长江流域2020年7月洪水防御环境价值评估

2021-01-26吴志广翟文亮

水利水电快报 2021年1期

林莉，吴志广，潘雄，翟文亮

（1.长江科学院流域水环境研究所，湖北武汉 430010；2.长江科学院，湖北武汉 430010）

2020年，长江流域发生持续高强度、极端性降雨，并由此引发了新中国成立以来仅次于1954年、1998年的大洪水。2020年6～8月，长江流域累计面均雨量636 mm，较多年同期均值偏多三成多，其中，中游干流偏多近八成，下游干流偏多七成，汉江中下游、岷沱江偏多五成左右。仅7月份，长江干流先后发生3次编号洪水。在江西，赣北和赣中部地区的降雨总量达到常年的3倍以上，7月12日，鄱阳湖标志性星子站水位已达22.74 m，超1998年水位（22.52 m），鄱阳湖发生流域性超历史大洪水。长江中下游干流监利至大通江段洪峰水位列有实测记录以来的第2～5位；马鞍山至镇江江段潮位超历史记录；莲花塘水位34.59 m，超过保证水位0.19 m；汉口站最高28.77 m，居历史第4位。

在此次长江流域性大洪水过程中，长江水利委员会统筹上下游、干支流、江河湖泊的防洪需求，通过科学精准调度流域内以三峡水库为核心的水库群，配合中下游洲滩民垸行蓄洪运用、农田涝片排涝泵站限排等综合调度措施，有效防御了2020年长江大洪水，获得了巨大的社会、经济和环境效益。为了解新时代长江流域防洪体系在抵御大洪水中发挥的环境价值，本文针对2020年7月长江1～3号洪水过程，假定没有上中游水库群配合三峡水库展开的联合防洪调度，还原长江流域7月洪水，计算超额洪量，预测分析长江中下游干流沿程分蓄滞洪区的启用，确定其可能淹没的各土壤利用类型，量化淹水状态下可能进入水体中的氮磷污染物负荷总量，以期初步估算此次联合防洪调度的环境价值，从而为科学合理评估防洪减灾效益提供依据。

1 水工程联合调度实施过程

目前，长江流域已建成大型水库329座，总调节库容1 800余亿m3，防洪库容约770亿m3。其中，上游大型水库102座，总调节库容800余亿m3，预留防洪库容396亿m3；中游大型水库164座，总调节库容945亿m3，预留防洪库容330余亿m3。2020年7月，长江干流共发生3次编号洪水，按照暴雨洪水的发展过程大致可划分为3个阶段：①7月1～13日，以中下游干流水位涨势加快、鄱阳湖流域性大洪水为代表的1号洪水，形成江湖满槽之势；②7月14～21日，以中下游干流附近支流再次大幅涨水、马鞍山至镇江江段最高潮位超历史为代表的2号洪水；③7月22～31日，以中下游干流附近支流再次大幅涨水、城陵矶地区水位突破保证水位为代表的3号洪水。为应对这3次编号洪水，长江流域水库群的联合防洪调度过程共启用了101座（处）水工程，其中水库41座，蓄滞洪区46处，引调水工程4处，涵闸泵站10处。除动用了三峡、溪洛渡、向家坝等控制性水库外，还首度将乌东德水库纳入联合调度，进一步提升了长江流域防洪保障能力，共计拦蓄洪水约300亿m3。其中，三峡水库拦蓄洪量146亿m3，约占拦洪总量的48.7%，充分体现了国之重器的核心作用，有效减轻了长江上游、洞庭湖区及长江中下游干流的防洪压力。

2 洪水还原分析

洪水还原分析能有效量化流域水库群防洪效益，帮助准确评估联合调度效果。该过程主要涉及对人类活动与水库群拦蓄及洲滩民垸、蓄滞洪区分蓄等水利工程影响还原［1］。首先，假定水库群不拦蓄，将长江上游来水演算至三峡水库坝前，得到水库还原后的坝址入库流量过程，分析中游水库洪水拦蓄量，然后演算长江中下游干流及两湖出口控制站水位流量过程，最后给出相应超额洪量。

2.1 洪水还原计算

以长江流域洪水作业预报方案体系为基础，采用多方法综合模拟，对长江上中游水库群拦蓄过程进行还原分析。根据长江水利委员会水文局冯宝飞等［2］的研究，基于分段马斯京根模型将上游水库群的拦蓄洪量还原至三峡水库入库控制站（寸滩站和武隆站），以此为基础对2020年7月长江洪水进行还原计算。结果表明：1号洪水期间，莲花塘、汉口站洪峰水位分别提高0.8，0.2 m；2号洪水期间，莲花塘、汉口站洪峰水位分别提高1.7，1.0 m；3号洪水期间，莲花塘、汉口站洪峰水位分别提高0.6，0.4 m（见图1）。

图1 莲花塘站实况与还原水位对比［2］

当遭遇经还原计算后的洪水时，受洞庭湖水系汇入影响，7月10～31日莲花塘站水位超过保证水位，可能需要开启洞庭湖蓄滞洪区分蓄洪水。7月6～31日汉口站水位超过警戒水位但低于保证水位，尚不需要开启武汉附近蓄滞洪区分蓄洪水。

