曹曉彬

(河北省邯鄲水文勘測研究中心,河北 邯鄲 056001)

0 引 言

洪水是一種最常見的自然災害,洪水發(fā)生時給人們的生產(chǎn)生活和財產(chǎn)安全帶來重大威脅[1-2]。傳統(tǒng)的洪水管理方法主要側(cè)重于減少洪水造成的損失,如加固堤壩、疏浚河道等[3]。隨著對水資源的需求不斷增長,人們開始關(guān)注如何更有效地利用洪水資源[4]。

汛期水位動態(tài)控制作為一種新型的洪水管理策略受到廣泛關(guān)注。該方法通過調(diào)節(jié)水位,在合適的時機釋放洪水,既能減輕對下游地區(qū)的影響,又能最大限度地利用洪水資源[5]。這種控制方式可以提高洪水防控的精準性和針對性,使洪水管理更為靈活和可持續(xù)。

本文基于汛期水位動態(tài)控制,結(jié)合降雨預報信息預防洪水,以實現(xiàn)洪水資源的可持續(xù)利用,改善地下水資源現(xiàn)狀,修復地下水系統(tǒng)。研究成果可為洪水管理提供一種新的思路和方法,以應對不斷增加的洪水風險和日益增長的水資源需求。

1 研究區(qū)概況

河北位于我國華北地區(qū),西部和北部是高山,南部和東部是平原,屬于溫帶大陸型季風氣候,年均降水量約500mm,水資源緊缺,人均水資源量約占全國平均水平的13%。為了留住降水,河北修建了多座水庫,其中最大的是潘家口水庫。潘家口水庫位于河北省唐山市遷西縣和承德市寬城滿族自治縣境內(nèi)灤河干流上,水庫大壩壩頂高程230.5m,壩高107.5m,庫容29.3×108m3。水庫蓄水主要是作為飲用水源,是“引灤入津”的主力水庫。

河北省是中國北方重要的水文流域之一,涵蓋多個主要水系,主要包括海河流域、滹沱河流域。其中,海河是河北省最重要的水系之一,總面積26.5×104km2,占全國總面積的3.3%,以衛(wèi)河為源,發(fā)源于山西省陵川縣,全長1 050km。灤河水系全長888km,總流域面積4.49×104km2,流經(jīng)河北、內(nèi)蒙古、遼寧3省8市28個縣區(qū)。同時,海河流域與滹沱河流域也是河北省山洪爆發(fā)的主要流域。1963年,海河流域發(fā)生“63.8”特大洪水,造成了巨大的負面影響。海河流域“63.8”特大洪水受災情況見圖1。

圖1 海河流域“63.8”特大洪水受災情況

導致“63.8”特大洪水發(fā)生的特大暴雨,是海河流域有記錄以來的最大一次暴雨。8月2日至8月8日7天降雨量超過400mm的面積達58 000km2。暴雨中心在河北省內(nèi)丘縣璋狄站,7天總雨量為2 050mm,為我國大陸部分的最高記錄,洪水總量為270.16×108m3。其中,子牙河占50.7 %,大清河占29.9%,南運河占19.4%。邢臺地區(qū)85%的耕地、96.7%的大隊受災。

2 洪水控制方法以及資源化利用

2.1 汛限水位動態(tài)控制方案介紹

汛限水位動態(tài)控制是控制洪水的重要手段。汛限水位動態(tài)控制是指根據(jù)實時的氣象和水情信息,對水庫或河流進行動態(tài)管理和調(diào)度,以確保水位在安全范圍內(nèi)波動,并盡可能避免發(fā)生洪水或干旱等災害性事件[6-7]。通常情況下,水庫或河流會設(shè)定一定的汛限水位上限和下限值作為安全范圍。當降雨量較大,或者預測到即將發(fā)生洪水時,根據(jù)實時的降雨、徑流和蓄水量情況,調(diào)度員會判斷當前水位是否接近或已經(jīng)超過汛限水位上限,從而采取相應的措施。

在汛限水位動態(tài)控制域中,調(diào)度員可以通過開啟閘門、釋放水庫水位、調(diào)整流量等措施來調(diào)整水庫或河流的水位,以維持在可控的范圍內(nèi)。這樣可以減少洪峰流量的沖擊,降低洪災風險,并保障下游水域的安全[8]。此外,在汛期也要密切監(jiān)測氣象預報和水文數(shù)據(jù),及時了解降雨量、水位變化等信息,以便適時做出決策并調(diào)整控制策略。這種動態(tài)的水位控制可以適應不同的氣象和水文條件,從而更有效地應對洪水等自然災害,并最大程度地減少可能造成的損失[9]。計算汛期水位動態(tài)控制域上限的方式見圖2。

