0 引言
复杂的江湖关系是长江中游的重要特点,也是长江水工程联合调度的自然背景。为应对洪水,长江流域已基本建成了以堤防为基础、三峡水库为骨干,其他干支流水库、蓄滞洪区、河道整治相配合,平垸行洪、退田还湖、水土保持等防洪工程措施与非工程措施相结合的综合防洪减灾体系[1]。三峡工程作为关键工程,在长江防洪中具有重要地位[2],在应对长江2024年3次洪水过程中,发挥了“大国重器”的关键作用,取得了显著的调度效果[3-5],有力缓解了荆江、洞庭湖等长江中游干支流的防洪压力。其中,湖南洞庭湖区团洲垸险情发生后,三峡水库紧急调减出库流量,长江上中游水库群配合拦洪,降低城陵矶(七里山)站水位0.3 m,使其提前1 d退出警戒[3]。
2024年7月5日下午,湖南省华容县钱粮湖蓄滞洪区团洲垸临东洞庭湖的一线堤防发生溃决险情。钱粮湖蓄滞洪区属国家重要蓄滞洪区,包括新生垸、钱粮湖南垸、钱粮湖北垸、新华垸、团洲垸、新太垸、小团洲垸共7个子垸。团洲垸溃决险情发生后,当地迅速开展了决口封堵、钱团间堤(钱南垸和团洲垸之间)加固、构建“第三道防线”等应急处置行动。7月6日13:00开始建设回车平台、抛石裹头,23:00正式开始封堵,8日22:33完成溃口封堵。溃口合龙后垸内平均水深约4.6 m,约有积水2.2亿m3。7月9日8:00开始抽排水,至28日8:00,排水基本结束。7月5—28日,团洲垸(含钱团间堤)共发生险情63处,以散浸和管涌为主,均得到有效处置。
三峡水库承担了降低长江中下游洪水风险的重要任务。本次针对团洲垸险情的应急调度,虽然不在三峡水库调度运用计划之内,但得益于快速科学、精准的调度,仍取得了很好的效果。对三峡水库调度的效果开展定量评估分析[7],将有益于三峡水库调度的不断优化。
1 一维、二维耦合水动力模型
1.1 模型基本设置
为评估三峡水库调度对荆江、洞庭湖区水文过程的影响,需建立了一维、二维耦合水动力模型[8-10]。本研究中,一维模型的模拟范围为长江干流枝城—螺山河段,并包括城陵矶(七里山)水文站以下约4 km的洞庭湖出口段,以与二维模型衔接;二维模型模拟范围为东洞庭湖湖区,上起荷叶湖(青港)、下至七里山(如图1所示)。洞庭湖区模拟范围及参数的确定,参考了文献[8],但本文东洞庭湖区模拟范围未包括团洲垸,团洲垸溃口仅作为二维模型的开边界之一。一维模型共有断面339个,其中荆江河段303个、城螺河段31个、洞庭湖出口段5个。二维模型共有网格13 356个,均为三角形网格,网格尺度大多在500 m左右,局部进行了加密。
一维模型的开边界断面包括:枝城、城陵矶(七里山)、螺山,另有松滋口、太平口、藕池口3处旁侧出流。二维模型的开边界包括:荷叶湖断面(东洞庭湖入口)、团洲垸溃口、城陵矶(七里山)断面。模拟所需水文资料涉及水文(水位)站包括:干流的枝城、沙市、监利、城陵矶(莲花塘)、螺山,东洞庭湖的鹿角、城陵矶(七里山),以及荆江三口的新江口、沙道观、弥陀寺、藕池(管)。另外,模拟还需用到团洲垸溃口的流量过程,其数据是长江水文局派遣的溃口应急监测组测量所得。
1.2 模型参数确定
为开展设计工况模拟计算,首先需要通过实测资料模拟计算确定模型的糙率。考虑到研究目的,采用2024年7月1—11日实测资料进行验证计算,以确定糙率。经多次调试,模型糙率最终取值为:长江干流枝城至沙市段0.028、沙市至监利段0.024、监利至城陵矶段0.023,城陵矶至螺山段0.032,洞庭湖出口段0.02,东洞庭湖湖区0.02~0.05。
模拟结果与实测资料的对比如图3所示。可见,计算值与实测值符合较好,流量误差一般≤3%,水位误差一般≤0.1 m。
2 三峡水库调度对水情险情的影响
2.1 调度场景设计
2024年7月4日15:00,长江中下游干流主要控制站城陵矶(莲花塘)站出现洪峰水位33.96 m(吴淞高程),随着长江中下游特别是两湖地区降雨明显减弱,水文部门预计长江中下游干流将于7月4日晚至5日相继出峰转退。根据形势,长江委调度三峡水库自7月5日8:00起逐步加大出库流量,日均出库按16 000 m3/s控制,计划7月6日按19 000 m3/s、7月7日按22 000 m3/s控制。7月5日下午,团洲垸溃口险情发生后,长江委紧急会商,紧急调整三峡出库计划,7月6日3:00、8:00紧急调减三峡水库出库流量,自6日起将三峡水库出库流量按日均18 000 m3/s控制。7月8日晚溃口合龙,根据会商,长江委调度三峡水库7月9日逐步增加出库流量,自17时起出库流量按27 000 m3/s左右控制,加大下泄流量以控制三峡水库水位,为应对长江上游新一轮暴雨洪水做好准备。7月2日后,三峡水库入库流量快速上涨。7月11日18:00涨至50 000 m3/s,形成长江2号洪水。7月10—14日,三峡水库出库流量由27 000 m3/s逐步增加至43 000 m3/s,在有效实现拦洪削峰、留足防洪库容、确保长江中下游防洪安全的同时,尽量控制三峡水库水位上涨速度,消除三峡水库淹没风险(本段引自参考文献[6])。
