曹晓彬

(河北省邯郸水文勘测研究中心,河北 邯郸 056001)

0 引 言

洪水是一种最常见的自然灾害,洪水发生时给人们的生产生活和财产安全带来重大威胁[1-2]。传统的洪水管理方法主要侧重于减少洪水造成的损失,如加固堤坝、疏浚河道等[3]。随着对水资源的需求不断增长,人们开始关注如何更有效地利用洪水资源[4]。

汛期水位动态控制作为一种新型的洪水管理策略受到广泛关注。该方法通过调节水位,在合适的时机释放洪水,既能减轻对下游地区的影响,又能最大限度地利用洪水资源[5]。这种控制方式可以提高洪水防控的精准性和针对性,使洪水管理更为灵活和可持续。

本文基于汛期水位动态控制,结合降雨预报信息预防洪水,以实现洪水资源的可持续利用,改善地下水资源现状,修复地下水系统。研究成果可为洪水管理提供一种新的思路和方法,以应对不断增加的洪水风险和日益增长的水资源需求。

1 研究区概况

河北位于我国华北地区,西部和北部是高山,南部和东部是平原,属于温带大陆型季风气候,年均降水量约500mm,水资源紧缺,人均水资源量约占全国平均水平的13%。为了留住降水,河北修建了多座水库,其中最大的是潘家口水库。潘家口水库位于河北省唐山市迁西县和承德市宽城满族自治县境内滦河干流上,水库大坝坝顶高程230.5m,坝高107.5m,库容29.3×108m3。水库蓄水主要是作为饮用水源,是“引滦入津”的主力水库。

河北省是中国北方重要的水文流域之一,涵盖多个主要水系,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,总面积26.5×104km2,占全国总面积的3.3%,以卫河为源,发源于山西省陵川县,全长1 050km。滦河水系全长888km,总流域面积4.49×104km2,流经河北、内蒙古、辽宁3省8市28个县区。同时,海河流域与滹沱河流域也是河北省山洪爆发的主要流域。1963年,海河流域发生“63.8”特大洪水,造成了巨大的负面影响。海河流域“63.8”特大洪水受灾情况见图1。

图1 海河流域“63.8”特大洪水受灾情况

导致“63.8”特大洪水发生的特大暴雨,是海河流域有记录以来的最大一次暴雨。8月2日至8月8日7天降雨量超过400mm的面积达58 000km2。暴雨中心在河北省内丘县璋狄站,7天总雨量为2 050mm,为我国大陆部分的最高记录,洪水总量为270.16×108m3。其中,子牙河占50.7 %,大清河占29.9%,南运河占19.4%。邢台地区85%的耕地、96.7%的大队受灾。

2 洪水控制方法以及资源化利用

2.1 汛限水位动态控制方案介绍

汛限水位动态控制是控制洪水的重要手段。汛限水位动态控制是指根据实时的气象和水情信息,对水库或河流进行动态管理和调度,以确保水位在安全范围内波动,并尽可能避免发生洪水或干旱等灾害性事件[6-7]。通常情况下,水库或河流会设定一定的汛限水位上限和下限值作为安全范围。当降雨量较大,或者预测到即将发生洪水时,根据实时的降雨、径流和蓄水量情况,调度员会判断当前水位是否接近或已经超过汛限水位上限,从而采取相应的措施。

在汛限水位动态控制域中,调度员可以通过开启闸门、释放水库水位、调整流量等措施来调整水库或河流的水位,以维持在可控的范围内。这样可以减少洪峰流量的冲击,降低洪灾风险,并保障下游水域的安全[8]。此外,在汛期也要密切监测气象预报和水文数据,及时了解降雨量、水位变化等信息,以便适时做出决策并调整控制策略。这种动态的水位控制可以适应不同的气象和水文条件,从而更有效地应对洪水等自然灾害,并最大程度地减少可能造成的损失[9]。计算汛期水位动态控制域上限的方式见图2。

