水灾害防御与治理研究专栏

赣江尾闾防洪形势变化分析

  • 胡苑成 ,
  • 陈龙 ,
  • 杨欢
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  • 中铁水利水电规划设计集团有限公司,南昌 330029

胡苑成(1965-),男,江西宜春人,高级工程师,研究方向为水利规划。E-mail:

Copy editor: 占学军

收稿日期: 2024-05-13

  修回日期: 2024-07-28

  网络出版日期: 2024-12-24

基金资助

江西省水利厅科技项目(202224ZDKT09)

中国中铁股份有限公司科技研究开发计划项目(2021-重大-08)

Changes in Flood Control Regime for the Tail of Ganjiang River

  • HU Yuan-cheng ,
  • CHEN Long ,
  • YANG Huan
Expand
  • China Railway Water Conservancy & Hydropower Planning and Design Group, Nanchang 330029, China

Received date: 2024-05-13

  Revised date: 2024-07-28

  Online published: 2024-12-24

摘要

为了全面分析赣江尾闾洪水情势变化,利用赣江尾闾6个测站实测流量或水位序列资料,结合现状河道条件下各频率洪水位变化情况开展研究。研究结果表明:赣江尾闾洪水位总体呈下降趋势,2003—2022年最高洪水位均值比1956—2002年下降0.24~1.65 m;赣江尾闾各频率洪水位出现不同程度下降,“湖洪”控制河段基本没有变化,“河洪”控制河段下降明显,各频率洪水位最大降低值为1.62~1.77 m;赣江尾闾局部河道洪水位下降说明相应河段行洪能力增加,进而说明相应防洪压力减轻,对防洪安全有利。赣江尾闾存在“河洪”与“湖洪”遭遇的情形。在未来防汛及工程规划设计中,应考虑研究赣江尾闾遭遇“河洪”与“湖洪”极端情形的影响。

本文引用格式

胡苑成 , 陈龙 , 杨欢 . 赣江尾闾防洪形势变化分析[J]. 长江科学院院报, 2024 , 41(12) : 202 -208 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240494

Abstract

Based on flow and water level sequence data from six stations, we analyzed the changes in water level of floods of different frequencies, thereby obtaining the flood regime variation in the tail channel of Ganjiang River. Results revealed a general decrease in flood levels in the tail channel of Ganjiang River, with the average highest flood level in 2003-2022 dropping by 0.24 to 1.65 meters compared to 1956-2002. Flood levels at various frequencies have reduced to varying extents, with control sections for lake flood remaining stable, while control sections for river flood significantly decreasing, declining by 1.62-1.77 meters to the maximum. Such declines indicate an enhanced flood carrying capacity of the corresponding river section, which means alleviated flood control pressure and improved flood control safety. Future flood control and engineering designs should consider scenarios of encountering both river flood and lake flood at the Ganjiang River tail channel, and the impact of such extreme situations should be thoroughly examined.

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0 引言

赣江尾闾地区是江西省经济社会资源最密集的地区,区内分布有江西省会南昌市及11座鄱阳湖区重点圩堤等重要防洪保护对象,在全省经济社会发展中占有十分重要的地位。赣江尾闾水系示意图如图1所示。赣江尾闾河网密布、洪水频繁,受赣江尾闾上游来水(河洪)与鄱阳湖洪水顶托(湖洪)双重影响[1],历来是防汛抢险的重要区域。近年来,受气候变化和人类活动等影响,赣江尾闾河段洪水期特征水位呈显著下降趋势,洪水位下降的主要原因是河道下切[2-3],加之鄱阳湖二期防洪工程第六个单项项目陆续实施完成,现状防洪能力达到20 a一遇及以上堤段占比92%,赣江尾闾防洪压力总体上有所减轻。但2020年汛期,受强降雨的影响,长江发生流域性大洪水,鄱阳湖发生流域性超历史大洪水[4-5],赣江尾闾出现“河洪”与“湖洪”遭遇的罕见现象,构成上压下顶之势,局部河段洪水位猛涨,赣江尾闾滁槎、蒋埠等站出现超历史和超保证水位,防洪出现新态势。2020年洪水具有洪水遭遇恶劣、洪峰水位高等特点[6],给洪水防御带来新挑战。
图1 赣江尾闾水系示意图

