长江中下游沿江泵站排涝对干流防洪的影响分析

胡 向 阳，刘 佳 明，吴 家 阳，马 强

(1.长江水利委员会 水旱灾害防御局，湖北 武汉 430010； 2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

1 研究背景

长江流域地域辽阔、资源丰富，是我国经济最发达的地区之一。流域广大地区暴雨多、洪水大，特别是中下游平原地区地势低平，洪涝灾害频繁而严重。经过70余a的建设，特别是1998年大水后的建设，长江流域初步形成了以堤防为基础，三峡工程为骨干，干支流水库、蓄滞洪区、河道整治相配套，结合封山植树、退耕还林，平垸行洪、退田还湖，水土保持措施及防洪非工程措施组成的综合防洪减灾体系。

长江中下游宜昌至徐六泾区间流域面积共约77.26万km2，分属湖北、湖南、江西、安徽、江苏等五省，据统计，其中沿江涝区集雨总面积14.09万km2，涝区内耕地面积约590.8万hm2，总人口约1亿3 449万人。涝区地面高程普遍低于当地洪水位4～10 m，区内土地肥沃，是我国的粮食主产区和经济作物生产基地。长江中下游汛期暴雨集中、覆盖面广、强度大、持续时间长，同时江河水位上涨，平原圩区大量积水受江河洪水的顶托而不能自流外排，需依靠圩内河网、湖泊调蓄和泵站提排。

随着长江经济带发展、长三角一体化发展等国家战略的逐步推进，城镇化和工业化水平不断提高，城镇人口和社会财富日益聚集，加之河道、湖泊、洼地等被占用，城市开发建设与防洪排涝之间的矛盾日益突出。加之近些年来受全球气候变化影响，长江流域降水及其时空分布显著变化，极端天气气候事件增加。2016年汛期，长江中下游沿江许多区域外洪内涝，水位居高不下，“关门淹”问题十分突出。如武汉等大中城市不同程度受淹，城市生产生活受到严重影响；湖北省梁子湖汛期涝水无法及时排出，严重威胁鄂州市城区安全。2020年汛期，中下游鄱阳湖区、巢湖、滁河、青弋江、水阳江超历史或超保证水位，部分支流、湖泊受干流持续高水位顶托影响，洪涝水出路无法解决，长期维持高水位。据统计，沿江涝区共启用排江泵站2 200余座，总排水量约800亿m3，洪涝灾害损失巨大。因此有必要结合沿江地区外排能力建设情况，全面分析沿江涝区排涝对长江干流防洪的影响，探索合理的圩区排涝调度方式，统筹协调好排涝与防洪的关系，保障重点地区防洪除涝安全，尽可能减少整体洪涝灾害损失。

由于涝区涉及面广、排涝泵站分布散、洪涝关系问题复杂等困难，长江中下游洪涝关系相关研究较少，仅有少数文献初步评估了涝区排涝对中游干流洪水位的影响，如刘巧清等[1]基于长江中下游平原涝区排涝规模，运用水文学模型估算了2030年规划水平年下涝区排涝对中游城陵矶、汉口、湖口等主要控制站的最高洪水位影响；周宏伟等[2]以太湖流域圩区现状调查为基础，采用数学模型对不同水利分区的圩区排涝对区域、流域防洪影响进行分析；钟桂辉等[3]通过构建水动力学模型分析了太湖流域阳澄淀泖区排涝对区域防洪的影响分析。已有研究尚未系统摸排梳理长江中下游沿江排涝泵站建设情况和排涝规模，并精细化模拟评估涝区排涝对防洪的影响。

本文针对近年来长江中下游沿江区域暴露的突出洪涝问题，为应对沿江涝区排涝对长江干流防洪影响逐渐加大、沿江排涝与防洪关系发生新的变化，系统收集梳理长江中下游沿江排涝泵站情况，分河段、分排涝保护对象类型分析沿江泵站排涝能力，构建涝区排涝水文模型和河湖水动力学模型，研究沿江涝区排涝对干流洪水位的影响，为长江中下游洪涝关系研究提供技术支撑。

