金沙江下游-嘉陵江-三峽梯級(jí)水庫協(xié)同防洪作用分析

龐樹森，孟慶社，楊雁飛，徐 濤，王由武

(1.三峽水利樞紐梯級(jí)調(diào)度通信中心，湖北 宜昌 443002； 2.智慧長江與水電科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002； 3.長江水利委員會(huì) 水文局，湖北 武漢 430010)

0 引 言

嘉陵江是長江流域面積最大的支流，嘉陵江、涪江、渠江扇形分布，流域降雨主要集中在5～10月，干支流洪水過程具有陡漲陡落的特點(diǎn)[1]。2021年長江上游發(fā)生明顯的“秋汛”過程[2]，2021年10月3～6日，四川盆地東部發(fā)生持續(xù)性強(qiáng)降雨過程，降雨中心主要位于嘉陵江流域，涪江、嘉陵江干流普降大到暴雨，局地大暴雨。受其影響，重慶市境內(nèi)嘉陵江、長江出現(xiàn)較大漲水過程，涪江小河壩站、嘉陵江磁器口站最高水位超警戒水位，形成2021年嘉陵江第3號(hào)編號(hào)洪水[3]。

此次降雨過程具有發(fā)生時(shí)間晚、來水量大、雨量充沛、分布集中的特點(diǎn)；洪水具有歷時(shí)短、洪峰高、變幅大的特點(diǎn)。嘉陵江來水能夠較快地傳播至三峽庫區(qū)。因洪水發(fā)生在10月上旬，三峽水庫庫水位已蓄水至168.5 m左右，水庫高水位疊加寸灘為主的洪水，極易造成淹沒庫區(qū)土地征用線[4]，影響庫區(qū)居民生活、生產(chǎn)安全。長江水利委員會(huì)(以下簡稱“長江委”)采取調(diào)度金沙江下游溪洛渡、向家壩水庫攔洪，嘉陵江水庫群聯(lián)合運(yùn)用，配合三峽水庫加大出庫流量等措施，有效避免了出現(xiàn)三峽庫區(qū)土地淹沒問題，防洪效益顯著。

1 暴雨洪水概況

1.1 降雨概述

高原槽東移和西北太平洋副熱帶高壓(簡稱“副高”)西伸北抬的共同作用影響，導(dǎo)致本輪降雨過程的發(fā)生。由于“副高”偏強(qiáng)、偏西且位置相對(duì)穩(wěn)定，其西部和北部邊緣源源不斷輸送的暖濕氣流與高原槽東移帶來的冷空氣相交匯于華北黃淮一帶，造成華西、華北、黃淮地區(qū)出現(xiàn)多次強(qiáng)降雨過程。2021年10月3日，嘉陵江干流上游出現(xiàn)大到暴雨；10月4日，岷江、沱江中到大雨，局部暴雨，涪江、嘉陵江干流大到暴雨，局部大暴雨；10月5日，嘉陵江干流大到暴雨，涪江、渠江小到中雨；10月6日，嘉陵江干流中到大雨，渠江大到暴雨。2021年10月3～6日各流域日面平均雨量見表1，累積降雨量分布見圖1。

圖1 長江上游累積降雨分布Fig.1 Distribution of accumulated rainfall in the upper reaches of Yangtze River

表1 嘉陵江流域各區(qū)間逐日面平均雨量統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of daily average rainfall in Jialing River Basin

1.2 洪水分析

1.2.1 洪水發(fā)展過程

2021年10月3～4日，涪江、嘉陵江干流發(fā)生明顯漲水過程。10月5日09∶00，涪江小河壩站流量漲至4 220 m3/s；嘉陵江干流武勝站水位漲至218.61 m；北碚站水位漲至181.41 m。長江干流寸灘站流量18 100 m3/s，水位172.00 m，長江委發(fā)布嘉陵江干流武勝河段洪水橙色預(yù)警。