Fig.1 Water system in the tail of Ganjiang River

影响赣江尾闾防洪形势的主要因素有最高洪水位、上游及区间来水、“河洪”与“湖洪”遭遇特性,以及防洪工程现状和防洪能力等。年最高洪水位与防洪形势密切相关,其变化规律是反映洪水和防洪压力变化趋势最直接的表征指标,年最高洪水位上升表明防洪压力增加,反之则降低。在不考虑河道泄流能力变化下,上游来水增加或减少必然会使河道洪水位升高或降低,从而使防洪形势发生相应变化。赣江尾闾防洪工程设计未考虑“河洪”与“湖洪”遭遇情形,当洪水遭遇恶劣时,则会发生超保证水位不利形势。防洪工程建设直接影响防洪形势,建设标准越高,对防洪形势越有利。本文选取能代表赣江尾闾河段的重要水文观测站,采用长系列水文数据深入分析洪水水情,并依据现有研究成果,结合赣江尾闾河段防洪工程建设情况,全面深入地分析赣江尾闾防洪形势变化及其成因,旨在为赣江尾闾地区防汛及防洪规划设计提供技术支撑。

1 赣江尾闾河段洪水特征变化分析

1.1 年最大流量变化

外洲水文站为赣江尾闾控制站,外洲站的流量变化代表了上游来水变化情况。图2为外洲站历年最大洪峰流量及滑动平均曲线。由图2可知,外洲站历年最大洪峰流量总体保持稳定,滑动平均曲线呈波动趋势,没有出现明显上升或下降趋势,可见上游河道来水没有出现明显的趋势性变化。
图2 外洲站最大洪峰流量及滑动平均曲线

Fig.2 Maximum peak flow and sliding average curve at Waizhou Station

赣江尾闾外洲站至各支入湖口区间面积约1 861 km2,区域地势低洼平坦,区间来水基本为涝水,在高洪水位时,通过泵站抽排入江。外洲站以下河段共有泵站88座,总装机约8万kW,总排涝流量约840 m3/s,为外洲站100 a一遇洪峰流量的3%,占比较小。如果从新增排涝流量来看,2000年以来,赣江尾闾新增排涝流量约300 m3/s,为外洲站100 a一遇洪峰流量的1%,占比更小。从暴雨与洪水遭遇关系来看,当南昌站发生10 a一遇及以上洪水时,同日降水量为0~6.8 mm,降水量较小,相应排涝流量也较小。由于区间来水占比较小,再考虑区间来水与外江洪水遭遇几率小,因此,区间来水变化对赣江尾闾防洪形势基本无影响。

1.2 年最高洪水位

本文选取了6个水文(位)站为代表站,其中:外洲、南昌站代表赣江干流河段,滁槎、蒋埠、昌邑代表尾闾分汊河段,吴城(一)位于湖盆区,是鄱阳湖代表站。图3为主要水位站历年最高洪水位及滑动平均曲线,由图3可知,各站历年最高洪水位总体呈下降趋势,水位明显下降出现在2002年左右。为定量分析赣江尾闾水位下降幅度,分1956—2002年、2003—2022年两个时段统计了最高洪水位均值,主要水位站水位变化对比如表1所示。由表1可知,2002年后各站洪水位均值出现下降,尤其是赣江干流外洲站、南昌站下降特别明显,外洲站2003—2022年最高洪水位均值比1956—2002年下降1.65 m,南昌站下降1.36 m;尾闾分汊河道的水位站下降相对较小,下降0.24~0.41 m;湖盆区吴城(一)站下降0.28 m。从最高洪水位变化来看,赣江干流洪水位下降值明显大于鄱阳湖。
图3 主要水位站年最高水位及滑动平均曲线

注:水位以黄海水位为基准,下同。

Fig.3 Annual maximum water level and sliding average curve of major water level stations