圖2 汛期水位動態(tài)控制域上限計算流程

由圖2可知,首先收集相關(guān)數(shù)據(jù),收集與水庫或河流相關(guān)的氣象、水文和工程數(shù)據(jù),包括歷史降雨數(shù)據(jù)、河道斷面特性、水庫容量等,這些數(shù)據(jù)將用于計算和分析。然后確定設(shè)計洪水標準,根據(jù)相關(guān)規(guī)范和要求,確定適用于該水庫或河流的設(shè)計洪水標準。通常是基于概率統(tǒng)計方法,如頻率分析或經(jīng)驗公式來確定。第三步是進行水文頻率分析,即使用歷史降雨數(shù)據(jù)和水位資料,進行水文頻率分析,以估計不同概率下的洪峰流量,幫助確定不同概率水位對應的洪峰流量。第四步估算匯流過程,根據(jù)河道斷面特性和水庫容積,估算匯流過程的時間參數(shù),如單位線型的時間與線型參數(shù)、水庫入庫出庫過程等。第五步進行水動力模擬,利用水動力模型,結(jié)合所得的洪峰流量和匯流過程參數(shù),模擬洪水在河道或水庫中的水位變化過程,得到不同概率下的水位-流量關(guān)系曲線。第六步確定汛限水位上限,根據(jù)設(shè)計洪水標準、水位-流量關(guān)系曲線和實際情況,確定汛限水位動態(tài)控制域上限值。

通常,汛限水位上限應該能夠容納設(shè)計洪水標準下的洪峰流量,同時考慮防洪安全和工程要求。有效預見期計算公式如下:

(1)

式中:TR為考慮降雨預報信息的極限預泄時間;TCU為信息反饋時間、決策調(diào)度時間以及泄洪時間之和。

有效預見期內(nèi)平均入庫流量及出庫流量的計算公式如下:

Q=maxQk(k=1,2,...,m)

(2)

式中:Q為最大入庫流量;m為降雨次數(shù)。

汛期水位動態(tài)控制域上限值的計算公式如下:

(3)

2.2 降雨預報信息預防洪水和洪水資源化利用

降雨預報信息在洪水預防和控制中起著重要作用。為了提高洪水預警和調(diào)度決策的準確性和效率,研究提出一種改進的預泄能力約束法,結(jié)合降雨預報信息進行動態(tài)控制。該方法基于以下原則:首先在洪水即將到來之前,水庫水位應降低至原設(shè)計汛限水位以下。然后利用有效的降雨預報信息,確定一個水位控制域,上限值由預報信息的有效預報限期、水庫泄流能力、降雨預報精度綜合確定,而水庫的原設(shè)計汛限水位則成為控制域的下限值。通過動態(tài)調(diào)整水庫的水位,可以更好地應對洪水的威脅。根據(jù)降雨預報信息確定的上限值能夠及時調(diào)整水庫的蓄水量,使其適應即將到來的降雨。同時,將水庫原設(shè)計汛限水位作為下限值,保證了水庫的安全運行。在洪水期間,根據(jù)實際降雨情況,動態(tài)調(diào)整水位,以便及時排除洪水超過水庫容量的風險。

通過采用改進的預泄能力約束法,結(jié)合降雨預報信息,洪水預警和調(diào)度決策的準確性和效率得到提高。這種動態(tài)控制的方法使水庫能夠在洪水來臨前及時作出調(diào)整,更好地保護生命財產(chǎn)安全。水庫預泄洪水補給地下水量有以下幾個優(yōu)點:第一補充地下水資源。通過預泄洪水,將一部分水庫的過剩水量排放到河道以及周邊土壤中,從而增加了地下水的補給,有助于維持地下水位穩(wěn)定,并提供可持續(xù)的地下水資源供應。第二防止水庫溢流和洪水災害。當水庫蓄水達到設(shè)計容量時,如果不進行預泄洪操作,可能會導致水庫的溢流,進而引發(fā)洪水災害。通過及時預先釋放部分水庫水量,可以有效減輕水庫的壓力,降低洪峰流量,緩解洪水風險,保護生命財產(chǎn)安全。第三改善河道生態(tài)環(huán)境。由于水庫的建設(shè)和蓄水會改變河道的水文特性,對河道生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定影響。通過預泄洪水,可以調(diào)節(jié)河道水位,促進河道水體的自然循環(huán)和更新,提供更適宜的生態(tài)條件,維護和改善河道生態(tài)系統(tǒng)的健康。第四減輕排污負荷。在水庫預泄洪水過程中,會將水庫中積聚的含有較高濁度和污染物的水體排放到河道中,有助于減輕水庫內(nèi)部的污染負荷[10]。同時,通過控制預泄洪水的方式,可以合理安排水庫蓄水和排污的時機,降低對下游水環(huán)境的影響。水庫預泄洪水補給地下水量過程見圖3。

圖3 洪水補充地下水示意圖

3 汛期水位動態(tài)控制方案效果分析

為了驗證提出的汛期水位動態(tài)控制方案的防洪效果,采用HEC-HMS軟件進行仿真實驗。HEC-HMS是由美國軍事工程中心開發(fā)的水文模型軟件,用于模擬流域水文過程,包括降雨、徑流和蓄水等。它可以用于模擬水庫入庫過程,并提供詳細的水文分析結(jié)果。利用該軟件以及海河流域“63.8”特大洪水歷史記錄數(shù)據(jù),還原劉家臺水庫入庫過程,結(jié)果見圖4。

