(diào)度,還原長(zhǎng)江流域7月洪水,計(jì)算超額洪量,預(yù)測(cè)分析長(zhǎng)江中下游干流沿程分蓄滯洪區(qū)的啟用,確定其可能淹沒(méi)的各土壤利用類型,量化淹水狀態(tài)下可能進(jìn)入水體中的氮磷污染物負(fù)荷總量,以期初步估算此次聯(lián)合防洪調(diào)度的環(huán)境價(jià)值,從而為科學(xué)合理評(píng)估防洪減災(zāi)效益提供依據(jù)。

1 水工程聯(lián)合調(diào)度實(shí)施過(guò)程

目前,長(zhǎng)江流域已建成大型水庫(kù)329座,總調(diào)節(jié)庫(kù)容1 800余億m3,防洪庫(kù)容約770億m3。其中,上游大型水庫(kù)102座,總調(diào)節(jié)庫(kù)容800余億m3,預(yù)留防洪庫(kù)容396億m3;中游大型水庫(kù)164座,總調(diào)節(jié)庫(kù)容945億m3,預(yù)留防洪庫(kù)容330余億m3。2020年7月,長(zhǎng)江干流共發(fā)生3次編號(hào)洪水,按照暴雨洪水的發(fā)展過(guò)程大致可劃分為3個(gè)階段:①7月1~13日,以中下游干流水位漲勢(shì)加快、鄱陽(yáng)湖流域性大洪水為代表的1號(hào)洪水,形成江湖滿槽之勢(shì);②7月14~21日,以中下游干流附近支流再次大幅漲水、馬鞍山至鎮(zhèn)江江段最高潮位超歷史為代表的2號(hào)洪水;③7月22~31日,以中下游干流附近支流再次大幅漲水、城陵磯地區(qū)水位突破保證水位為代表的3號(hào)洪水。為應(yīng)對(duì)這3次編號(hào)洪水,長(zhǎng)江流域水庫(kù)群的聯(lián)合防洪調(diào)度過(guò)程共啟用了101座(處)水工程,其中水庫(kù)41座,蓄滯洪區(qū)46處,引調(diào)水工程4處,涵閘泵站10處。除動(dòng)用了三峽、溪洛渡、向家壩等控制性水庫(kù)外,還首度將烏東德水庫(kù)納入聯(lián)合調(diào)度,進(jìn)一步提升了長(zhǎng)江流域防洪保障能力,共計(jì)攔蓄洪水約300億m3。其中,三峽水庫(kù)攔蓄洪量146億m3,約占攔洪總量的48.7%,充分體現(xiàn)了國(guó)之重器的核心作用,有效減輕了長(zhǎng)江上游、洞庭湖區(qū)及長(zhǎng)江中下游干流的防洪壓力。

2 洪水還原分析

洪水還原分析能有效量化流域水庫(kù)群防洪效益,幫助準(zhǔn)確評(píng)估聯(lián)合調(diào)度效果。該過(guò)程主要涉及對(duì)人類活動(dòng)與水庫(kù)群攔蓄及洲灘民垸、蓄滯洪區(qū)分蓄等水利工程影響還原[1]。首先,假定水庫(kù)群不攔蓄,將長(zhǎng)江上游來(lái)水演算至三峽水庫(kù)壩前,得到水庫(kù)還原后的壩址入庫(kù)流量過(guò)程,分析中游水庫(kù)洪水?dāng)r蓄量,然后演算長(zhǎng)江中下游干流及兩湖出口控制站水位流量過(guò)程,最后給出相應(yīng)超額洪量。

2.1 洪水還原計(jì)算

以長(zhǎng)江流域洪水作業(yè)預(yù)報(bào)方案體系為基礎(chǔ),采用多方法綜合模擬,對(duì)長(zhǎng)江上中游水庫(kù)群攔蓄過(guò)程進(jìn)行還原分析。根據(jù)長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局馮寶飛等[2]的研究,基于分段馬斯京根模型將上游水庫(kù)群的攔蓄洪量還原至三峽水庫(kù)入庫(kù)控制站(寸灘站和武隆站),以此為基礎(chǔ)對(duì)2020年7月長(zhǎng)江洪水進(jìn)行還原計(jì)算。結(jié)果表明:1號(hào)洪水期間,蓮花塘、漢口站洪峰水位分別提高0.8,0.2 m;2號(hào)洪水期間,蓮花塘、漢口站洪峰水位分別提高1.7,1.0 m;3號(hào)洪水期間,蓮花塘、漢口站洪峰水位分別提高0.6,0.4 m(見圖1)。