2 沿江泵站排涝能力分析

2.1 沿江排涝泵站建设情况

本文在全国水利普查数据等资料的基础上，通过文献资料整理、遥感影像比对、调研查勘复核等多种方法，构建了长江中下游沿江排涝泵站基础数据库。据统计，截至2020年直接排入长江干流及通江水体(各支流主要控制站以下)的排涝泵站共计2 629座，总设计流量19 401.3 m3/s。其中，湖北省403座，设计流量7 122.7 m3/s；湖南省967座，设计流量4 572.3 m3/s；江西省494座，设计流量2 381.4 m3/s；安徽省341座，设计流量2 763.2 m3/s；江苏省424座，设计流量2 561.8 m3/s(见图1)。

2.2 分河段排涝能力分析

根据洪水组成、蓄泄能力、防洪特点等，将长江中下游划分为宜昌至城陵矶(含洞庭湖区)、城陵矶至汉口、汉口至湖口(含鄱阳湖区)、湖口至大通、大通至南京、南京以下等5个河段分别进行统计分析。从表1可知，长江中下游排江泵站主要集中在宜昌—湖口河段，泵站总数和排涝规模均占全部泵站的约70%，主要是由于该段沿江(湖)涝区范围包括江汉平原、洞庭湖平原和鄱阳湖平原，面积较大且地势普遍低，汛期基本只能靠泵站抽排出江。

图1 长江中下游沿江排涝泵站分布Fig.1 Pumping stations at middle and downstream of Changjiang River

2.3 分保护对象类别排涝能力分析

根据涝片防洪保护的重要性差异，分重点防洪城市、一般城镇、农田等3类不同保护对象统计分析，其中重点防洪城市包括荆州、长沙、岳阳、武汉、黄石、九江、南昌、安庆、芜湖、南京等10座城市；一般城镇包括如宜昌、黄冈、鄂州、池州、铜陵、马鞍山、镇江、南通等地级市以及沿江沿湖的县城、集镇等；农田涝片为农排区。长江中下游平原水系脉络复杂，再加上沿江城市城镇化快速发展，导致城镇和农田涝区的界限难以准确划定，本次通过GIS工具比对、遥感影像识别、规划资料核对等多种手段，分析得到重点防洪城市、一般城镇、农田等涝片面积分别约为7 638，2 434，130 795 km2。

从表2可知，农田涝片面积大、分布广，排涝泵站个数和规模总量也最大，占全部泵站的83%，其中洲滩民垸排涝规模较小，占全部泵站的6%；重点防洪城市涝片面积占比约为3%，但由于其防洪重要性高、治涝标准高，泵站规模总量占全部泵站的14%；其他城镇涝片由于面积最小，排涝规模也最小，占全部泵站的3%。

表2 沿江泵站分河段、分保护对象排涝能力统计Tab.2 Drainage capacity of each reach aiming at different protected targets by pumping station

3 研究方法

本次研究重点分析沿江涝区对长江干流防洪的影响，不具体分析各涝区内部的排涝调度。归纳合并同种概化计算类型的涝片，以涝片作为一个整体计算单元，分析沿江涝区的外排流量过程。本次将沿江涝区共划分为81个排涝计算单元，对于较大的湖泊水系流域涝片，如西凉湖片、汤逊湖片、梁子湖片、东湖片等，进行单独计算；对于洞庭湖区和鄱阳湖区的圩垸，根据其空间位置和水系河网分布，进行分片计算。

针对每个计算单元，首先运用流域水文模型进行天然产汇流计算，然后根据各涝片单元特点进行排涝调蓄演算得到涝水入江流量过程，作为长江中下游水动力学模型的入流边界条件。考虑沿江泵站控制不排、沿江泵站同时运行2种计算方案，构建并运用水动力学模型分别计算其对沙市站、城陵矶站(莲花塘)、汉口站、湖口站、大通站等主要控制站的水位、流量的变化情况，分析沿江涝区排涝对防洪的影响。

3.1 涝区天然产汇流模型

水文模型是对自然界复杂水循环过程的近似描述，通常可分为集总式水文模型和分布式水文模型。一般而言，分布式水文模型对水文过程的考虑比较详细、物理机制相对完备，但集总式水文模型具有结构简单，对基础资料的要求相对较低等优点，且一些常用的集总式水文模型对径流模拟的精度实际上不低于分布式水文模型。本次研究采用的水文模型GR4J模型[4]全称为mode′le du Ge′nie Rural a′ 4 parame′tres Journalier，是由法国人提出的概念性降雨径流模型。经过国内外多位学者的完善和发展，已在法国、中国、澳大利亚等400多个不同气候条件的区域得到验证，广泛应用于洪水预报、水资源规划等方面。