圖4 “63.8”特大洪水劉家臺水庫入庫過程

根據(jù)圖4的數(shù)據(jù)分析,可以觀察到以下情況:從8月1日開始,雨量較小;8月2日,雨量突然增大,同時劉家臺水庫的流量也迅速增加;8月3日,雨量雖有所減少,但仍然保持在高位,并出現(xiàn)震蕩;8月4日至8月6日,雨量均維持在10～20mm左右。劉家臺水庫進行了實時調(diào)度,采取了3種不同的方式,以水庫原設(shè)計常規(guī)調(diào)度方式作為對照參考,以研究設(shè)計的汛限水位動態(tài)控制和預蓄預泄對水壩進行泄洪調(diào)度。

為了對比3種調(diào)度方式對劉家臺水庫的水位和流量產(chǎn)生的不同影響,繪制劉家臺水庫水位與流量隨著時間的變化情況,見圖5。

圖5 劉家臺水庫水位與流量變化

由圖5可知,常規(guī)調(diào)度方式調(diào)洪末水位為56.32m,汛期水位動態(tài)控制方式調(diào)洪末水位為48.98m,比水庫常規(guī)調(diào)度方式多攔蓄洪水1.58×108m3;常規(guī)調(diào)度方式水庫最大流量接近3 000m3/s,而采用汛期水位動態(tài)控制水庫最大流量約2 700m3/s,降低了水庫的泄洪壓力。

綜上所述,基于汛期水位動態(tài)控制的預蓄預泄調(diào)度方式,既可以降低水庫的防洪風險,又可以提高水庫與地下水對洪水資源的利用。為了更加精確地計算洪水入滲補充地下水的補充量,需要考慮含水層的成因、結(jié)構(gòu)、巖性特征和厚度等因素[11-12],這些分析包括研究含水層形成的原因、其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、所占據(jù)的巖性特征以及其厚度的測定。通過對這些因素的深入研究,可以更好地理解該地區(qū)的地下水補給機制,從而提高對洪水入滲補充地下水的準確性。海河流域下游平原區(qū)含水層的分析見圖6。

圖6 海河流域下游含水層分析

圖6展示的是海河流域下游某河段含水層分析。其中,礫卵石層滲透系數(shù)為40～100m/d;礫卵石、砂礫石混合層滲透系數(shù)為50～150m/d;礫卵石層滲透系數(shù)為40～100m/d;中細砂、中粗砂混合層滲透系數(shù)為20～40m/d。

分別取該河段的平均水位以及平均地下水位作為計算水位以及標準地下水位,通過測量河段中點地下水與河水之間的差值,并將其除以水力坡度。由達西定律可知,在飽和多孔介質(zhì)中,流體通過介質(zhì)的速度與施加在流體上的滲透力成正比。利用達西定律,即可計算出該河段的洪水對地下水的補給量。按照上述方法,計算水庫采用汛期動態(tài)水位控制進行泄洪時,河水與地下水之間增加的轉(zhuǎn)化量,部分結(jié)果見表1。

表1 汛期動態(tài)水位控制不同河段地下水增加量

由表1可以看出,采用汛期動態(tài)水位控制進行泄洪,可以增加河水滲漏補給地下水量。由于河段48所處區(qū)域含水層巖性好,滲透系數(shù)大,含水層厚度較厚,因此河水補給地下水增加量較其他河段大,5天可增加地下水量約0.77×106m3。由于河段50的平均滲透系數(shù)較小,所以此河段的地下水增加量僅為0.12×106m3。通過以上分析可知,不同河段的滲透條件和含水層特性對其地下水補給效果產(chǎn)生了明顯的影響。

本次計算河水入滲補給地下水量僅考慮了一場洪水過程,而且水位地質(zhì)資料有限。在今后的研究和應用中,可以結(jié)合長時間跨度的數(shù)據(jù),考慮多個洪水事件,充分利用更全面的水文地質(zhì)資料,從而更準確地評估河水入滲對地下水補給的影響,為流域水資源管理者和相關(guān)決策者提供更完善的科學依據(jù),以實施更有效的策略來改善地下水資源的狀況,恢復地下水系統(tǒng)的健康狀態(tài)。

4 結(jié) 論

為了減小洪水帶來的危害以及最大化利用洪水,本文介紹了汛限水位動態(tài)控制方法過程,闡述了降雨預報信息在洪水預防和控制中的重要作用。運用HEC-HMS水文模擬軟件,模擬了海河流域“63.8”特大洪水受災過程,以驗證汛限水位動態(tài)控制方法對洪水的控制效果以及資源化利用能力。結(jié)果顯示,劉家臺水庫采用常規(guī)調(diào)度方式調(diào)洪末水位為56.32m,而采用汛期水位動態(tài)控制方式調(diào)洪末水位為48.98m;常規(guī)調(diào)度方式水庫最大流量接近3 000m3/s,而采用汛期水位動態(tài)控制水庫最大流量約2 700m3/s。表明汛限水位動態(tài)控制方法能對洪水進行有效控制,在減小其危害的同時,還可將洪水轉(zhuǎn)換為地下水資源。