2.2 超额洪量计算

堤防接近或者达到保证水位时，需要起用中下游蓄滞洪区，接纳超量洪水，保障重点地区和水库的安全［3］。本文将超过保证水位的洪水部分作为莲花塘站超额洪量。根据莲花塘站水位流量关系曲线［4］，获得还原后洪水流量过程，见图2。根据计算得到莲花塘站7月超额洪量为164.80亿m3，其中1号洪水超额洪量为34.25亿m3，2号洪水超额洪量为92.05亿m3，3号洪水超额洪量为38.50亿m3。

图2 莲花塘站洪水还原后流量过程

3 洪水防御的环境价值评估

3.1 蓄滞洪区启用分析

蓄滞洪区工程是长江中游防洪体系的重要组成部分，可临时分蓄超额洪量并有效降低下游洪峰水位，从而减轻下游防洪压力［5］。

3.1.1 长江中游蓄滞洪区利用类别及蓄洪容积

根据《长江流域防洪规划》，长江中下游蓄滞洪区分为重要、一般和蓄滞洪保留区3类。其中，重要蓄滞洪区为使用几率较大（一般在20 a一遇以下）的蓄滞洪区；一般蓄滞洪区是三峡工程建成后为防御1954年洪水，除重要蓄滞洪区外，还需启用的蓄滞洪区；蓄滞洪保留区是指三峡工程建成后，为防御超标准洪水或特大洪水需要使用的蓄滞洪区。其中，长江中游蓄滞洪区主要有荆江地区蓄滞洪区、洞庭湖附近的蓄滞洪区和武汉附近蓄滞洪区，分布见图3。

（1）荆江地区蓄滞洪区主要包括1个重点蓄滞洪区（荆江分洪区）和3个蓄滞洪保留区（涴市扩大区、虎西备蓄区、人民大垸）。

图3 长江中游蓄滞洪区分布

（2）洞庭湖附近的蓄滞洪区主要包括10个重要蓄滞洪区（钱粮湖、共双茶、大通湖东、洪湖东分块、围堤湖、民主垸、城西垸、澧南垸、西垸官、建设垸）、5个一般蓄滞洪区（洪湖中分块、屈原、九垸、江南陆城、建新）和12个蓄滞洪保留区（君山垸、集成安合、南汉垸、安垸澧、安昌垸、北湖垸、义合垸、安化垸、和康垸、南顶垸、六角山和洪湖西分块）。

（3）武汉附近的蓄滞洪区主要包括1个重要蓄滞洪区（杜家台）、4个一般蓄滞洪区（西凉湖、武湖、涨渡湖、白潭湖）和1个蓄滞洪保留区（东西湖）。

3.1.2 拟启动的蓄滞洪区分析

根据莲花塘站2020年7月洪水超额洪量及长江中下游蓄滞洪区分布，拟定分洪方案的蓄滞洪区信息见表1。

莲花塘站7月超额洪量为164.80亿m3，拟定启用洞庭湖附近8个重要蓄滞洪区，分洪146.4亿m3，不足的部分由武汉附近的杜家台蓄滞洪区分蓄洪水22.9亿m3。

3.2 环境价值分析

蓄滞洪区启用分洪时将有大面积农田耕地被长时间淹没，这可能导致土壤中的氮磷营养物质、重金属及有机物溶出而污染水体［5］。而且，随着蓄滞洪区城镇化、工业化的发展，这种分洪淹没还将带来更多的污染问题［6］。因此，2020年7月长江流域水库群联合防洪调度在大力减少人民生命财产损失的同时，也减少了对流域内蓄滞洪区的启用，避免了土壤淹没对水体的污染，产生了环境价值。

表1 莲花塘附近启用蓄滞洪区信息

根据2020年7月长江流域1～3号洪水还原分析结果，假定水库群不拦蓄，长江中下游将拟定启用洞庭湖附近8个重要蓄滞洪区。对8个蓄滞洪区土地利用类型的分析结果显示，洪水还原后拟淹没蓄滞洪区3 039.5 km2，包括种植耕地1 901.7 km2，河湖水域面积844.5 km2，农村居民用地97.2 km2，城镇居民用地30.4 km2，林地34.3 km2，滩地 88.6 km2，沼泽地42.8 km2（见表2）。其中，农田耕地是洪水淹没后各类型污染物尤其是氮磷释放进入水体的主要来源。根据已有文献报道［7-10］，长江流域农田、消落带淹没浸泡状态下TN、TP溶出速率分别在0.96～11.66 kg/（km2·d）、0.02～0.09 kg/（km2·d）范围内。根据长江水利委员会水文局对洪水还原的研究结果［2］，拟定启用的蓄滞洪区淹没时间最少将从7月11日持续至8月5日，累积26 d。由此计算淹水时长、淹水农田耕地面积以及TN、TP溶出速率的乘积，得到洪水还原后淹水可能流失进入水体的TN在47.5 t～576.5 t之间，TP在1.0 t～4.4 t之间。