圖1 蓮花塘站實(shí)況與還原水位對(duì)比[2]

當(dāng)遭遇經(jīng)還原計(jì)算后的洪水時(shí),受洞庭湖水系匯入影響,7月10~31日蓮花塘站水位超過(guò)保證水位,可能需要開啟洞庭湖蓄滯洪區(qū)分蓄洪水。7月6~31日漢口站水位超過(guò)警戒水位但低于保證水位,尚不需要開啟武漢附近蓄滯洪區(qū)分蓄洪水。

2.2 超額洪量計(jì)算

堤防接近或者達(dá)到保證水位時(shí),需要起用中下游蓄滯洪區(qū),接納超量洪水,保障重點(diǎn)地區(qū)和水庫(kù)的安全[3]。本文將超過(guò)保證水位的洪水部分作為蓮花塘站超額洪量。根據(jù)蓮花塘站水位流量關(guān)系曲線[4],獲得還原后洪水流量過(guò)程,見圖2。根據(jù)計(jì)算得到蓮花塘站7月超額洪量為164.80億m3,其中1號(hào)洪水超額洪量為34.25億m3,2號(hào)洪水超額洪量為92.05億m3,3號(hào)洪水超額洪量為38.50億m3。

圖2 蓮花塘站洪水還原后流量過(guò)程

3 洪水防御的環(huán)境價(jià)值評(píng)估

3.1 蓄滯洪區(qū)啟用分析

蓄滯洪區(qū)工程是長(zhǎng)江中游防洪體系的重要組成部分,可臨時(shí)分蓄超額洪量并有效降低下游洪峰水位,從而減輕下游防洪壓力[5]。

3.1.1 長(zhǎng)江中游蓄滯洪區(qū)利用類別及蓄洪容積

根據(jù)《長(zhǎng)江流域防洪規(guī)劃》,長(zhǎng)江中下游蓄滯洪區(qū)分為重要、一般和蓄滯洪保留區(qū)3類。其中,重要蓄滯洪區(qū)為使用幾率較大(一般在20 a一遇以下)的蓄滯洪區(qū);一般蓄滯洪區(qū)是三峽工程建成后為防御1954年洪水,除重要蓄滯洪區(qū)外,還需啟用的蓄滯洪區(qū);蓄滯洪保留區(qū)是指三峽工程建成后,為防御超標(biāo)準(zhǔn)洪水或特大洪水需要使用的蓄滯洪區(qū)。其中,長(zhǎng)江中游蓄滯洪區(qū)主要有荊江地區(qū)蓄滯洪區(qū)、洞庭湖附近的蓄滯洪區(qū)和武漢附近蓄滯洪區(qū),分布見圖3。

(1)荊江地區(qū)蓄滯洪區(qū)主要包括1個(gè)重點(diǎn)蓄滯洪區(qū)(荊江分洪區(qū))和3個(gè)蓄滯洪保留區(qū)(涴市擴(kuò)大區(qū)、虎西備蓄區(qū)、人民大垸)。

圖3 長(zhǎng)江中游蓄滯洪區(qū)分布

(2)洞庭湖附近的蓄滯洪區(qū)主要包括10個(gè)重要蓄滯洪區(qū)(錢糧湖、共雙茶、大通湖東、洪湖東分塊、圍堤湖、民主垸、城西垸、澧南垸、西垸官、建設(shè)垸)、5個(gè)一般蓄滯洪區(qū)(洪湖中分塊、屈原、九垸、江南陸城、建新)和12個(gè)蓄滯洪保留區(qū)(君山垸、集成安合、南漢垸、安垸澧、安昌垸、北湖垸、義合垸、安化垸、和康垸、南頂垸、六角山和洪湖西分塊)。

(3)武漢附近的蓄滯洪區(qū)主要包括1個(gè)重要蓄滯洪區(qū)(杜家臺(tái))、4個(gè)一般蓄滯洪區(qū)(西涼湖、武湖、漲渡湖、白潭湖)和1個(gè)蓄滯洪保留區(qū)(東西湖)。

3.1.2 擬啟動(dòng)的蓄滯洪區(qū)分析

根據(jù)蓮花塘站2020年7月洪水超額洪量及長(zhǎng)江中下游蓄滯洪區(qū)分布,擬定分洪方案的蓄滯洪區(qū)信息見表1。

蓮花塘站7月超額洪量為164.80億m3,擬定啟用洞庭湖附近8個(gè)重要蓄滯洪區(qū),分洪146.4億m3,不足的部分由武漢附近的杜家臺(tái)蓄滯洪區(qū)分蓄洪水22.9億m3。