3.2 涝区排涝计算方法

对每个涝片计算单元进行概化计算，充分考虑涝区内湖泊、沟渠等调蓄水体的蓄滞作用，泵站开机台数、排水流量视水情而定，尽快将涝区水位降至汛期控制水位。各沿江涝区根据区内防洪排涝工程和排涝方式的不同，可概化为以下两种计算方法。

(1) 对于排田涝区、泵站起排水位等于湖泊汛前控制水位或农田不受涝水位的排湖涝区。① 汛前利用外江(湖)水位低，通过涵闸抢排尽快将调蓄水体水位降至汛前控制水位；② 汛期外江(湖)水位较高而不能自排时，关闭闸门，通过外排泵站将降雨产生的涝水抽排出江(湖)；③ 当时段涝水小于等于涝区外排能力时，来多少排多少；④ 当时段涝水大于涝区外排能力时，按外排能力排水，减去外排能力的剩余涝水计入下一时段涝水。排涝流量计算公式为

(1)

式中：Qt表示t时段的涝区排涝流量；qi表示i时段的涝区来水流量；Qmax表示涝区排涝能力。

(2) 对于泵站起排水位大于湖泊汛前控制水位的排湖涝区。① 计算湖泊汛前控制水位至起排水位之间的蓄涝容积，当涝区累计涝水小于等于蓄涝容积时，涝区不外排；② 当涝区累计涝水大于蓄涝容积时，与公式(1)计算方法相同。

3.3 长江中下游洪水演进水动力学模型

长江中游河湖洪水演进水动力学模型[5]计算范围为干流宜昌—大通段、荆江三口洪道、洞庭湖、鄱阳湖。本次研究为进一步研究各涝区排涝对长江干流防洪影响、各涝区限排效果等，增加沿江涝区排涝计算模块，优化改进水动力学模型。

4 研究结果

4.1 沿江涝区排涝水文分析

综合考虑宜昌—徐六泾各河段历史发生的大洪水与涝区暴雨资料分析，选取1954，1983，1996，1998，2016，2017年等典型年进行计算分析。根据实地调研和资料分析，长江中下游沿江涝区多在5月左右进入汛期后就由于外江水位较高不能自排，区内涝水需要通过泵站抽排入江，故本次计算时段选择为5月1日至9月30日。

采用经分河段率定和验证后的水文模型对各典型年各涝片5～9月产流过程进行模拟，进而计算出各涝片以及各河段泵站抽排入江过程，为沿江排涝对干流洪水影响研究提供边界条件。

通过对47个涝区的1954，1983，1996，1998，2016，2017年等典型年汛期排涝流量分析计算，得到各河段总排涝过程，如遇1954年降雨的宜昌至城陵矶河段、宜昌至湖口河段、宜昌至徐六泾河段排涝过程如图2所示。可以看到：河段沿江各涝区排涝过程叠加后，最大排涝流量小于排涝总设计流量，如宜昌至城陵矶河段最大排涝流量为4 875.5 m3/s，小于河段排涝总设计流量5 928.0 m3/s；宜昌至湖口河段最大排涝流量为11 508.2 m3/s，小于河段排涝总设计流量13 973.1 m3/s；宜昌至徐六泾河段最大排涝流量为14 779.21 m3/s，小于河段排涝总设计流量19 401.3 m3/s。由于各典型年沿江涝区实际降雨时空分布特点不同，一般会导致各涝区排涝流量峰现时间错开，同时段叠加后，河段总排涝流量峰值一般会小于河段排涝总设计流量。

图2 各河段1954年典型年排涝计算过程Fig.2 Drainage hydrograph of several reaches under typical year of 1954

各河段沿江涝区在干流警戒水位以上时段排涝水量计算成果见表3。从泵站正常运行方案下各河段涝区警戒水位以上时段排涝水量分析结果来看，宜昌至徐六泾河段排涝量由大到小排序为1954，1998，1983，2016，1996，2017年，其中1954年为574.1亿m3。

表3 各典型年各河段沿江涝区排涝水量计算成果Tab.3 Volume of drainage in each reach in typical years 亿m3