表1 主要水位站水位变化对比

Table 1 Comparison of water level changes among major water level stations

站名 水位年均值/m 两时段水位年均
值的差值/m
1956—2002年 2003—2022年
外洲 20.84 19.19 -1.65
南昌 20.26 18.90 -1.36
滁槎 18.44 18.20 -0.24
蒋埠 18.37 17.96 -0.41
昌邑 17.66 17.28 -0.38
吴城(一) 17.33 17.05 -0.28

1.3 洪水遭遇

赣江尾闾河段受赣江上游来水与鄱阳湖洪水顶托双重影响,“河洪”与“湖洪”的遭遇关系与防洪形势密切相关。本文利用鄱阳湖入江水道湖口站年最高洪水位与赣江干流外洲站年最大流量遭遇关系,来分析赣江洪水与鄱阳湖洪水的遭遇特性。
表2为外洲站年最大流量与湖口站年最高水位遭遇情况,表2中列出了外洲站前十大洪水及相应湖口站水位,以及湖口站年最高水位及相应外洲站流量,图4为外洲站和湖口站洪水遭遇关系。外洲站5 a一遇洪峰流量为15 800 m3/s,湖口站5 a一遇洪水位18.61 m。由表2图4可以看出,除2020年洪水外,当赣江发生洪水时,鄱阳湖水位均较低,最高水位为2010年的16.38 m,比5 a一遇洪水位低2.23 m;当鄱阳湖出现最高水位时,赣江来水相对较小,均<5 a一遇洪峰流量。
表2 外洲站年最大流量与湖口站年最高水位情况

Table 2 Annual maximum flow at Waizhou Station and annual maximum water level at Hukou Station

外洲站年最大流量及
相应湖口站水位
湖口站年最高水位及
相应外洲站流量
日期 流量/
(m3·s-1)
水位/m 日期 流量/
(m3·s-1)
水位/
m
2010-06-22 21 500 16.38 1998-07-31 2 860 20.70
1962-06-20 20 800 14.87 1954-07-16 6 830 20.61
1982-06-20 20 400 15.03 2020-07-12 11 700 20.60
1968-06-28 20 100 14.42 1999-07-22 4 500 20.04
2020-07-11 19 500 20.51 1995-07-09 7 940 19.91
1964-06-21 18 400 14.17 1983-07-13 3 460 19.82
1994-06-19 18 200 16.00 1973-07-08 5 480 19.39
1998-03-11 17 200 11.82 1996-07-24 1 150 19.33
1992-03-29 16 200 14.56 1980-09-03 3 720 18.74
1961-06-15 16 000 14.76 1992-07-12 9 320 18.68
图4 外洲站和湖口站洪水遭遇关系散点图

Fig.4 Scatterplot of the flood encounter relationship between Waizhou Station and Hukou Station

图5为外洲站最大流量和湖口站最高洪水位散点图,由图5可知,外洲站年最大流量一般出现在3月至7月上旬,鄱阳湖最高洪水位一般出现在7月至8月上旬,两者有遭遇几率。从实测水文数据来看,2020年以前,赣江洪水与鄱阳湖洪水从未遭遇,但2020年两者发生了遭遇,峰现时间仅相隔1 d,鄱阳湖洪水相当于20 a一遇,赣江洪水超过了10 a一遇(18 400 m3/s)。已有实测水文数据表明,1956—2022年共67 a中“河洪”与“湖洪”仅遭遇1次,遭遇概率为1.5%,仍属于小概率事件,但随着极端气候事件增加及人类活动等影响,沿江地区入江排涝流量增大,中小河流治理、河道渠化致使汇流加快,长江小洪量高水位可能成为新常态[4],在长江高洪水位顶托影响下,不排除赣江“河洪”与鄱阳湖“湖洪”遭遇的几率也会随之增加。
图5 外洲站最大流量和湖口站最高洪水位散点图

Fig.5 Scatterplot of maximum flow at Waizhou Station and maximum flood level at Hukou Station