图2 汛期水位动态控制域上限计算流程

由图2可知,首先收集相关数据,收集与水库或河流相关的气象、水文和工程数据,包括历史降雨数据、河道断面特性、水库容量等,这些数据将用于计算和分析。然后确定设计洪水标准,根据相关规范和要求,确定适用于该水库或河流的设计洪水标准。通常是基于概率统计方法,如频率分析或经验公式来确定。第三步是进行水文频率分析,即使用历史降雨数据和水位资料,进行水文频率分析,以估计不同概率下的洪峰流量,帮助确定不同概率水位对应的洪峰流量。第四步估算汇流过程,根据河道断面特性和水库容积,估算汇流过程的时间参数,如单位线型的时间与线型参数、水库入库出库过程等。第五步进行水动力模拟,利用水动力模型,结合所得的洪峰流量和汇流过程参数,模拟洪水在河道或水库中的水位变化过程,得到不同概率下的水位-流量关系曲线。第六步确定汛限水位上限,根据设计洪水标准、水位-流量关系曲线和实际情况,确定汛限水位动态控制域上限值。

通常,汛限水位上限应该能够容纳设计洪水标准下的洪峰流量,同时考虑防洪安全和工程要求。有效预见期计算公式如下:

(1)

式中:TR为考虑降雨预报信息的极限预泄时间;TCU为信息反馈时间、决策调度时间以及泄洪时间之和。

有效预见期内平均入库流量及出库流量的计算公式如下:

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

(2)

式中:Q为最大入库流量;m为降雨次数。

汛期水位动态控制域上限值的计算公式如下:

(3)

2.2 降雨预报信息预防洪水和洪水资源化利用

降雨预报信息在洪水预防和控制中起着重要作用。为了提高洪水预警和调度决策的准确性和效率,研究提出一种改进的预泄能力约束法,结合降雨预报信息进行动态控制。该方法基于以下原则:首先在洪水即将到来之前,水库水位应降低至原设计汛限水位以下。然后利用有效的降雨预报信息,确定一个水位控制域,上限值由预报信息的有效预报限期、水库泄流能力、降雨预报精度综合确定,而水库的原设计汛限水位则成为控制域的下限值。通过动态调整水库的水位,可以更好地应对洪水的威胁。根据降雨预报信息确定的上限值能够及时调整水库的蓄水量,使其适应即将到来的降雨。同时,将水库原设计汛限水位作为下限值,保证了水库的安全运行。在洪水期间,根据实际降雨情况,动态调整水位,以便及时排除洪水超过水库容量的风险。

通过采用改进的预泄能力约束法,结合降雨预报信息,洪水预警和调度决策的准确性和效率得到提高。这种动态控制的方法使水库能够在洪水来临前及时作出调整,更好地保护生命财产安全。水库预泄洪水补给地下水量有以下几个优点:第一补充地下水资源。通过预泄洪水,将一部分水库的过剩水量排放到河道以及周边土壤中,从而增加了地下水的补给,有助于维持地下水位稳定,并提供可持续的地下水资源供应。第二防止水库溢流和洪水灾害。当水库蓄水达到设计容量时,如果不进行预泄洪操作,可能会导致水库的溢流,进而引发洪水灾害。通过及时预先释放部分水库水量,可以有效减轻水库的压力,降低洪峰流量,缓解洪水风险,保护生命财产安全。第三改善河道生态环境。由于水库的建设和蓄水会改变河道的水文特性,对河道生态环境产生一定影响。通过预泄洪水,可以调节河道水位,促进河道水体的自然循环和更新,提供更适宜的生态条件,维护和改善河道生态系统的健康。第四减轻排污负荷。在水库预泄洪水过程中,会将水库中积聚的含有较高浊度和污染物的水体排放到河道中,有助于减轻水库内部的污染负荷[10]。同时,通过控制预泄洪水的方式,可以合理安排水库蓄水和排污的时机,降低对下游水环境的影响。水库预泄洪水补给地下水量过程见图3。

图3 洪水补充地下水示意图

3 汛期水位动态控制方案效果分析

为了验证提出的汛期水位动态控制方案的防洪效果,采用HEC-HMS软件进行仿真实验。HEC-HMS是由美国军事工程中心开发的水文模型软件,用于模拟流域水文过程,包括降雨、径流和蓄水等。它可以用于模拟水库入库过程,并提供详细的水文分析结果。利用该软件以及海河流域“63.8”特大洪水历史记录数据,还原刘家台水库入库过程,结果见图4。

