基于防洪联合调度模型的潖江蓄滞洪区布局优化研究.pdf

第 卷 第 期 人民珠江 年 月 ：基金项目：珠江流域防洪规划修编（）；智慧长江与水电科学湖北省重点实验室（中国长江电力股份有限公司）开放研究基金（）收稿日期：作者简介：辛悦（），女，硕士，工程师，主要研究方向为水文水资源与防洪工程调度等。：通信作者：钟逸轩（），男，博士，高级工程师，主要从事流域规划与水利数值模拟等工作。：辛悦，廖小龙，钟逸轩，等 基于防洪联合调度模型的鷈江蓄滞洪区布局优化研究 人民珠江，（）：基于防洪联合调度模型的鷈江蓄滞洪区布局优化研究辛悦，廖小龙，钟逸轩，全栩剑，于百顺（中水珠江规划勘测设计有限公司，广东广州 ）摘要：蓄滞洪区对于流域防洪减灾具有不可替代的作用，现状鷈江蓄滞洪区安全布局和安全设施建设短板依然突出，导致防洪运用存在启用决策困难、运用损失较大等问题，制约了防洪运用效果。为此，结合鷈江蓄滞洪区各堤围防洪能力及区内社会经济情况提出布局优化方案，构建飞来峡水库 鷈江蓄滞洪区防洪联合调度模型对优化前后布局方案的防洪效果开展分析计算，综合分析比较得出推荐的蓄滞洪区优化布局方案。计算结果表明：将白沙塘围与官路唇围增设为安全区可减少耕地淹没 ，减少洪水风险人数 人，在有效降低鷈江蓄滞洪区启用损失的同时基本不增大防洪风险。研究成果可为蓄滞洪区开展布局优化提供方法技术参考。关键词：蓄滞洪区；布局优化；水动力模型；防洪；鷈江中图分类号：文献标识码：文章编号：（）牞 牞 牞 牞 牗 牞 牞 牞 牞 牘 牶 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牶 牷 牷 牷 牷 人民珠江 年第 期蓄滞洪区是指包括分洪口在内的河堤背水面以外临时贮存洪水或分泄洪峰的低洼地区及湖泊等 。中国水情复杂、江河治理难度大，治水任务繁重 ，蓄滞洪区长期以来作为中国防洪体系的重要组成部分，在防御洪涝灾害过程中发挥了巨大作用。伴随全球气候变化与人类活动影响，近年来超历史观测记录的流域性特大洪水事件不断发生，中国防洪安全面临严峻挑战 ，蓄滞洪区启用也越发频繁 。仅 年汛期，全国陆续启用长江流域、淮河流域国家级蓄滞洪区 处，累计分蓄洪量达 亿 。党中央、国务院历来高度重视蓄滞洪区建设运用工作，习总书记部署防汛工作时曾多次强调要做好“蓄滞洪区运用准备”，并作出“宁可备而不用，不可用时无备”的重要指示。然而，现状区内安全建设相对滞后 ，由此导致蓄滞洪决策运用困难较大 。为解决上述问题，水利部在 年启动的全国七大流域防洪规划修编工作中对蓄滞洪区防洪工程和安全设施建设提出了明确要求。目前，从洪水风险角度提出安全设施建设方案已取得一系列研究成果 ，但现有研究对区内人口和社会经济情况考虑还不够充分，对于直接关系到蓄滞洪区工程建设和运用方案的布局优化，特别是安全区布局优化问题大多停留在定性分析层面，缺乏蓄滞洪区布局调整后的防洪能力评估与验证。以珠江流域鷈江蓄滞洪区为例，构建飞来峡与鷈江蓄滞洪区的北江中下游防洪联合调度模型，分析计算不同布局方案下调洪效果及应用影响研究，提出蓄滞洪区工程布局的优化调整方法，为更好发挥蓄滞洪区防洪减灾作用，切实保障人民群众生命财产安全，降低分洪风险损失提供研究思路和方法。