钱塘江流域洪水防御及实例分析

任火良,胡智超

(浙江省钱塘江流域中心,浙江 杭州 310012)

1 流域概况

1.1 水 系

钱塘江位于我国东南沿海，介于东经117°37′—121°52′、北纬28°10′—30°48′间，上游有干流兰江和重要支流新安江，在建德市梅城汇合后入富春江，流经杭州，在海盐澉浦注入杭州湾，在杭州湾湾口断面(上海市南汇区芦潮港闸至宁波镇海外游山)注入东海，干流全长609 km，流域面积55 491 km2。[1]兰江发源于安徽省休宁县龙田乡江田村，东南流至齐溪进入浙江省开化县，与池淮溪在华埠汇合后，称常山港；常山港至衢州市南郊右纳江山港后称衢江；衢江沿东北方向下泄，接纳了众多支流，其中较大的有右岸的乌溪江和灵山港，左岸的铜山源、芝溪，至兰溪市上华，右纳金华江后称兰江；兰江至建德市梅城与新安江汇合。兰江流域集水面积19 468 km2，河长302.5 km。

新安江发源于安徽省休宁县鹤城乡右龙村，经龙溪、大源河、率水、横江；横江汇合断面以下至浙江省境内武强溪汇合断面以上称渐江。新安江流域面积11 673 km2，流域长度179.6 km。分省流域安徽省境内面积有6 016.1 km2、江西省境内8.4 km2、浙江省境内5 648.3 km2。兰江与新安江在梅城汇合，梅城以下至东江嘴(闻家堰上游1 km)河段称为富春江，东江嘴以下称钱塘江，在梅城下游约26.8 km处即为富春江电站。汇入富春江河段的主要支流有分水江、渌渚江、壶源江；汇入钱塘江河段主要支流有浦阳江和曹娥江。富春江电站以上为山溪性河道，坡陡流急；富春江电站以下为感潮河道，河口潮差大，潮流强，属强潮河口。

1.2 降 雨

钱塘江流域杭州、金华、衢州、绍兴地市多年平均降雨量分别为1 559 mm、1 518 mm、1 834 mm、1 488 mm，5—9月份汛期(梅汛、台汛)分别占年降雨量的58%、57%、55%、58%[2]。杭州、金华、绍兴汛期降雨主要集中5—9月份梅汛、台汛期，衢州、安徽(新安江流域)汛期降雨主要集中在5—7月份梅汛期。汛期平均降雨量年际分布也不均，有时可达年平均降雨量的2倍及以上。降雨在表层土壤吸收饱和后直接汇流入河，进入水库、河道，我们称作径流。钱塘江流域有平原、山区、丘陵，地形和植被的不同导致径流系数及径流速度均有不同。

1.3 控制性水利工程

钱塘江流域通过修建大中型水库，来削峰调蓄、防洪兴利。目前，上游建有新安江、湖南镇等大中型水库75座，水库控制流域面积的37%；总库容达289 亿m3，防洪总库容25.1 亿m3，防洪库容占比8.7%，能有效调节的防洪库容总体偏小。对流域性洪水有重要防洪作用的主要为新安江和湖南镇两座大型水库，其余大中型水库如横锦、南江、碗窑、铜山源、白水坑、分水江水利枢纽、金兰、沙畈等，位于各支流上，其主要的防洪对象为支流两岸的城镇、农田，同时对干流防洪有一定的滞洪削峰和错峰作用。富春江水库为日调节水库，通过预泄超蓄有短时间错峰作用；分水江水利枢纽对分水江干流起控制作用，对富春江干流有错峰作用。

2 流域防洪

2.1 防洪原则

流域防洪常采取加固江河大堤、修建控制性水库、兴建分蓄洪工程等工程措施[3]，以及预测预报、防洪调度、预警避险等非工程措施。

防洪调度需要掌握流域洪水调度的现状、实时纳蓄能力、流域降雨预报、径流系数的规律、汇水速度变化、各段江道的行洪能力等要素，采取上“蓄”、中“行、避、滞”、下“泄”等措施。上“蓄”指控制性水库本身的防洪标准、蓄水能力，实施水库削峰措施。中“行”是依据下游防洪对象的防洪标准、区间流域的来水，采取补偿调节措施，制订行洪方案，即水库的下泄流量加上区间来水，小于防洪控制点的安全下泄流量；“避”是指各支流由于降雨时空分布的不同，汇入干流的水量也不同，合理调度，采取避峰措施，让洪峰错开，平稳下泄；“滞”是充分利用开口堤、滚水堰等分蓄洪工程，在洪峰时使用，削减下泄洪峰流量。下“泄”指掌握河口江道容积、天文潮汐对洪水的顶托影响，分析河口防洪形势，确定行洪能力。