2 赣江尾闾防洪工程情况

2.1 现状防洪能力

赣江尾闾主要堤防情况如表3所示。
表3 赣江尾闾主要堤防情况

Table 3 Main Embankments in the tail of Ganjiang River

圩堤名称 圩堤类型 堤长/
km
所在河流
及湖泊
现状防洪
能力
规划防洪
标准
赣东大堤
南昌城区段
重点圩堤 8.34 赣江干流 100 a一遇 100 a一遇
富大有堤 重点圩堤 12.74 赣江干流、
南支
100 a一遇 100 a一遇
沿江大堤 重点圩堤 17.65 赣江干流 100 a一遇 100 a一遇
红旗联圩 重点圩堤 81.95 赣江南支、
鄱阳湖
20 a一遇 100 a一遇
蒋巷联圩 重点圩堤 85.81 赣江南支、
中支
20 a一遇 100 a一遇
扬子洲联圩 重点圩堤 26.35 赣江南支、
中支、主支
<10 a一遇 50 a一遇
(未批复)
瓜洲联圩 城防堤 7.08 赣江主支 50 a一遇 50 a一遇
南新联圩 重点圩堤 57.00 赣江中支、
主支、北支
20 a一遇 20 a一遇
廿四联圩 重点圩堤 90.40 赣江主支、
北支、鄱阳湖
20 a一遇 20 a一遇
赣西联圩 重点圩堤 41.42 赣江主支、
鄱阳湖
20 a一遇 20 a一遇
五星圩 其他 12.76 赣江北支 10 a一遇 10 a一遇
成朱联圩 重点圩堤 44.10 赣江北支、
鄱阳湖
20 a一遇 20 a一遇
南湖圩 重点圩堤 15.04 赣江北支 20 a一遇 20 a一遇
赣江尾闾地势平坦低洼,防洪工程以堤防为主,现状已建临赣江及鄱阳湖堤防17座,堤线总长509.442 km,其中:鄱阳湖区重点圩堤11座,堤线长480.792 km。经过鄱阳湖一期、二期防洪工程建设,除扬子洲联圩不足10 a一遇外,其余鄱阳湖区重点圩堤防洪能力均达到20 a一遇及以上。滨江路堤、南岸堤、双西路堤、瓜洲联圩为南昌城防堤,现状防洪能力达到50~100 a一遇。五星圩现状防洪能力10 a一遇,杨家湖圩现状防洪能力不足10 a一遇。鄱阳湖二期防洪工程第六个单项等工程实施后,赣江尾闾92%以上堤段现状防洪能力达到20 a一遇及以上水平,现状总体防洪能力较好。

2.2 工程设计洪水位对防洪形势影响

本文利用2020年实测河道地形,采用MIKE21FM构建了赣江尾闾二维水动力模型,按照规范率定验证后,对赣江尾闾河段洪水位开展了数值模型试验研究。赣江尾闾洪水位情况如表4所示。表4中原设计水位为堤防设计洪水位,现状水位为采用现状河道地形及“原设计”边界条件计算的洪水位, 2020年洪水位为采用现状河道地形及2020年洪水边界条件模拟的洪水位。由表4可知,受河道下切等因素影响,赣江尾闾现状实际洪水位较原设计水位成果出现了不同程度的下降,“湖洪”控制河段洪水位基本没有变化,“河洪”控制河段洪水位下降较为明显,最大降低1.62 m。洪水位下降也表明该河段行洪能力增加,以外洲站断面为例,100 a一遇洪水位下,外洲站断面行洪能力从设计流量25 600 m3/s增加到33 500 m3/s,增幅31%,但若从尾闾河道整体来看,由于“湖洪”控制河段洪水位变化不明显,故赣江尾闾整体行洪能力变化不大。说明河洪控制河段河道行洪能力增加了,而“湖洪”控制河段行洪能力没有明显变化[7]
表4 赣江干流及主支水面线

Table 4 Water surface profiles for the mainstream and major tributaries of Ganjiang River