研究区域概述鷈江蓄滞洪区是北江中下游防洪体系的重要组成部分，位于北江飞来峡水利枢纽下游约 的左岸，设计滞洪容积为 亿，总面积约为 ，涉及清远市飞来峡镇、源潭镇和龙山镇 个乡镇 个行政村 。区内有独树围、叔伯塘围、果园围、高桥围、林塘围及大厂围等 个堤围，见表，其中饭店围和江咀围为安全区。由于历史上鷈江蓄滞洪区堤围标准低，堤身单薄、结构基础差，区内缺乏工程和安全设施建设，管理制度和调度方案不健全，曾多次发生洪水冲毁堤围的情况，如 、年均有洪水倒灌、堤围崩溃的情况发生，对当地社会经济和人民群众生命财产安全造成了不利影响。根据 珠江流域综合规划（年），鷈江蓄滞洪区的防洪任务是与北江飞来峡水利枢纽、芦苞涌和西南涌分洪水道联合运用，使北江大堤防洪保护对象（包括广州市）达到防御北江 年一遇洪水的标准，北江下游其他重点防洪保护对象达到 年一遇的防洪标准；与西江龙滩、大藤峡水库及北江飞来峡水利枢纽联合运用，使广州市具备防御西、北江 年型特大洪水的能力。鷈江蓄滞洪区的运用方式为天然与工程措施相结合，启用标准为 年一遇至 年一遇 。研究方法蓄滞洪区布局优化调整的原则是在满足蓄滞洪区防洪能力达标的前提下，尽可能降低生命财产损失以及启用成本。考虑到当前蓄滞洪区经济损失评价困难，本研究综合各堤围的经济社会指标、堤防标准、滞洪容积等因素提出优化调整方案，并采用水动力学模型对方案进行验证与进一步优化。优化方案拟定鷈江蓄滞洪区是 个沿鷈江两岸分布的狭长形复合蓄滞洪区，现有饭店围和江咀围 个安全区，这处安全区均位于鷈江口，距离其他堤围较远，在蓄滞洪区运用过程中可能导致启用堤围人员财产转移不及时。蓄滞洪区设计规范 明确提出，安全区应距离区内群众正常生产作业范围 ，现状鷈江蓄滞洪区上游各堤围附近未设置安全区，不满足相关规范要求。同时，考虑到安全区增设应尽量不影响蓄滞洪效果，且能够尽量减少淹没损失和人员物资转移成本，可优先选取围内容积较小，人口、企业、耕地较为密集的堤围设置为安全区 。按照上述优化思路，结合表 中各堤围的现状情况统计，研究选取蓄滞洪区上游容积较小的白沙人民珠江 年第 期塘围与官路唇围设置为安全区。从地理位置看，白沙塘围和官路唇围位于鷈江蓄滞洪区上游区域，与已有的饭店围和江咀围互为补充，便于蓄滞洪运用时区内不同堤围人民群众及物资财产安全转移。另一方面，两堤围容积占鷈江蓄滞洪区总容积的 ，但区内人口和耕地面积分别占总数的 和 ，表明上述两堤围的启用顺序较后，宜设置为安全区。考虑蓄滞洪区安全建设与避险转移的需要，结合本次布局优化方案提出启用条件和次序的建议，当鷈江江口圩水位达到 时启用独树围与叔伯塘围滞洪，达到 时启用个安全区以外的其他堤围。表 鷈江蓄滞洪区各堤围现状情况统计堤围名称级别防洪标准 堤顶高程 最高最低 高程以下容积容积 万 占围内容积比例 耕地 亩人口 人叔伯塘围 独树围 天吉围 长布围 松塘围 下岳围 果园围 踵头围 高桥围 白沙塘围 大厂围 凤洲围 良塘围 官路唇围 林塘围 饭店围 江咀围 合计 注：亩约等于 。飞来峡水库 鷈江蓄滞洪区联合调度模型构建水库 蓄滞洪区联合调洪计算常通过水动力模型开展研究 。根据珠江流域综合规划对鷈江蓄滞洪区运用方式和启用时机的规定，蓄滞洪区采取天然与工程措施相结合的运用方式，启用标准为北江发生重现期为 年一遇至 年一遇的洪水事件。