2.2 防洪计算

2.2.1 计算步骤

从降雨到洪水防御计算步骤：气象预报降雨量—计算径流速度、径流系数—计算水库可蓄水量、泄洪调度方案—计算河道流量、行洪速度—与河道允许安全流量比较，如果满足河道允许的安全流量，即可安全行洪；如果不满足，则要启用蓄滞洪区，进行支流错峰再分析。如果满足支流错峰条件，即可安全行洪，如不满足支流错峰行洪，则要对不满足地段重点巡视，必要时实施抢护。

2.2.2 确定降雨量

通过防洪减灾数字化平台，根据各水库集水面积中雨量站的实时降雨量进行统计，计算面雨量。第一步确定该水库雨量站分布，计算每个雨量站控制面积占总集水面积的比例系数，所有雨量站的总系数为1，每小时面雨量就是每个雨量站降雨量乘以相应的系数之和。

在实际工作中，径流系数的确定可通过水库实时水位、水位与库容相关性来计算来水量；由来水量计算每小时的流量，就能得到降雨量与入库流量的相关性。通过历次强降雨与入库水量的相关性，就能得到该水库的径流系数、入库水流速度。径流系数还和前期土壤饱和程度有关，若前期降雨径流系数小，后期降雨径流系数就大，应根据不同的降雨阶段，建立相应的修正系数。

2.2.3 行洪时间的确定

自上游向下游，干流河道上各控制站之间距离、河道坡降不同，其行洪时间也不同，当支流有水汇入，也会影响干流行洪速度。各支流通过调度实现错峰避峰后，计算出主干河道的流量。经历次洪水分析得到常山站至衢州站河道长43 km，洪水时平均水面坡降0.49‰，行洪速度为2.65 m/s；衢州站至兰溪站河道长82 km，洪水时平均水面坡降0.42‰，行洪速度为2.53 m/s；金华站至兰溪站河道长23 km，洪水时平均水面坡降0.32‰，行洪速度为2.12 m/s。

2.2.4 安全流量的确定

建立每个控制站的流量与水位相关关系，由预测的流量来计算洪水位，由水位来判断两岸堤防的安全性。若行洪速度不同则进行修正，速度越大，同流量下水位就越低，反之越大。控制站断面由于疏浚、冲淤等有较大变化时，重新建立相关关系。

2.2.5 蓄滞洪的启用

钱塘江干流按规划留有开口堤与滚水堰。开口堤在堤防的上游按一定标准设防，头部以下堤防高度逐渐降低，尾部不建堤，洪水时从尾部慢慢淹入区内滞纳洪水，可防止洪水从堤防头部进入保护区毁坏农田；洪水退后，保护区内洪水及时从尾部开口处排出，是减少干流区域洪水损失，进一步提高干流区的防洪能力的应急措施。滚水堰是在封闭式堤防上选择一段，将其设计成允许洪水漫溢的堰坝，堰顶高程与规划防洪水位齐平，当遇超标准洪水时，洪水可从滚水堰溢入堤防保护区，这样既可起到超标准洪水的滞洪作用，降低干流水位，保护重要城镇安全，又可平衡两侧水位，起到保护堤防安全、减少水毁工程的作用。

钱塘江干流上开口堤与滚水堰的启用[4]，要进行综合判断来实施，应在洪峰对下游堤防安全、保护区内社会经济等产生重大影响时使用，过早或过迟启用，均会失去蓄滞洪的作用。

3 防御洪水实例

3.1 防御新安江洪水

3.1.1 基本情况

新安江水库于1959年下闸蓄水，坝址以上控制集雨面积10 404 km2，水库按万年一遇洪水校核，库容216.26 亿m3，相应洪水位114 m；设计正常高水位108 m时，蓄水量178.4 亿m3。5—7月中旬梅汛期限制水位106.50 m，相应库容168.94 亿m3。

流域近年发生多次洪水，如“99·7”洪水[5]、2011年6月洪水[6]、2017年“6·25”洪水[7]及2020年的7月洪水，其中2020年的钱塘江流域洪水梅雨期达50 d，比常年偏长28 d，历经了9轮强降雨过程，新安江流域处在梅雨带强降水云团影响核心区，累计面雨量达1 099.4 mm，是常年梅雨量的2.95倍。

3.1.2 防洪调度

钱塘江流域“20200707”洪水发生在第8轮强降雨期间，新安江水库发生建库61年以来最大洪水，入库洪量最大，洪峰次高，同时出现了建库以来最高水位108.39 m，入库洪峰23 000 m3/s[8]。省水利厅充分利用钱塘江流域防洪减灾数字化平台实施科学调度，坚持“全过程监测、全系统动员、全流域调度”。自7月6日傍晚发布1号调度令“开闸泄洪”至14日下午第9号调度令“关闭泄洪闸”，经历9 d的9次调令(见表1)，调度历时173 h，经新安江水库科学调度后，新安江白沙断面洪峰控制在流域规划要求的8 000 m3/s以内，削峰率达66 %。如果没有上游水库的共同作用和科学调度，下游桐庐、富阳、杭州等地的洪水位将抬高2～3 m，流域防洪将面临巨大压力。