2021年10月5日17∶00涪江小河壩站水位漲至238.34 m，流量8 440 m3/s，達(dá)到嘉陵江洪水編號(hào)標(biāo)準(zhǔn)[5]，形成嘉陵江3號(hào)洪水。

涪江小河壩站2021年10月5日21∶25洪峰水位239.24 m(相應(yīng)流量13 000 m3/s)，超警戒水位1.24 m；渠江羅渡溪站10月8日11∶00洪峰水位213.36 m(相應(yīng)流量7 550 m3/s)；嘉陵江干流部分站點(diǎn)出現(xiàn)超警戒水位洪水，其中，武勝站10月6日22∶00 洪峰水位226.24 m(相應(yīng)流量18 800 m3/s)，超警戒水位1.74 m，為1981年以來最大洪水；北碚站10月7日05∶00洪峰水位193.12 m(相應(yīng)流量 24 700 m3/s)低于警戒水位1.38 m；磁器口站10月7日09∶20 洪峰水位181.46 m，超警戒水位0.46 m。

受嘉陵江來水影響，長江上游干流寸灘站水位于2021年10月5日12∶00開始上漲；10月8日15∶50，寸灘站洪峰水位178.17 m(相應(yīng)流量 32 700 m3/s)，低于警戒水位2.33 m。主要控制站洪水洪峰要素見表2。

1.2.2 洪水組成

“嘉陵江2021年第3號(hào)洪水”形成與發(fā)展期間，嘉陵江流域出口控制站北碚站洪峰流量24 700 m3/s，本次洪水過程約為4 d。

嘉陵江流域出口控制站北碚站本次洪水次洪總量73.66億m3，嘉陵江干流武勝站次洪總量為42.69億m3，占北碚次洪總量的58.0%；涪江小河壩站、渠江羅渡溪站次洪總量分別為14.49億，10.73億m3，分別占北碚次洪總量的19.7%,14.5%；區(qū)間產(chǎn)流量為5.75億m3，占比7.8%。由此可見，嘉陵江3號(hào)洪水中，以嘉陵江干流來水為主，而涪江、渠江來水次之?！凹瘟杲?021年第3號(hào)洪水”洪量占比見表3。

表3 “嘉陵江2021年第3號(hào)洪水”洪量組成Tab.3 Flood volume composition of “No.3 Flood of Jialing River in 2021”

2 洪水調(diào)度過程

經(jīng)長江委統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，向家壩水庫出庫流量自2021年10月5日14∶00起由6 000 m3/s減至 4 000 m3/s(圖2)，溪洛渡水庫配合向家壩水庫同步攔蓄洪水，減小向家壩入庫水量(圖3)；亭子口水庫10月5日14∶00起將出庫流量從15 000 m3/s逐步減至12 000 m3/s(圖4)，寶珠寺等水庫配合亭子口攔蓄，減小亭子口入庫流量；三峽水庫加大下泄流量，自10月5日14∶00起將出庫流量由日均 22 500 m3/s增加至26 500 m3/s(含機(jī)組發(fā)電流量)，進(jìn)一步降低三峽運(yùn)行水位(圖5)?？紤]到下游沿嘉陵江江城區(qū)防洪壓力，草街航電樞紐降低運(yùn)行水位后，按保持出入庫平衡直至敞泄方式運(yùn)行，盡量降低沿嘉陵江城區(qū)洪水位。通過梯級(jí)水庫群的聯(lián)合調(diào)度，有效降低了重慶入境洪峰，避免了三峽庫區(qū)出現(xiàn)土地淹沒問題。