3.2 環(huán)境價(jià)值分析

蓄滯洪區(qū)啟用分洪時(shí)將有大面積農(nóng)田耕地被長(zhǎng)時(shí)間淹沒(méi),這可能導(dǎo)致土壤中的氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、重金屬及有機(jī)物溶出而污染水體[5]。而且,隨著蓄滯洪區(qū)城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的發(fā)展,這種分洪淹沒(méi)還將帶來(lái)更多的污染問(wèn)題[6]。因此,2020年7月長(zhǎng)江流域水庫(kù)群聯(lián)合防洪調(diào)度在大力減少人民生命財(cái)產(chǎn)損失的同時(shí),也減少了對(duì)流域內(nèi)蓄滯洪區(qū)的啟用,避免了土壤淹沒(méi)對(duì)水體的污染,產(chǎn)生了環(huán)境價(jià)值。

表1 蓮花塘附近啟用蓄滯洪區(qū)信息

根據(jù)2020年7月長(zhǎng)江流域1~3號(hào)洪水還原分析結(jié)果,假定水庫(kù)群不攔蓄,長(zhǎng)江中下游將擬定啟用洞庭湖附近8個(gè)重要蓄滯洪區(qū)。對(duì)8個(gè)蓄滯洪區(qū)土地利用類型的分析結(jié)果顯示,洪水還原后擬淹沒(méi)蓄滯洪區(qū)3 039.5 km2,包括種植耕地1 901.7 km2,河湖水域面積844.5 km2,農(nóng)村居民用地97.2 km2,城鎮(zhèn)居民用地30.4 km2,林地34.3 km2,灘地 88.6 km2,沼澤地42.8 km2(見表2)。其中,農(nóng)田耕地是洪水淹沒(méi)后各類型污染物尤其是氮磷釋放進(jìn)入水體的主要來(lái)源。根據(jù)已有文獻(xiàn)報(bào)道[7-10],長(zhǎng)江流域農(nóng)田、消落帶淹沒(méi)浸泡狀態(tài)下TN、TP溶出速率分別在0.96~11.66 kg/(km2·d)、0.02~0.09 kg/(km2·d)范圍內(nèi)。根據(jù)長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局對(duì)洪水還原的研究結(jié)果[2],擬定啟用的蓄滯洪區(qū)淹沒(méi)時(shí)間最少將從7月11日持續(xù)至8月5日,累積26 d。由此計(jì)算淹水時(shí)長(zhǎng)、淹水農(nóng)田耕地面積以及TN、TP溶出速率的乘積,得到洪水還原后淹水可能流失進(jìn)入水體的TN在47.5 t~576.5 t之間,TP在1.0 t~4.4 t之間。

表2 蓮花塘附近啟用蓄滯洪區(qū)土地利用類型與面積 km2

4 結(jié)論

2020年7月長(zhǎng)江流域水庫(kù)群的聯(lián)合防洪調(diào)度合計(jì)攔蓄洪水約300億m3,有效減輕了長(zhǎng)江干流3次編號(hào)洪水的防御壓力?;诜侄务R斯京根模型,將長(zhǎng)江2020年7月洪水進(jìn)行還原分析,得到水庫(kù)還原后的壩址入庫(kù)流量過(guò)程及中游水庫(kù)洪水?dāng)r蓄量,給出相應(yīng)超額洪量,并就還原成果剖析其對(duì)應(yīng)的防洪環(huán)境價(jià)值,主要結(jié)論如下。

(1)若沒(méi)有水庫(kù)群攔蓄,洪水還原分析顯示蓮花塘站將超保證水位。長(zhǎng)江流域7月超額洪量為164.80億m3,其中1號(hào)洪水超額洪量為34.25億m3,2號(hào)洪水超額洪量為92.05億m3,3號(hào)洪水超額洪量為38.50億m3。

(2)若沒(méi)有水庫(kù)群攔蓄,擬啟用8個(gè)重要蓄滯洪區(qū)淹沒(méi)面積達(dá)3 039.5 km2,其中種植耕地面積最大,達(dá)1 901.7 km2,淹沒(méi)后初步估算進(jìn)入水體的氮磷污染物分別最大可達(dá)576.5 t與4.4 t,而這也是2020年7月長(zhǎng)江流域水庫(kù)群的聯(lián)合防洪調(diào)度的環(huán)境價(jià)值所在。

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