洪澤湖洪水調(diào)蓄能力研究

鄧 恒，徐國賓，樊賢璐，段 宇，陳春錦

(天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300354)

1 研究背景

湖泊是抵御洪水災(zāi)害的天然屏障，在減少洪水災(zāi)害、保障區(qū)域防洪安全等方面發(fā)揮著極為重要的作用[1]。在流域防洪中，湖泊通過蓄滯入湖洪水，實(shí)現(xiàn)消減和滯后洪峰的作用，達(dá)到調(diào)節(jié)洪水的目的[2]。湖泊的調(diào)蓄能力是湖泊對(duì)洪水調(diào)節(jié)作用的表征。湖泊的調(diào)蓄能力越強(qiáng)，其對(duì)入出湖洪水過程的影響就越大，在流域和湖區(qū)防洪中發(fā)揮的作用也就越大。

國外學(xué)者對(duì)調(diào)蓄能力的研究多集中于水庫[3-4]，對(duì)湖泊防洪的研究多側(cè)重于生態(tài)系統(tǒng)影響和防洪價(jià)值[5-6]，針對(duì)湖泊調(diào)蓄能力的研究較少，并且已有的研究多集中于洞庭湖[7-9]，有關(guān)洪澤湖調(diào)蓄能力的研究較少，一般側(cè)重于對(duì)湖泊調(diào)蓄量變化的因素研究[10]。

洪澤湖位于淮河中下游的結(jié)合部，是淮河流域防洪工程體系的組成部分[11]。洪澤湖在淮河流域中的位置及其調(diào)蓄功能決定了它在淮河中下游防洪中舉足輕重的地位。洪澤湖的調(diào)蓄能力不僅與洪澤湖地區(qū)的安全相關(guān)，而且對(duì)淮河流域的防洪也具有極其重要的意義，研究其調(diào)蓄能力對(duì)洪澤湖湖區(qū)以及淮河流域的防洪具有極其重要的意義。

本文通過分析洪澤湖的調(diào)蓄量、洪澤湖對(duì)洪水的削峰及滯后作用，并引入調(diào)節(jié)系數(shù)綜合研究湖泊的調(diào)蓄能力。根據(jù)洪澤湖對(duì)洪水調(diào)蓄的特點(diǎn)綜合考慮出湖河道的泄流能力，進(jìn)一步研究洪澤湖的調(diào)蓄能力，以期為淮河流域和洪澤湖湖區(qū)的防洪提供指導(dǎo)思路。

2 研究區(qū)概況

洪澤湖位于淮河中下游結(jié)合部，是我國五大淡水湖之一，是淮河流域的湖泊型水庫，也是南水北調(diào)東線工程重要的調(diào)蓄湖泊。洪澤湖在保障人民生命安全、財(cái)產(chǎn)安全和發(fā)展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面發(fā)揮了巨大作用。

洪澤湖主要入湖河道有7條，包括淮河、懷洪新河、新汴河、濉河、泗洪老濉河、徐洪河和池河。洪澤湖承接淮河中游所有來水，經(jīng)由下游出湖河道分泄入江入海。主要的出湖河道有淮河入江水道、蘇北灌溉總渠、淮河入海水道和分淮入沂工程。其中蘇北灌溉總渠、淮河入海水道和分淮入沂工程是自1949年以來先后修建而成。洪澤湖現(xiàn)狀水系圖如圖1所示。