联合运用时，北江飞来峡水库按照设计防洪调度方式运行；当江口圩水位超过 时，首先启用鷈江蓄滞洪区的独树围与叔伯塘围，当江口圩水位超过 时，除安全区外，所有堤围利用分蓄洪口门适时分蓄洪水。本研究基于上述规定构建飞来峡水库 鷈江蓄滞洪区联合防洪调度模型。飞来峡水库调洪模型飞来峡水库采用静库调洪法计算，计算依据为水量平衡方程，见式（）。珚珋（）（）（）式中 计 算 时 段 初 的 入 库 流 量，；计算 时 段 末 的 入 库 流 量，；珚 计算时段中的平均入库流量，人民珠江 年第 期其值等于（）；计算时段初的下泄流量，；计算时段末的下泄流量，；计算时段中的平均入库流量，其值等于（）；计算时段初水库的蓄水量，；计算时段末水库的蓄水量，；计算时间间隔，。采用飞来峡水库初步设计阶段拟定的调度规则开展调洪计算，根据飞来峡入库流量即可得到下泄流量与水位控制范围。鷈江蓄滞洪区调洪模型考虑鷈江滞洪区滞洪作用情况下的洪水演进计算采用坝址洪水 静库调洪方法，模型概化见图 ，是由已知的坝址泄流过程和区间洪水过程推求石角水文站流量过程。飞来峡水库下泄流量记作 ；区间洪水分为两部分：一是鷈江部分（），记作 ；二 是 滨 江 及 余 下 的 区 间 洪 水 部 分（），记作 。具体演进调蓄步骤如下：首先将 演进至江口汛得 ；推求北江洪水分流进入鷈江的分流流量 。先假定 ，由 、经鷈江滞洪区调蓄计算可得鷈江水位 及长布泄量 ；另外，由 可得分流后的江口汛流量 ，再据此查江口汛水位流量关系曲线得 ，由 、查鷈江分流关系曲线得分流流量 ，若 与假定的 的差值小于允许误差（本研究取 ），则 即为所求，否则，重新假定 ，直至满足要求；将 演进至石角得 ；按式（）推求石角水文站流量 。（）图 鷈江蓄滞洪区调洪模型概化 北江中下游河道水动力学模型采用一维非恒定流模型构建北江中下游河道水动力模型。模型由圣维南方程组和汊点连接方程组成。其中，圣维南方程组由连续方程和动量方程组成，见式（）、（）。连续方程：（）动量方程：（）（）式中 河道断面过水面积，；断面流量，；均匀旁侧入流，；集中 旁 侧 入 流，；狄 拉 克 函 数；水位，；流量模数，由谢才公式计算。汊点连接方程由质量守恒方程和水位衔接方程组成，见式（）、（）。质量守恒方程：（）水位衔接方程：（）式中 汊点的蓄水量；汊点的水位；汊点的蓄水面积（汇合区面积）；通过第 个河道断面进入该汊点的流量；通过第 个河道断面进入该汊点的汊点水位。鷈江蓄滞洪区与飞来峡水库联合防洪调度模型范围及河道断面布置见图 。图 水动力模型范围及河道断面示意人民珠江 年第 期 计算结果分析验证 模型率定验证分别采用北江近年来较大的 年 月洪水和 年 月洪水对飞来峡水库 鷈江蓄滞洪区联合调度模型进行参数率定和验证。主要站点计算与实测最高水位对比见表 ，石角站实测和计算水位过程对比见图 。由表 可知，率定和检验洪水场次各站点的最高水位误差均不超过 ，满足规范要求。图 结果表明，石角站的实测与计算水流量过程拟合精度较好。总体来看，本次构建的联合调度模型精度满足研究需求。表 北江主要站点实测和计算最高水位对比单位：站点“”洪水实测水位计算水位误差“”洪水实测水位计算水位误差江口圩 缺测江口汛 飞来峡水文站 长布 清远站 ）“”洪水）“”洪水图 北江石角站模型率定和验证水位过程对比 布局优化调整效果选用北江 、和 四个年型的 、年一遇洪水，用以验证鷈江蓄滞洪区布局优化调整后的滞洪效果，并与原布局滞洪效果进行对比，结果见表 。