表1 团洲垸险情处置过程中三峡水库实际及设计调度场景Table 1 Actual and designed regulation scenarios of Three Gorges Reservoir during emergency response to Tuanzhou polder breach |
| 场景名称 | 三峡水库调度方案 |
|---|---|
| 场景0 | 实际调度过程 |
| 场景1 | 7月6—9日,按7月5日原计划调度,7月10日12:00后逐渐加大出库流量,至20:00出库流量、水库蓄水量均与场景0基本一致 |
| 场景2 | 7月6日之后,出库流量取场景0和场景1中出库流量的较大者,三峡水库水位比场景0和场景1低。 |
模型上游入口不在三峡水库坝下,而在枝城水文站附近。因此,为了开展对比模拟,还需要把设计场景下三峡水库出库流量转换到模型入口。不考虑其他因素变化,设计场景下可以通过将三峡水库下泄流量的变化叠加到枝城站的实测流量过程上,得到不同场景下枝城水文站的流量过程。但叠加时,还需要考虑两个因素:二者的时间差、流量变动的坦化效果。根据三峡水库下泄流量和枝城水文站流量过程的资料,可估算出二者之间的时滞约4 h。对于流量变动的坦化效果,虽然可以估算峰谷的坦化,但难以分布到不同时点,且压减流量的调度维持了3.5 d,坦化作用仅影响调度的始、末段。考虑到枝城以上至三峡大坝约60 km,以下荆江河段仍超过330 km,对流量坦化考虑不足所引起的误差完全可以在路程中消解,而不致影响洞庭湖出口的水位。本研究中,对流量坦化进行了简单的考虑,即采用三点平滑法对三峡出库流量的变化序列进行了一次平滑,而后再叠加到枝城水文站的实测流量过程上。最终得到的不同场景下枝城站的流量过程如图5所示。可见,枝城流量过程的变化与三峡出库流量基本一致。
2.2 调度场景模拟分析
根据不同场景下三峡下泄流量过程,7月6日3:00—10日12:00场景1流量大于场景0,而7月10日12:00—20:00场景1流量小于场景0,场景2全过程下泄流量与场景0和场景1中的较大者一致。计算得到的结果对比如图6所示。由图6可见:①不同场景下江湖汇流附近的流量水位差异主要时段为7月7—23日;②监利站的流量变化曲线形态与枝城一致,场景1和场景2相对于场景0的流量最大增幅3 600 m3/s略小于枝城流量变幅,而七里山站的流量变化曲线形态与之相反,场景1和场景2最大流量增幅分别为3 000 m3/s和1 000 m3/s,体现了江湖流量此消彼长的顶托关系及江湖系统对流量变动的阻尼特性;③7月7—20日,场景1的东洞庭湖区水位(包括七里山和团洲垸溃口堤外)较场景0抬高0~0.33 m,7月7—23日场景2的水位较场景0抬高0~0.34 m;④在七里山站水位下降至警戒水位以下时段内,场景0比场景1和场景2提前了18 h。本次计算的结果与相关文献[3-5]结论基本一致,可对其形成补充性解释。
2.3 调度效果的讨论
2024年6月28日14时,长江干流九江水位超警,“长江2024年第1号洪水”在长江中下游形成。6月30日09:55七里山水位超过警戒水位[4];7月2日13:00洞庭四水合成流量最大涨至38 900 m3/s;7月8日15:40,七里山水位退至警戒水位以下,7月14日以后水位虽有复涨,但7月21日后再次回落,期间水位未再次超警戒。
三峡水库调度降低了七里山水位,加快了洞庭湖退水过程,使东洞庭湖区水位提前1 d左右退至警戒水位以下,有助于团洲垸溃口尽快实现封堵,避免了钱团间堤的长时间偎水。从险情发展情况来看,三峡水库调度,能够明显减少险情的数量,缩短易发生险情的时间,减轻洞庭湖地区的防洪压力。
3 结论
2024年团洲垸溃决险情发生后,三峡水库应急调度为减轻洞庭湖区防洪压力、助力险情应急处置,做出了重大贡献。为科学、定量评估水库防洪调度效果,采用长江干流一维、东洞庭湖区二维水动力模型耦合,考虑三峡水库实际和原计划的调度过程,计算了不同场景下的洪水演进,分析了三峡水库应急调度对I江湖流量、水位过程的影响;并根据退水期的险情发展情况,分析了应急调度效果。结果表明:三峡水库应急调度使东洞庭湖区水位最多降低了约0.34 m,七里山站水位下降至警戒水位以下的时间上提前了18 h。三峡水库的及时调度,减少了险情的发生,减轻了洞庭湖区的防洪压力。