圖1 洪澤湖水系示意圖

3 洪澤湖的調(diào)蓄過程

洪澤湖對(duì)洪水的調(diào)控是可以人為控制的。當(dāng)預(yù)報(bào)淮河上中游發(fā)生較大洪水時(shí)，通過調(diào)節(jié)洪澤湖出湖河道的下泄流量，降低洪澤湖水位到汛限水位(12.5 m)以下。當(dāng)洪水來臨時(shí)，進(jìn)入湖泊的流量大于出湖流量，洪水不斷在湖泊中積累，湖泊內(nèi)水位開始增加。湖水位隨之上漲。當(dāng)洪澤湖水位上漲到13.5 m時(shí)，開始相繼啟用入江水道、蘇北灌溉總渠和廢黃河分泄洪水。若洪澤湖水位持續(xù)上漲至14.5 m，此時(shí)全開三河閘進(jìn)行泄洪，并開啟入海水道進(jìn)行泄洪。如果湖泊內(nèi)水位繼續(xù)上漲，則需要對(duì)濱湖圩區(qū)破圩滯洪。當(dāng)洪澤湖水位超過15.0 m時(shí)，控制三河閘的流量到12 000 m3/s。當(dāng)洪澤湖水位超過16.0 m時(shí)，利用各出湖通道進(jìn)行堤防超高強(qiáng)迫行洪，從而控制洪澤湖蔣壩水位不超過17.0 m。當(dāng)洪澤湖水位達(dá)到甚至超過17.0 m時(shí)，通過入海水道和廢黃河之間的夾道地區(qū)進(jìn)行泄洪，以確保洪澤湖大堤的安全。之后，入湖流量開始減少，湖泊的蓄洪量和湖水位在出入湖流量相等時(shí)達(dá)到峰值。隨著入湖流量的進(jìn)一步減小，湖泊內(nèi)水位開始降低，蓄水量也隨之減小。

4 湖泊的調(diào)蓄能力研究

湖泊對(duì)洪水的調(diào)蓄是多方位的作用，不僅將洪水滯蓄于湖泊中，還有削峰作用，表現(xiàn)為對(duì)洪水的蓄滯作用和調(diào)節(jié)作用。湖泊對(duì)洪水的蓄滯作用一般以調(diào)蓄量表示[5]。但湖泊的調(diào)蓄量受洪水特性、洪水起漲前湖泊水位等諸多因素的影響，無法完全表示湖泊對(duì)洪水的蓄滯作用。因此在湖泊調(diào)蓄量研究的基礎(chǔ)上提出了調(diào)節(jié)系數(shù)，表示一次調(diào)蓄過程中湖泊對(duì)洪水的蓄滯作用的大小。

4.1 蓄滯作用分析

洪水來臨時(shí)，洪澤湖水位上漲，因入湖流量大于出湖流量，部分洪水滯蓄于湖泊中，湖水位上漲。出湖流量在不斷地增加，入湖流量開始減小，當(dāng)入湖流量減小至與出湖流量相等時(shí)，洪澤湖具有最大的蓄洪量和最高的湖水位。隨著出湖流量進(jìn)一步增加，入湖流量小于出湖流量，湖水位降低，洪水消退，洪水過程如圖2所示。將圖2中出入湖洪水過程線峰前的交點(diǎn)作為調(diào)蓄起點(diǎn)，峰后的交點(diǎn)作為調(diào)蓄終點(diǎn)，兩過程線之間包圍的面積為調(diào)蓄量。對(duì)于在汛期發(fā)生過多次洪水的調(diào)蓄，在第一個(gè)調(diào)蓄起點(diǎn)和最后一個(gè)調(diào)蓄終點(diǎn)之間的任意兩個(gè)起點(diǎn)和終點(diǎn)之間的最大滯蓄水量為此次洪水過程的調(diào)蓄量，其計(jì)算公式可以表示為:

(1)

式中：I(t)為入湖流量，m3/s；Q(t)為出湖流量，m3/s；W為調(diào)蓄量，m3；Δt為采樣間隔時(shí)間，s。

圖2 調(diào)蓄過程曲線

調(diào)蓄量的大小受各種因素的影響，包括湖泊的初始水位，洪水形態(tài)以及出湖河道的泄流能力等。出湖河道的泄流能力越小，滯蓄在湖泊中的洪水越多，調(diào)蓄量越大。但出湖河道的泄流能力越強(qiáng)，滯蓄在湖泊中的洪水越少，調(diào)蓄量越小。僅用調(diào)蓄量無法充分反映洪澤湖對(duì)不同等級(jí)洪水的蓄滯作用。因此在分析洪澤湖對(duì)洪水的蓄滯作用時(shí)引入調(diào)節(jié)系數(shù)，即一次調(diào)蓄過程中調(diào)蓄量與其對(duì)應(yīng)時(shí)間段的入湖洪水總量之比。調(diào)節(jié)系數(shù)越大，表明湖泊在調(diào)蓄過程中滯蓄的水量比越大，對(duì)于洪水的蓄滯能力越強(qiáng)，其計(jì)算公式可以表示為:

(2)

式中：I(t)為入湖流量，m3/s；W為調(diào)蓄量，m3；Δt為采樣間隔時(shí)間，s。

1991年，國務(wù)院頒發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步治理淮河和太湖的決定》，確定實(shí)施治淮19項(xiàng)骨干工程。近10年來，淮河流域淮河水系尚未爆發(fā)10年一遇以上洪水。1991和2003年在淮河水系發(fā)生洪水的同時(shí)沂沭泗水系也發(fā)生了洪水，2003年的洪水量級(jí)稍大于1991年，2007年淮河流域發(fā)生了與2003年洪水量級(jí)相當(dāng)?shù)牧饔蛐源蠛樗?。這3年的洪水重現(xiàn)期均為10～20年一遇。

本文通過選取1991、2003和2007年3次暴雨洪水，對(duì)洪澤湖的調(diào)蓄能力進(jìn)行研究(見表1)。從表1中可以看出，洪澤湖對(duì)于10～20年一遇的洪水調(diào)蓄總量變化不大，均為30×108m3左右，但1次調(diào)蓄量從1991-2007年逐漸上升。1991年洪澤湖對(duì)洪水的調(diào)蓄過程有兩次，第一次調(diào)蓄的洪水量級(jí)較小，經(jīng)過一次泄洪過程之后又迎來了第二次的洪水。第二次洪水量級(jí)較大，能夠表現(xiàn)洪澤湖對(duì)一次大洪水過程的調(diào)蓄特征。洪澤湖對(duì)洪水的一次調(diào)節(jié)系數(shù)從1991年的0.19上漲到2003年的0.21至2007年的0.38，表明洪澤湖對(duì)洪水的蓄滯能力在逐漸增強(qiáng)。治淮19項(xiàng)工程的完成是洪澤湖調(diào)蓄能力增強(qiáng)的一個(gè)重要原因。

表1 洪澤湖調(diào)蓄量及調(diào)節(jié)系數(shù)

4.2 調(diào)節(jié)作用分析

湖泊對(duì)洪水的調(diào)節(jié)作用表現(xiàn)在對(duì)洪峰的削減、滯后以及對(duì)洪水過程的延長。湖泊通過對(duì)入湖洪水的調(diào)節(jié)，使出湖洪水過程變得平緩。其中對(duì)洪峰的削減可以用削峰系數(shù)表示，對(duì)洪峰的滯后作用可以用滯后時(shí)間Δt表示，即Imax(t)所對(duì)應(yīng)的的時(shí)間與Qmax(t)所對(duì)應(yīng)的的時(shí)間之差。削峰作用可以用下面的公式計(jì)算：

(3)

式中:Imax(t)為最大入湖洪峰流量，m3/s；Qmax(t)為最大出湖洪峰流量，m3/s。

1991年淮河流域暴雨過程多且間隔時(shí)間較短，洪水起漲和消退較慢，洪水過程在湖泊內(nèi)持續(xù)時(shí)間長，洪水表現(xiàn)為“矮胖型”。2003年淮河流域降雨較大且降雨集中，其特點(diǎn)是間隔時(shí)間短、強(qiáng)度大，洪水表現(xiàn)為“高瘦型”。2007年暴雨歷時(shí)長，降雨范圍廣，但最大30 d暴雨介于1991和2003年之間，洪水表現(xiàn)為“高瘦型”。從表2中可以看出，洪澤湖對(duì)不同類型洪水過程影響的差別較大，1991年的削峰系數(shù)與滯后時(shí)間均較大，表明洪澤湖對(duì)“矮胖型”洪水的調(diào)節(jié)作用較強(qiáng)。