4.2 沿江泵站排涝对干流防洪影响分析

4.2.1计算方案选择

4.2.1.1 长江上游控制性水库运用方案

本次研究上游水库群联合调度方式依据批复的《2020年长江流域水工程联合调度运用计划》，考虑上游三峡等21座水库，其中三峡水库运行方案依据《三峡(正常运行期)-葛洲坝水利枢纽梯级调度规程(2019年修订版)》。

4.2.1.2 泵站运用方案

(1) 方案一：泵站控制不排。该方案模型边界条件考虑：① 长江干支流、洞庭湖四水、鄱阳湖五河等各控制站流量汇入，其中宜昌站为上游水库群联合调度后的流量；② 宜昌至螺山区间、汉口至九江区间、湖口至大通区间、大通至徐六泾区间、洞庭湖区间、鄱阳湖区间等未控区间，其中的涝区范围产流不汇入河道。

(2) 方案二：泵站正常运行。与泵站不排方案相比，各涝区的产流经涝区内排涝泵站按照前文计算规则进行排涝计算后，在水动力模型中汇入相应河流。

4.2.2计算结果分析

针对各典型年，考虑长江中下游干流不同河段的洪水组成、蓄泄能力、防洪特点等，分宜昌至城陵矶(含洞庭湖区)、城陵矶至汉口、汉口至湖口(含鄱阳湖区)、湖口至大通、大通以下等5个河段，结合长江上游水库群联合调度情况，分析排涝对各河段干流水位的影响。对于1954年洪水，本文考虑不分洪方案进行计算分析，充分反映排涝对干流最高洪水位的影响。

表4 各排涝方案下控制站最高水位计算成果Tab.4 Maximum water levels under different drainnge schemes m

考虑到河道高水位时，防汛情势紧张，分析排涝对防洪影响更为重要，选择沙市、城陵矶(莲花塘)、汉口、湖口水位分别在44.50，33.95，28.50，20.50 m(洲滩民垸运用水位)和14.40 m(大通警戒水位)以上的高水位时段，统计分析高水位持续时间T及增加时间ΔT、控制站水位增量最大值ΔZM、控制站最高水位增加值ΔZ以及河段排涝量在干流螺山站水量的占比K等指标，见表5。

从分析结果可知：由于沿江泵站排涝影响，在各典型年干流高水位时段，沙市水位增量最大值为0.21 m，最高水位抬高0.04 m；城陵矶(莲花塘)高水位持续时间增加5～22 d，水位增量最大值为0.49～0.82 m，最高水位抬高0.41～0.72 m；汉口高水位持续时间增加5～10 d，水位增量最大值为0.80～0.92 m，最高水位抬高0.55～0.85 m；湖口高水位持续时间增加10～12 d，水位增量最大值为0.81～0.89 m，最高水位抬高0.89～0.90 m；大通高水位持续时间增加5～15 d，水位增量最大值为0.67～0.73 m，最高水位抬高0.61～0.68 m。结果表明：各典型年河道断面以上排涝量占螺山站水量的比例均在5%以内，占汉口站、八里江站水量的比例均在10%以内，占大通站水量的比例基本在10%以内，排排涝对河道水量影响有限，但是对河道水位有一定抬升影响且持续，导致干流高水位时间也随之延长。

表5 沿江涝区排涝对防洪影响指标Tab.5 Influence indices of drainage on flood aontrol

4.2.2.1 不同河段泵站排涝影响

为分析不同河段沿江涝区排涝对干流防洪影响，分别选取各河段沿江涝区单独排涝，并选择排涝对干流防洪影响较大的1954，1998，2016等典型年进行分析，与不排方案对比结果见表6。

表6 不同河段涝区对干流主要控制站最高洪水位影响Tab.6 Influences of drainage in different reaches on highest water level of major gauging station m