图4 “63.8”特大洪水刘家台水库入库过程

根据图4的数据分析,可以观察到以下情况:从8月1日开始,雨量较小;8月2日,雨量突然增大,同时刘家台水库的流量也迅速增加;8月3日,雨量虽有所减少,但仍然保持在高位,并出现震荡;8月4日至8月6日,雨量均维持在10～20mm左右。刘家台水库进行了实时调度,采取了3种不同的方式,以水库原设计常规调度方式作为对照参考,以研究设计的汛限水位动态控制和预蓄预泄对水坝进行泄洪调度。

为了对比3种调度方式对刘家台水库的水位和流量产生的不同影响,绘制刘家台水库水位与流量随着时间的变化情况,见图5。

图5 刘家台水库水位与流量变化

由图5可知,常规调度方式调洪末水位为56.32m,汛期水位动态控制方式调洪末水位为48.98m,比水库常规调度方式多拦蓄洪水1.58×108m3;常规调度方式水库最大流量接近3 000m3/s,而采用汛期水位动态控制水库最大流量约2 700m3/s,降低了水库的泄洪压力。

综上所述,基于汛期水位动态控制的预蓄预泄调度方式,既可以降低水库的防洪风险,又可以提高水库与地下水对洪水资源的利用。为了更加精确地计算洪水入渗补充地下水的补充量,需要考虑含水层的成因、结构、岩性特征和厚度等因素[11-12],这些分析包括研究含水层形成的原因、其内部结构、所占据的岩性特征以及其厚度的测定。通过对这些因素的深入研究,可以更好地理解该地区的地下水补给机制,从而提高对洪水入渗补充地下水的准确性。海河流域下游平原区含水层的分析见图6。

图6 海河流域下游含水层分析

图6展示的是海河流域下游某河段含水层分析。其中,砾卵石层渗透系数为40～100m/d;砾卵石、砂砾石混合层渗透系数为50～150m/d;砾卵石层渗透系数为40～100m/d;中细砂、中粗砂混合层渗透系数为20～40m/d。

分别取该河段的平均水位以及平均地下水位作为计算水位以及标准地下水位,通过测量河段中点地下水与河水之间的差值,并将其除以水力坡度。由达西定律可知,在饱和多孔介质中,流体通过介质的速度与施加在流体上的渗透力成正比。利用达西定律,即可计算出该河段的洪水对地下水的补给量。按照上述方法,计算水库采用汛期动态水位控制进行泄洪时,河水与地下水之间增加的转化量,部分结果见表1。

表1 汛期动态水位控制不同河段地下水增加量

由表1可以看出,采用汛期动态水位控制进行泄洪,可以增加河水渗漏补给地下水量。由于河段48所处区域含水层岩性好,渗透系数大,含水层厚度较厚,因此河水补给地下水增加量较其他河段大,5天可增加地下水量约0.77×106m3。由于河段50的平均渗透系数较小,所以此河段的地下水增加量仅为0.12×106m3。通过以上分析可知,不同河段的渗透条件和含水层特性对其地下水补给效果产生了明显的影响。

本次计算河水入渗补给地下水量仅考虑了一场洪水过程,而且水位地质资料有限。在今后的研究和应用中,可以结合长时间跨度的数据,考虑多个洪水事件,充分利用更全面的水文地质资料,从而更准确地评估河水入渗对地下水补给的影响,为流域水资源管理者和相关决策者提供更完善的科学依据,以实施更有效的策略来改善地下水资源的状况,恢复地下水系统的健康状态。

4 结 论

为了减小洪水带来的危害以及最大化利用洪水,本文介绍了汛限水位动态控制方法过程,阐述了降雨预报信息在洪水预防和控制中的重要作用。运用HEC-HMS水文模拟软件,模拟了海河流域“63.8”特大洪水受灾过程,以验证汛限水位动态控制方法对洪水的控制效果以及资源化利用能力。结果显示,刘家台水库采用常规调度方式调洪末水位为56.32m,而采用汛期水位动态控制方式调洪末水位为48.98m;常规调度方式水库最大流量接近3 000m3/s,而采用汛期水位动态控制水库最大流量约2 700m3/s。表明汛限水位动态控制方法能对洪水进行有效控制,在减小其危害的同时,还可将洪水转换为地下水资源。