考虑洪水地区组成特性，本次选取的典型洪水过程分为 种，其中 、年洪水横石站与石角站同频，区间相应；、年洪水石角站与区间同频，横石站相应。限于版面，图仅展示不同年型 年一遇洪水布局优化前后的调洪效果对比。表 飞来峡水库 鷈江蓄滞洪区联合调度后石角站洪峰流量年份重现期 原布局方案（）优化布局方案（）变化值（）由联合调度结果可知，鷈江蓄滞洪区布局方案优化后，石角站洪峰流量基本上变化不大，仅 、人民珠江 年第 期 年设计洪水调洪后洪峰流量略微增大 ，对于区间洪水相应的 、年设计洪水基本没有影响。进一步分析，除 年型 年一遇洪水调度后洪峰流量超过石角站安全泄量 外，其余设计情景均可满足北江防洪控制断面石角站的防洪安全目标。综合表 和图 中不同布局方案各年型 年一遇洪水的调洪过程可知，增加白沙塘围与官路唇围作为安全区，对于发挥鷈江蓄滞洪区滞洪功能基本没有影响，布局调整前后经飞来峡水库和鷈江蓄滞洪区联合调洪的石角站水位流量过程线基本一致，最大洪峰相差不超过 。因此，将白沙塘围和官路唇围设置为安全区没有增大防洪风险。）年型原布局方案）年型优化布局方案）年型原布局方案）年型优化布局方案）年型原布局方案）年型优化布局方案）年型原布局方案）年型优化布局方案图 北江各年型 年一遇洪水布局调整前后调洪效果对比人民珠江 年第 期 结果分析与方案推荐结合模型计算结果分析，本次拟推荐的优化布局方案，其安全区饭店围、江咀围、白沙塘围与官路唇围总滞洪容积仅为 万，占总滞洪容积的 左右，上述安全区不参与滞洪对防洪控制断面石角站洪峰流量影响较小，优化布局方案导致的洪峰流量变化不超过 ，对于北江中下游防洪安全基本没有影响。对各堤围的经济社会指标进一步分析可知，优化后的安全区饭店围、江咀围、白沙塘围与官路唇围内，保护耕地总面积为 ，占鷈江蓄滞洪区总保护耕地面积的 ，保护总人口数为 人，占鷈江蓄滞洪区总保护人口数的 ，以上比例均远高于安全区滞洪容积占比 。因此，将白沙塘围与官路唇围增设为安全区，能够在不影响滞洪效果的前提下，有效降低蓄滞洪区启用带来的耕地淹没损失和人员转移成本，预计可降低耕地淹没 ，减少风险人数 人。考虑实际情况中蓄滞洪区启用损失和费用是重要决策因素，本次布局优化方案对于落实党中央“该分时在充分准备的基础上及时分”的蓄滞洪区运用原则具有积极意义，可为当前珠江流域防洪规划修编工作以及广东省正在实施中的鷈江蓄滞洪区工程和安全建设工作提供方案参考。结论与建议蓄滞洪区布局优化是科学指导工程建设和运用方案制定的重要基础。本研究以珠江流域鷈江蓄滞洪区为例，首先基于区内各堤围的经济社会指标、堤防标准、滞洪容积等因素得到布局优化调整初步方案，再采用水库 蓄滞洪区联合防洪调度模型开展防洪效果验证，并依据计算结果进一步优化布局方案，实现在不降低滞洪能力的前提下，有效减少蓄滞洪区运用的损失风险。主要研究结论如下。）构建的飞来峡水库 鷈江蓄滞洪区联合调度模型具有良好的计算精度，流域主要站点和控制断面的最高水位误差满足要求，石角站率定和验证场次的水位流量过程拟合效果良好，可为开展蓄滞洪区布局优化方案验证提供模型支持。）