圖2 向家壩水庫調(diào)度運(yùn)行過程Fig.2 Dispatch process of Xiangjiaba Reservoir

圖3 溪洛渡水庫調(diào)度運(yùn)行過程Fig.3 Dispatch process of Xiluodu Reservoir

圖4 亭子口水庫調(diào)度運(yùn)行過程Fig.4 Dispatch process of Tingzikou Reservoir

圖5 三峽水庫調(diào)度運(yùn)行過程Fig.5 Dispatch process of Three Gorges Reservoir

3 防洪作用分析

3.1 還原分析

根據(jù)實(shí)際調(diào)度情況，岷江、沱江、烏江來水穩(wěn)定，確定納入還原分析的水庫主要為金沙江下游溪洛渡水庫、向家壩水庫，嘉陵江寶珠寺水庫、碧口水庫、亭子口水庫和草街水庫。還原對(duì)象聚焦北碚、寸灘、三峽水庫入庫。按建庫不攔蓄的情況，取實(shí)況來水過程，采用分段馬斯京根法、合成流量法等河道匯流模型方案，進(jìn)行沿程疊加演算[6-7]，得到北碚、寸灘、三峽水庫入庫還原流量過程。2021年10月1～10日北碚、寸灘、三峽水庫還原與實(shí)況洪水過程對(duì)比見圖6～8。

圖6 嘉陵江北碚站實(shí)際流量與還原流量對(duì)比Fig.6 Comparison of actual flow and restoration flow in Beibei Station of Jialing River

圖7 長江寸灘站實(shí)際流量與還原流量對(duì)比Fig.7 Comparison of actual flow and restoration flow in Cuntan Station of Yangtze River

圖8 三峽水庫入庫實(shí)際流量 與還原流量對(duì)比Fig.8 Comparison of actual flow and restoration flow of Three Gorges Reservoir

在2021年嘉陵江第3號(hào)洪水防御過程中，長江、嘉陵江梯級(jí)水庫群發(fā)揮了重要的防洪作用。溪洛渡、向家壩、亭子口及時(shí)降低出庫流量，攔洪削峰錯(cuò)峰，降低洪峰流量[8-10]。草街水庫、三峽水庫加大出庫流量提前預(yù)泄，降低運(yùn)行水位，配合上游水庫進(jìn)一步降低了重慶主城段洪水位和三峽水庫水位。通過聯(lián)合調(diào)度寶珠寺、碧口、亭子口、草街等水庫，合計(jì)攔蓄洪量約6.5億m3，會(huì)同嘉陵江、涪江沿線航電樞紐滯蓄洪水，削減嘉陵江重慶段洪峰流量約3 000 m3/s；聯(lián)合調(diào)度金沙江下游梯級(jí)溪洛渡、向家壩，合計(jì)攔蓄洪量約4.9億m3，進(jìn)一步減少上游來水；同時(shí)調(diào)度三峽水庫加大出庫流量提前預(yù)泄，降低運(yùn)行水位。多種措施作用下削減寸灘江段洪峰流量約4 000 m3/s，降低寸灘洪峰水位約1.4 m，避免寸灘站超警戒水位。降低三峽水庫入庫洪峰流量約4 000 m3/s，實(shí)況三峽壩前水位較還原后的水位降低約0.4～0.5 m。

3.2 庫尾淹沒分析

避免三峽庫區(qū)庫尾淹沒主要措施包括：減小寸灘來水流量；降低三峽水庫庫水位。嘉陵江3號(hào)洪水發(fā)生期間，三峽水庫已于2021年10月9～10日開始逐步蓄水，蓄水水位已達(dá)168.5 m左右，此時(shí)由于嘉陵江來水增加，導(dǎo)致三峽水庫入庫洪量快速增加，極有可能出現(xiàn)庫區(qū)土地征收線淹沒問題。利用MIKE11模型[11-12]，建立以還原后的寸灘來水及實(shí)況武隆來水流量為輸入，模擬三峽庫區(qū)的水動(dòng)力學(xué)洪水演進(jìn)。結(jié)果顯示，在天然來水、三峽水庫不增大出庫流量的情況下，出現(xiàn)庫區(qū)土地征用線淹沒情況可能性較大。