表1 新安江防御最大洪水调度情况表

3.1.3 降雨量分析

根据新安江水库集水面积内雨量站的分布，各雨量站的控制面积、实时降雨量计算面雨量，新安江水力发电厂在本次防洪中，提供了实时的水位、面雨量、出入库流量等相关数据，为分析新安江洪水提供了条件。从7月2日0时开始降雨，至14日15时，累计降雨雨量482.6 mm(见表2)。

表2 新安江水库水位、库容、降雨量、出库水量表

3.1.4 径流系数的确定

通过水库增加的库容量、出库水量计算入库水量；再通过过程总降雨量、集雨面积，计算总降水量；入库水量与总降水量比值即为径流系数；通过实时径流系数分析，可得到入库水量的滞后性，强降雨时尤其明显(见表3)。

表3 新安江水库降雨径流系数计算

7月2日00：00时开始降雨时水库水位为104.56 m，相应库容为157.47 亿m3，至14日15时，水库水位为106.34 m，相应库容167.93 亿m3，水库增加库容水量10.46 亿m3，期间发电、泄洪实际总出库水量为36.52 亿m3，由此得到总入库水量为46.98 亿m3；新安江水库集水面积为10 404 km2，过程面雨量为482.6 mm，可计算出总降水量50.21 亿m3。径流系数为总入库水量/总降水量=0.94，即新安江水库在钱塘江第8轮降雨中，径流系数为0.94。

7月12日0时已停止降雨，当时水库水位为107.12 m，相应库容为172.85 亿m3，较7月2日0时的157.47 亿m3，增蓄水量15.38 亿m3，累计实际出库水量为30.31 亿，则总入库水量为45.69 亿m3，总降水量50.21 亿m3，径流系数为总入库水量/总降水量=45.69/50.21=0.91。而至7月14日15时产生的总入库水量46.98 亿m3，即降雨停止后，总入库量又增加1.29 亿m3，说明径流相对于降雨有一定的滞后性。

3.2 防御河口洪水

3.2.1 富春江水库下泄流量

富春江大坝以下为钱塘江河口，其下泄流量直接关系到下游桐庐县、杭州市富阳区、萧山区、杭州市主城区堤防的安全。进入梅汛后期，钱塘江流域已经历了7轮强降雨，钱塘江中上游水库都在高水位运行，留有的防洪库容相当小。第8轮强降雨先发生于新安江流域，再向金衢流域扩延，7月9日13：30，衢州站出现洪峰，洪峰水位63.54 m，洪峰流量6 600 m3/s，为1998年以来最大洪水，加之兰溪站到衢州站区间流量、金华江流量几乎在同一时间遭遇，兰溪站超过28 m的警戒水位，形成了钱塘江第2号洪水；经水利厅研判，预计兰溪站在9日22:00—23：00左右出现洪峰，流量超过8 000 m3/s。

为防御第2号洪水，省水利厅科学调度兰江、新安江、分水江下泄流量，使三者错时避峰、削峰减峰。自9日19:00起，新安江水库由9孔泄洪调到7孔泄洪，下泄流量(含发电)59 000 m3/s，新安江又削峰1 800 m3/s。9日22:05兰溪站出现洪峰水位28.96 m，洪峰流量为8 260 m3/s，经过3 h左右，洪峰在梅城与新安江下泄洪水交汇，进入富春江。由于新安江有效的削峰，富春江水库的最大入库流量为15 100 m3/s，通过富春江水库调度，其下泄流量控制最大为14 900 m3/s，接近10 a一遇洪水流量(15 240 m3/s)；此前桐庐分水江水库也提前泄洪，出库流量最大值4 010 m3/s，在富春江水库洪峰到来时，分水江水库停止泄洪。致使下游除桐州岛、东州岛、五丰岛等江心岛高滩及桐庐县老县城部分受淹外，未造成其它受淹现象，两岸堤防安全。

3.2.2 过程洪水特性

富春江大坝以下至闸口洪水位取决于3个因素：一为江道冲淤引起的低水位，它是洪水到来前的基础水位；二是洪水来时的水位增量；三是潮汐上溯顶托的影响。可以分大小潮汐来进行分析，得出其低水位时，在不同流量下的洪水增水，再加高水位时潮汐顶托影响，最终得出桐庐、富阳、闻堰、闸口在洪水影响下可能出现的最高水位。钱塘江不是一个三面光的人工河道，不同洪水过程所对应的河床、潮汐、上游下泄流量都是在变化的，是动态的过程，需要我们深入分析，掌握其主要因素。