从各典型年不同河段排涝泵站影响结果来看：沙市最高水位的增高受宜昌至城陵矶河段涝区排涝泵站的影响最大，占各典型年全部沿江涝区排涝影响的54%～64%；城陵矶(莲花塘)最高水位的增高受宜昌-汉口河段涝区排涝泵站的影响较大，达85%以上，其中宜昌-城陵矶河段涝区影响占50%～62%，城陵矶-汉口河段涝区影响占各典型年28%～33%；汉口最高水位的增加受宜昌-湖口3个河段沿江涝区的影响均较大，影响大小排序为宜昌至城陵矶、城陵矶至汉口、汉口至湖口河段涝区，对最高水位的影响分别为0.33～0.37 m、0.22～0.26 m、0.20～0.24 m；湖口最高水位的增加同样是受宜昌-湖口3个河段沿江涝区的影响均较大，其中汉口至湖口涝区排涝影响最大，对最高水位抬高的影响为0.32～0.39 m，湖口至大通沿江涝区对其也有一定影响，但相对较小；大通最高水位的增高同时受到汉口-湖口河段和湖口-大通河段涝区排涝泵站的影响，但前者影响更大，这是由于汉口-湖口河段包含了鄱阳湖区的涝区，排涝流量相对更大；大通以下河段对大通和南京站最高水位的增加分别占全部沿江涝区排涝影响的7%～13%、15%～30%，占比较小，大通以上河段沿江涝区排涝对大通-南京河段防洪影响占主要作用，这是由于大通以上河段包括洞庭湖和鄱阳湖两个湖区涝区，排涝流量大，对干流水位影响大，同时大通以下河段干流流量较大，河段排涝流量占比较小，对水位抬升不敏感，所以大通以下河段沿江涝区排涝对防洪影响不大。

4.2.2.2 不同类型涝片泵站排涝影响

为分析不同保护对象类型涝片排涝对干流河段防洪影响，分别选取重点防洪城市、一般城镇、农田等3种类型涝片的排涝泵站单独排涝，并选择对干流防洪影响较大的1954，1998，2016年等3个典型年进行计算，与不排方案对比结果见表7。

表7 不同保护对象类型涝片排涝对干流主要控制站最高洪水位影响Tab.7 Influences of drainage in different waterlogging areas on highest water level of major gauging stations m

从各典型年不同保护对象类型涝片排涝影响结果来看：沙市最高水位的增高受农田涝片排涝泵站的影响最大，增加0.04～0.29 m，占各典型年全部涝区排涝影响的86%；城陵矶(莲花塘)最高水位的增高亦受农田涝片排涝泵站的影响最大，增加0.34～0.63 m，占各典型年全部涝区排涝影响的78%～85%；汉口最高水位的增加主要受农田、重点防洪城市涝片排涝的影响，对最高水位的影响分别为0.46～0.69 m、0.12～0.21m，分别占各典型年全部涝区排涝影响的72%～82%、13%～25%；湖口最高水位的增加同样主要受农田、重点防洪城市涝片排涝的影响，对最高水位抬高的影响分别为0.50～0.62 m、0.11～0.17 m，分别占各典型年全部涝区排涝影响的77%～83%、14%～18%；大通最高水位的增加同样主要受到农田、重点防洪城市涝片排涝的影响，对其最高水位的影响分别为0.52～0.54 m、0.08～0.25 m，分别占全部涝区排涝影响的70%～84%、13%～25%；大通以下河段不同保护对象类型涝片对河段的影响与其对大通的影响类似。

5 结 论

(1) 长江中下游沿江及两湖涝区总面积14.09万km2，直排入湖入江排涝泵站共2 629座、总设计流量19 401.4 m3/s，其中直排入江12 175.7 m3/s。沿江排涝泵站主要集中在宜昌至湖口河段，数量和规模均占全部泵站的70%左右。

(2) 沿江涝区排涝量占干流洪量比例较小，排涝对长江干流防洪影响主要表现为抬高部分时段河道行洪水位。通过各典型年分析，在各河段洲滩民垸运用水位以上的洪水位时段，排涝对城陵矶(莲花塘)水位抬高幅度为0.52～0.82 m，汉口水位抬高幅度为0.89～0.94 m，湖口水位抬高幅度为0.81～0.90 m。

(3) 在长江流域大水年，广大中下游平原区往往外洪内涝、遭遇成灾。一方面，由于外江水位高导致内水不能外排时，未受洪灾的涝区易形成严重涝灾；另一方面，大量涝水通过泵站抽排出江，会不同程度抬高外江水位，加重长江干流防汛负担。下一步将继续深化研究沿江涝区排涝泵站的限排条件、限排范围、限排方式，统筹协调流域防洪与区域排涝的关系，保障流域大洪水年份长江干流与沿江涝区的防洪除涝安全。