通過上游金沙江和嘉陵江流域梯級(jí)水庫協(xié)同調(diào)度，有效攔蓄洪水，減少寸灘來水對(duì)三峽水庫的影響，同時(shí)減少三峽水庫入庫洪量，降低三峽水庫庫水位。加大三峽水庫下泄流量，進(jìn)一步降低三峽水庫庫水位。通過以上措施，降低可能受淹沒區(qū)域水位0.5～1.0 m，有效避免了三峽庫區(qū)水面線超過淹沒線的問題。

4 結(jié)論與建議

2021年10月上旬嘉陵江流域發(fā)生集中性強(qiáng)降雨，導(dǎo)致三峽水庫來水增加，三峽水庫最大入庫流量38 000 m3/s。通過以三峽水庫為核心的水庫群聯(lián)合攔洪錯(cuò)峰調(diào)度措施，有效緩解了嘉陵江沿江地區(qū)防洪壓力，避免了三峽庫區(qū)出現(xiàn)水位超土地征用線。

4.1 結(jié) 論

(1) 分析時(shí)段的嘉陵江降雨主要集中在嘉陵江干流亭子口水庫以上、涪江、渠江上段區(qū)域，且降雨過程具有集中性強(qiáng)、極端性強(qiáng)的特點(diǎn)。

(2) 嘉陵江3號(hào)洪水主要具有發(fā)生時(shí)間晚、歷時(shí)短、洪峰高、變幅大4個(gè)方面的特征，同時(shí)嘉陵江干支流來水遭遇、洪水匯流快、流量漲勢(shì)猛。

(3) 洪水期間，以三峽水庫為核心的水庫群實(shí)施了預(yù)報(bào)預(yù)泄、攔洪削峰等措施。其中，亭子口水庫最大削峰率達(dá)63.8%、最大攔蓄流量達(dá)2 410 m3/s；三峽水庫最大削峰率達(dá)36%、最大攔蓄流量13 700 m3/s。通過上游水庫群聯(lián)合運(yùn)用，有效減小了三峽水庫入庫洪量，降低了三峽水庫運(yùn)行水位。

(4) 還原分析表明，金沙江下游、嘉陵江、三峽水庫聯(lián)合運(yùn)行，減少了寸灘來水，避免寸灘站超警戒水位，減少了三峽水庫入庫洪量，降低了三峽水庫運(yùn)行水位，防洪效益顯著。利用MIKE11模擬三峽庫區(qū)在上游水庫群不攔蓄、三峽水庫不增加下泄的情況，可能會(huì)出現(xiàn)土地征用線淹沒。水庫群聯(lián)合調(diào)度降低庫區(qū)水面線0.5～1.0 m，避免出現(xiàn)三峽庫區(qū)土地征用線淹沒問題。

4.2 建 議

(1) 2021年汛期長江上游出現(xiàn)“先枯后豐”的來水形勢(shì)，給水庫群聯(lián)合調(diào)度帶來不利影響，需在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，加強(qiáng)未來降雨及長期來水形勢(shì)分析研判，為水工程聯(lián)合調(diào)度提供決策依據(jù)。

(2) 以三峽水庫為核心的水庫群聯(lián)合調(diào)度防洪效益顯著。隨著金沙江蘇洼龍、兩河口、烏東德、白鶴灘等水電站的逐步投運(yùn)，水庫群調(diào)節(jié)能力進(jìn)一步增強(qiáng)。加強(qiáng)長江上游水工程聯(lián)合調(diào)度研究，實(shí)現(xiàn)防洪、航運(yùn)、發(fā)電、生態(tài)等綜合效益，是推動(dòng)長江經(jīng)濟(jì)帶穩(wěn)定發(fā)展的重要手段。

(3) 極端降水過程頻發(fā)是預(yù)報(bào)防洪的難點(diǎn)，特別是長江上游山區(qū)性河流匯流快、流量變幅大。需要?dú)庀笏牟块T嚴(yán)密配合，加強(qiáng)研究提升預(yù)報(bào)精度，配合水庫群聯(lián)合調(diào)度，以減少人員財(cái)產(chǎn)損失。