3.2.3 洪水影响因素

闸口以下江道地形对洪水位的影响计算，以平均江道为基准，不利江道水位偏高，有利江道水位偏低，桐庐站较平均江道时洪水位相差0.1～0.2 m左右，富阳与闻家堰相差0.3～0.5 m左右。河口沙坎由易冲易淤的粉砂土组成，洪水过程冲刷沙坎，对沿程洪水位产生影响，同流量条件下，后期洪水位较前期洪水位低。澉浦潮汐对洪水位产生影响，澉浦高潮位越高，对洪水的顶托作用越大；上游影响小于下游，大流量影响小于小流量，低潮位区段影响小于高潮位区段。

4 结论和建议

4.1 加强钱塘江流域防洪减灾数字化平台建设

钱塘江流域降水主要是梅雨和台风雨，流域上游洪水主要是由梅雨造成的，经富春江水库每年进入河口的径流平均为300 亿m3，但年际分布不均，最大年份为平均的2倍以上，其中55%～60%的径流集中于5—9月，洪水多发生在6月下旬到7月上旬。钱塘江洪水具有洪峰高、洪水量大、传播速度快等情况，若遭遇梅期特别长、梅雨总量特别大、强降雨区域重叠、“多峰”等情况，梅雨洪水具有累积效应，所带来的防洪风险极大。建国以来，上游兴修水库，建有新安江、湖南镇等大中型水库75座，水库控制流域面积的37%；总库容达289 亿m3，防洪总库容25.1 亿m3，防洪库容占比8.7%，流域洪水虽已得到很大程度的控制，但能有效调节的防洪库容总体偏小。应利用钱塘江流域防洪减灾数字化平台，实施科学调度，坚持“全过程监测、全系统动员、全流域调度”，充分发挥水利工程防洪作用。

4.2 建立流域降雨与入库增水量关系

由水库集水面积内的各雨量站、控制的集水面的权重、实时降雨量计算水库实时面雨量；再通过水库水位与库容关系，由水库水位变化量得到水库增水量；由面雨量、增水量得到径流系数，为预测预报洪水位提供技术参数。在新安江水库集水流域内，当土壤达到饱和后，径流系数为0.94左右；强降雨时径流较降雨发生时间有一定滞后性，实时的径流系数在0.8～0.9之间。建立流域降雨与入库增水量关系，可为防洪调度奠定基础。

4.3 建立干流河道流量与水位关系

通过历年典型洪水的流量与水位资料，建立流量水位相关关系；对于只受洪水影响的单向流河段，如钱塘江中上游忂州、兰溪等站，流量与水位呈正相关，可建立水位流量关系，由流量来预测水位；对钱塘江河口既受洪水又受潮汐影响的双向流，如杭州闻家堰(之江站)水位与流量不一定呈正相关，往往在洪水流量与涨潮流量相等达到平衡时，出现高水位，可以通过历年典型洪水资料结合现有实际江道容积进行计算。通过干流河道各控制站点之间的行洪时间，来计算各站点洪水流量过程。当流域降雨与增水量相关性确定后，实时了解河道各控制站点的过程流量，只有确定各站的行洪时间后，才能从上游向下游，将各控制站点的流域实时降雨量换算成实时的来水量(流量)，通过流量与水位相关性，就能预报洪水位从而为后续调洪方案的制订奠定基础。

4.4 按泄洪流量确定新安江堤防标准

新安江的堤防设计标准，不能用重现期的洪水标准来进行设计。因新安江建库后，新安江河道的水位由泄洪来确定，没有重现期概念，应按泄洪流量来确定堤防标准。新安江水库本次下泄流量达到历史最高值，在水库历史最高水位108.39 m，开启九孔泄洪闸，最大泄洪流量6 500 m3/s加满发电流量1 200 m3/s，即7 700 m3/s。这次泄洪也全面暴露了沿线堤防存在的问题，建议结合洪水过后的堤防受淹调查，有针对性地对薄弱环节采取工程措施或预防措施。同时，根据经济社会发展的需求变化，对新安江水库功能调整为“以防洪、供水为主，结合发电等综合利用”，在控制运行计划中，尽可能降低新安江水库的起调水位，加大防洪库容；在遭遇洪水时提前下泄，以免大流量泄洪对下游带来影响。

4.5 及时修正影响预报的因素

钱塘江河口的洪水预报需综合考虑各种因素。河口洪水主要受富春江大坝泄洪、下游分水江、浦阳江支流的流量影响，但又受洪水过程、杭州闸口以下江道地形、澉浦潮位的变化的影响。杭州闸口以下有利江道(大容积)洪水位较低；澉浦天文小潮比天文大潮有利，低潮位时洪水较低。在进行洪水预报时，应根据实际情况修正各种因素，以获取比较精准的预报结果。