位置 距外洲站
距离/km
100 a一遇 50 a一遇 20 a一遇 2020年
洪水
位/m
现状
水位/m
原设计
水位/m
水位
差值/m
现状
水位/m
原设计
水位/m
水位
差值/m
现状
水位/m
原设计
水位/m
水位
差值/m
外洲站 0 22.59 24.21 -1.62 22.12 23.81 -1.69 21.48 23.25 -1.77 22.42
南昌站 7.04 22.25 23.43 -1.18 21.76 23.02 -1.26 21.15 22.49 -1.34 22.25
赣江铁桥 9.67 21.94 23.12 -1.18 21.44 22.70 -1.26 20.94 22.19 -1.25 22.08
下庄湖 15.30 21.57 22.64 -1.07 21.14 22.23 -1.09 20.90 21.74 -0.84 21.88
会龙洲 21.20 21.32 22.04 -0.72 20.90 21.64 -0.74 20.88 21.17 -0.29 21.76
洲上 26.90 20.85 21.45 -0.61 20.85 21.08 -0.23 20.84 20.91 -0.07 21.48
高家 39.20 20.81 20.81 0 20.81 20.81 0 20.81 20.81 0 21.11
昌邑站 48.30 20.77 20.77 0 20.77 20.77 0 20.77 20.77 0 20.78
铁河 56.30 20.76 20.76 0 20.76 20.76 0 20.76 20.76 0 20.71
2020年洪水位与原设计水位相比,昌邑站上游部分河段实测水位超过了堤防设计水位,甚至超过了100 a一遇洪水位,主要出现在“湖洪”控制河段,原因是2020年洪水位对应了“河洪”与“湖洪”遭遇类型的洪水。
赣江干流及主支水面线如图6所示。赣江尾闾堤防设计洪水位采用“河洪为主、湖洪相应”、“湖洪为主、河洪相应”2种情形的水面线上包线作为设计成果,湖洪典型年洪水为1954年洪水,“河洪”典型年洪水为1982年洪水,表5为赣江尾闾洪水水面线计算边界条件[8]。从表5来看,以100 a一遇洪水为例,当赣江外洲站发生“河洪”时,湖盆区吴城(一)站相应水位为16.52 m,小于该站多年平均最高水位17.24 m,而当吴城(一)站发生“湖洪”时,外洲站相应流量为6 830 m3/s,小于该站多年平均洪峰流量11 700 m3/s,可见以往赣江尾闾堤防设计洪水位计算时未考虑“河洪”与“湖洪”的遭遇,因此会出现局部河段“2020年洪水”超过原设计水位的情况。由于工程设计未考虑洪水遭遇情形,对“河洪”与“湖洪”过渡段堤防防洪形势不利。
图6 赣江干流及主支水面线

Fig.6 Water surface profiles for the mainstream and major tributaries of Ganjiang River

表5 赣江尾闾洪水水面线计算边界条件

Table 5 Boundary conditions for calculating flood water surface profiles in the tail of Ganjiang River

洪水情况 外洲站流量/(m3·s-1) 吴城(一)站水位/m
河洪 湖洪 河洪 湖洪
100 a一遇 25 600 6 830 16.52 20.74
50 a一遇 23 600 6 830 15.89 20.74
20 a一遇 20 700 6 830 15.68 20.74