以减少蓄滞洪区运用损失及利于居民避险转移为原则，增设白沙塘围与官路唇围为安全区的布局优化方案是合理可行的，没有增加飞来峡水库与鷈江蓄滞洪区的防洪风险，同时可减少耕地淹没 ，减少风险人口 人，可有效降低蓄滞洪区启用引发的耕地淹没损失和人员转移成本。）鷈江蓄滞洪区优化布局方案调整前后，年一遇的 年型洪水经飞来峡水库和鷈江蓄滞洪区联合调洪，石角站断面洪峰流量均高于河道安全泄量 ，表明鷈江蓄滞洪区仅依靠布局优化难以完全满足防洪需要。）建议后续从工程建设、运用方式优化、调度规则等方面深入开展分析研究，强化落实“四预”措施与数字孪生建设，加大对洪水保险制度的研究，从工程和非工程措施两方面共同促进蓄滞洪区建设。同时，应注重运用水文气象耦合技术与集合概率预报技术 ，提升上游干支流及区间来水预报的可靠性和准确性，延长预报成果的有效预见期，为鷈江蓄滞洪区调度运用决策提供科学支持。参考文献：蓄滞洪区设计规范：北京：中国计划出版社，李国英 新时代水利事业的历史性成就和历史性变革 学习时报，（）夏军，石卫，张利平，等 气候变化对防洪安全影响研究面临的机遇与挑战 四川大学学报（工程科学版），（）：钱燕，卢康明，张尹，等 珠江“”流域性较大洪水分析 中国防汛抗旱，（）：，宋利祥，刘培，贾文豪，等 北江流域 年 月洪水与 年月洪水对比初探 中国水利，（）：梁富仓，汤帅，朱晓二 安徽省 年淮河干流蓄滞洪区调度运用分析 中国防汛抗旱，（）：徐宁，乔广为，赵维岭 卫河“”洪水蓄滞洪区运用浅谈 海河水利，（）：中华人民共和国水利部 中国水旱灾害防御公报 ：，王艳艳，李娜，俞茜，等 我国蓄滞洪区建设管理问题及措施研究 中国防汛抗旱，（）：牞 牞 牞 人民珠江 年第 期 牞 犤 犦 牞 牞 牗 牘 牶 郭凤清，屈寒飞，曾辉，等 基于 的鷈江蓄滞洪区洪水危险性快速预测 自然灾害学报，（）：王静，李娜，丁志雄，等 蓄滞洪区洪水风险区划方法及典型案例研究 中国防汛抗旱，（）：尉晓松，王文雪 河北省蓄滞洪区安全区建设方略初探 河北水利，（）：，马立辉，张静静，柴树松 大陆泽、宁晋泊蓄滞洪区安全建设方式探讨 河北水利，（）：丛沛桐，黄锦林，王瑞兰 鷈江滞洪区洪灾风险区划研究 广东水利水电，（）：崔长勇，刘娟，刘生云，等 东平湖蓄滞洪区风险区划与安全建设方案 人民黄河，（）：，牞 犤 犦 牗 牘 牞 牞 牗 牘 牶 何治波，吴珊珊，张文明 珠江流域防汛抗旱减灾体系建设与成就 中国防汛抗旱，（）：于景弘 胖头泡蓄滞洪区启用时不安全人口安置方案剖析 黑龙江水利科技，（）：王红旗，冯靖云，范子武 飞来峡库区临时蓄滞洪区洪水风险分析 中国农村水利水电，（）：刘晓琴，刘国龙，王振 系列模型在蓄滞洪区洪水模拟中的应用研究 中国农村水利水电，（）：，牞 牞 牞 犤 犦 牞 牞 牗 牘 牶 （责任编辑：李燕珊）（上接第 页）李秋阳，沈菲菲，许冬梅，等 不同初始场资料对台风“桑美”数值模拟的影响 气象科技，（）：陈莹，陈兴伟，尹义星 年闽江流域径流演变特征 自然资源学报，（）：邓海军，卢艺，王媛媛，等 基于 模型的闽江流域实际蒸散发评估 地理科学，（）：王欣珂，林弘，谢香群，等 闽江流域土地利用时空变化特征及驱动因子分析 生态科学，（）：何泽仕，郑巧雅，徐曹越，等 年福建省台风暴雨时空特征研究 人民珠江，（）：，牞 牶 犤 犦 牞 牞 牗 牘 牶 降水量等级：北京：气象出版社，（责任编辑：高天扬）