表2 洪澤湖削峰系數(shù)及滯峰時(shí)間

洪澤湖處于淮河中下游結(jié)合部，是淮河河道的組成部分。其出湖河道的泄流能力影響著洪澤湖對(duì)洪水的調(diào)節(jié)能力。出湖河道泄流能力越大，洪澤湖對(duì)淮河洪水的調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，反之，出湖河道泄流能力越小，洪澤湖對(duì)淮河洪水的調(diào)節(jié)作用越弱。表3為洪澤湖各出湖河道的最大泄流量。

洪澤湖對(duì)不同類型和不同組合方式的洪水調(diào)節(jié)方式是不同的，并且人類可以參與到調(diào)洪過程，故洪水過程受人類調(diào)控方式和自身?xiàng)l件共同影響。入海水道在2003年首次投入使用，從表3中可以看出入海水道在調(diào)洪過程中發(fā)揮了巨大的作用。雖然1991年蔣壩水位比2007年高，但入江水道的最大流量卻小于2007年，這說明2007年入江水道的泄流能力較1991年強(qiáng)。綜合表3和4，可以看出雖然出湖河道的泄流能力有一定的增強(qiáng)，但遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)泄流能力。

表3 洪澤湖各出湖河道的最大泄流量

表4 洪澤湖出湖河道設(shè)計(jì)泄洪能力[12]

4.3 影響因素分析

湖泊對(duì)洪水的調(diào)蓄能力受湖泊演變的影響。自然因素和人類活動(dòng)是湖泊演變的兩個(gè)重要影響因素。由于泥沙淤積和人工圍墾，洪澤湖的調(diào)蓄庫容發(fā)生了較大的變化[13]。虞邦義等[14]結(jié)合實(shí)測資料研究了洪澤湖的泥沙淤積，結(jié)果表明洪澤湖呈現(xiàn)淤積狀態(tài)，庫容減小。范亞明等[15]分析了1930年以來洪澤湖水域面積的變化，結(jié)果表明洪澤湖的水域面積日益縮小，其中人類活動(dòng)對(duì)水域面積的變化起主導(dǎo)作用。因此，通過研究湖泊調(diào)蓄能力的影響因素以及各影響因素對(duì)調(diào)蓄能力的作用機(jī)理及影響程度，可以為湖泊治理指明正確的方向，對(duì)于湖區(qū)以及流域的防洪具有積極意義。

5 結(jié)論與建議

本文通過梳理并分析洪澤湖調(diào)洪過程，根據(jù)洪澤湖調(diào)蓄的特點(diǎn)選取合適的指標(biāo)，研究淮河流域典型洪水年洪澤湖的調(diào)蓄能力。研究結(jié)果表明：洪澤湖對(duì)10～20年一遇洪水的調(diào)蓄量基本不變，但是調(diào)蓄系數(shù)在逐步增長，洪澤湖對(duì)洪水的蓄滯作用逐漸增強(qiáng)。洪澤湖對(duì)不同類型和組合方式洪水的調(diào)節(jié)方式存在明顯的差別，但其整體調(diào)節(jié)作用在逐漸增強(qiáng)。在調(diào)洪過程中，洪澤湖出湖河道的泄流能力未達(dá)到設(shè)計(jì)泄流能力，建議采取適當(dāng)?shù)拇胧┰鰪?qiáng)出湖河道的泄流能力，提升洪澤湖對(duì)洪水的調(diào)節(jié)能力。

由于當(dāng)前公開的資料有限，本文對(duì)洪澤湖調(diào)蓄能力的研究主要為大洪水發(fā)生時(shí)期，未能深入分析洪澤湖對(duì)各級(jí)洪水的調(diào)蓄能力，較難滿足實(shí)際運(yùn)用中洪澤湖對(duì)各級(jí)洪水調(diào)節(jié)的需求。在后續(xù)數(shù)據(jù)資料逐步公開并且數(shù)據(jù)量充足的情況下，可以根據(jù)本文的研究思路，綜合研究洪澤湖對(duì)各級(jí)別洪水的調(diào)蓄能力。