3 赣江尾闾防洪形势分析

赣江尾闾滨湖临江、河网密布,地势平坦低洼,受赣江洪水和鄱阳湖洪水双重影响,洪灾风险高。赣江尾闾地区主要防洪保护对象为南昌市城区及鄱阳湖重点圩区等,已建成以堤防为主体的防洪工程体系,发挥着重要的防洪减灾作用。赣江尾闾防洪形势与洪水水情、工程御洪能力及经济社会高质量发展对防洪保安的要求有关。
赣江尾闾洪水水情受赣江上游来水、鄱阳湖高洪水位顶托的影响。根据前述分析,赣江尾闾上游来水流量没有出现明显变化,区间来水占比较小且与最高洪水位遭遇几率小,上游及区间来水对防洪形势没有影响。赣江尾闾河段洪水位总体呈下降趋势,干流河段下降明显,洪水位下降幅度向入湖口逐渐减小,洪水位下降主要是河道下切造成的,自1990年以来,外洲站实测大断面深泓不断刷深,主槽不断扩宽,1990年深泓点高程约9 m,主槽宽约600 m,至2020年,深泓点高程降至3 m左右,滩地大幅减少,主槽扩宽至1 000 m左右,河道在刷深扩宽的变化过程中,增大了过水面积,降低了河道水位。鄱阳湖洪水位略有下降,但降幅不大,说明鄱阳湖洪水顶托作用还没有出现明显变化。1993年赣江中游万安水库投入运行以来,赣江下游含水量及输沙率呈显著下降趋势[9-10],外洲站平均含沙量从0.160 kg/m3(1956—1992年)下降到0.046 kg/m3(1993—2020年),再加上赣江干流石虎塘、峡江、新干、龙头山等梯级水库进一步蓄水拦沙作用,赣江尾闾河道短期内回淤可能性较小,因此,因河床下切造成的洪水位下降已成为趋势性变化。
通过数值模拟试验发现,在相同边界条件下,现状河道地形计算出的实际洪水位与以往堤防设计洪水位相比,出现不同程度下降,以赣江主支为例,在洲上以上河段各频率洪水位下降明显,且下降值向上游逐渐增加,外洲站100 a一遇洪水位降低1.62 m。洪水位下降说明该河道行洪能力增加,从而可以减轻防洪压力。总体来说,“河洪”控制河段防洪压力减轻明显,而“湖洪”控制河段基本没有变化。另一方面,河床下切可能导致主槽逼岸,岸坡堤脚冲刷,进而会带来其他工程安全问题。
在2020年大洪水以前,赣江尾闾从未出现“河洪”与“湖洪”遭遇的情形,在以往堤防工程设计中,设计洪水位采用“河洪为主、湖洪相应”“湖洪为主、河洪相应”两种情形的水面线上包线,未考虑“河湖”与“湖洪”遭遇的极端情形,这也是蒋埠等站出现超历史、超保证水位的原因。2020年大洪水表明,赣江尾闾“河洪”与“湖洪”确实存在遭遇情形,在未来防汛及工程设计中,应考虑研究这种极端遭遇情形的影响。
从赣江尾闾现有防洪工程来看,大部分堤防现状防洪能力基本达到规划防洪标准要求,但红旗联圩、扬子洲联圩还未达规划防洪标准,说明赣江尾闾防洪工程体系还需进一步完善。红旗联圩保护对象主要为航空城、高铁东站等重要基础设施,堤防防洪标准需从现状20 a一遇提高至规划100 a一遇。扬子洲联圩主要保护对象为南昌市规划城区,按照正在修编的南昌城市防洪规划报告,堤防防洪标准拟提高至50 a一遇。红旗联圩、扬子洲联圩加高加固建设工程是未来防洪工程建设的重要内容。
赣江中下游防洪工程体系由堤防、峡江水库及泉港蓄滞洪区组成,未来随着堤防建设逐步实施、峡江水库全面发挥作用及泉港蓄滞洪区建设,赣江尾闾防洪形势将进一步改善,防洪安全保障程度还将进一步提高。

4 结束语

实测数据表明,赣江尾闾洪水位总体呈下降趋势,2003—2022年最高洪水位均值比1956—2002年下降0.24~1.65 m。模型模拟计算表明,赣江尾闾各频率洪水位出现不同程度下降,“湖洪”控制河段基本没有变化,“河洪”控制河段下降明显,各频率最大降低值为1.62~1.77 m。洪水位下降的主要原因是河道下切。
赣江尾闾局部河道洪水位下降说明相应河段行洪洪能力增加,进而说明相应防洪压力减轻,对防洪安全有利。河道行洪能力增加,防洪压力减轻主要体现在“河洪”控制河段。但实际防汛及工程设计中需要注意河床下切造成的主槽逼岸、堤脚冲刷等工程安全问题。
2020年大洪水表明,赣江尾闾“河洪”与鄱阳湖“湖洪”存在遭遇几率,现状仍属于小概率事件,但受极端气候及人类活动影响,不排除遭遇几率进一步增加的可能。以往堤防工程设计未考虑遭遇情形,导致部分河段出现超保证水位情况,在未来防汛及工程规划设计中,需要重视洪水组合样本选择,考虑研究极端遭遇情形的影响。
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