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巢湖流域2020年暴雨洪水过程及特性

2022-04-01周奇史俊王海玉钟小燕

人民长江 2022年1期
关键词:西河巢湖雨量

周奇 史俊 王海玉 钟小燕

摘要:2020年巢湖流域发生特大暴雨洪水,巢湖流域最大30 d雨量居历史第二位,重现期接近50 a一遇。巢湖忠庙站最高水位13.43 m,居历史第一位。流域内河道除西河缺口站、无为站仅次于1954年历史最高水位外,其余各支流水位均处有资料以来第一位,给流域防洪带来严峻挑战。在详细分析2020年巢湖流域暴雨洪水及调度过程的基础上,总结暴雨洪水特点和成因,剖析了流域防洪暴露出的突出问题,并提出相关建议及措施。分析结果表明:2020年巢湖流域洪水主要特点为范围大、水位高且高水位持续时间长,洪水场次多。巢湖流域2020年特大洪水的主要因素包括全流域范围的强降水,最强场次降水时河道底水高、调蓄有限,长江高水位顶托,内外洪水遭遇恶劣。巢湖流域防洪存在洪水排泄不畅、调蓄空间不足、区域防洪排涝能力偏低等问题。研究成果可为提高巢湖流域防洪能力和水平提供宝贵的数据和经验。

关 键 词:2020年暴雨洪水; 超历史洪水; 洪水特点及成因; 巢湖流域

中图法分类号: TV122.1   文献标志码: A

DOI:10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.006

0 引 言

巢湖位于安徽省江淮之间,是中国长江中下游五大淡水湖之一,国家重点风景名胜区。作为安徽省人民的母亲湖,巢湖物产丰富,兼具防洪、供水、生态、水运等多方功能。近年来在“长三角一体化”、“脱贫攻坚”、“一带一路”等国家战略引领下,巢湖流域作为安徽省“五位一体”发展的核心区域,在安徽省发展中的战略地位日益凸显[1]。然而,历年来巢湖流域饱受洪涝之苦。新中国成立以来,发生较大洪涝灾害有18 a,即1949,1953,1954,1956,1964,1969,1974,1980,1983,1984,1989,1991,1995,1996,1998,1999,2003年和2016年,约3~4 a一次[2-3]。长期以来,洪涝灾害一直是制约流域经济和社会发展的重要因素之一。1954年长江大堤决口,进西河、黄陂湖、兆河流域洪水泛滥成灾,流域淹没面积达20万hm2以上,巢湖沿岸漫坡较大圩口34个。1991年千年古镇三河被淹,流域内中下游地区一片汪洋。流域受灾面积33万hm2,溃破大小圩口687个,其中万亩以上圩口20个、面积2.32万hm2[2-4]。继2016年洪水之后,巢湖流域2020年再遇历史性大洪水,杭埠河、兆河、永安河、牛屯河、丰乐河、南淝河、裕溪河、派河等河流发生超历史实测记录洪水,西河发生1955年以来最大洪水,柘皋河、白石天河发生超保证水位洪水。龙河口水库、董铺水库最高水位居历史第2位、大房郢水库最高水位为建库以来第1位。2020年的流域特大洪水既是对流域防洪能力的考验,也提供了宝贵的洪水资料及抗洪经验。基于此,本文较系统地分析了巢湖流域暴雨、洪水和調度过程,总结了洪水特点和成因,指出了流域防洪的重点问题,研究结果对于提高水文及防汛部门应对超标准洪水的能力,保护人民生命财产安全,助力经济社会发展具有重要意义。

1 流域概况

巢湖流域位于安徽省江淮之间,流域东濒长江,东南为沿江水网区,西部为江淮分水岭丘陵区,合肥市环巢湖而居。流域地形在西南部杭埠河上游为大别山区,在沿江和沿巢为圩区,其余大部分为丘陵区,间有低山。巢湖流域面积1.35万km2,其中巢湖闸以上集水面积9 153 km2。闸上主要支流有丰乐河、杭埠河、南淝河、派河、塘西河、十五里河、白石天河、柘皋河及兆河;其来水呈放射状汇入巢湖。巢湖闸下为水系关联、水量交换的水网区,流域面积4 333 km2,主要支流有裕溪河、清溪河、西河、牛屯河。此外流域内天然湖泊有巢湖、黄陂湖和已围垦的白湖等。目前巢湖流域对江排水有3条通道,分别是凤凰颈闸站、裕溪闸、新桥闸[2]。

2 暴雨分析

2.1 降水过程

2020年汛期巢湖流域共发生11场降雨过程,分别发生在6月10日、6月12~18日、6月20~23日、6月26~28日、7月4~6日、7月11~12日、7月13~19日、7月24~25日、7月26~29日、8月8~11日、8月20~21日,其中4次为暴雨过程。

6月12~18日,巢湖流域大部分地区降暴雨,其中西河局部降大暴雨,流域面平均雨量185.0 mm。6月20~23日,巢湖流域大部分地区降大到暴雨,西河流域上游局部降大暴雨,流域面平均雨量131.0 mm。6月26~28日,流域降中到大雨,局部暴雨,流域面平均雨量56.0 mm。7月13~19日,流域普降大暴雨,局部特大暴雨,流域面平均雨量338.0 mm。降水过程分为2个主雨段,7月17~20日降水量明显大于7月13~17日。7月18日上午巢湖流域迎来强降水,降雨强度大,发展迅速,主雨带由流域西南向东北迅速移动,扩大到流域北部巢湖闸以上水系。降雨主要集中于流域西部和南部,龙河口水库以上及西河流域。7月13~19日最大降水量为白山站的509.0 mm,最大1 h降水量为瑶海区龙岗站的67.0 mm(18日06:00)。全流域16个雨量站降雨量超400.0 mm,110个雨量站降雨量超过300.0 mm,149个雨量站降雨量超过200.0 mm。

巢湖流域梅雨量919.0 mm,巢湖闸以上为912.0 mm,均居历年梅雨量最高排序第2位;西河梅雨量1 012.0 mm,居历年梅雨量最高排序第3位。巢湖流域短历时强降水主要发生在7月13~19日。巢湖流域各站最大1 h雨量前5位的站点均排该站有历史记录以来第1位;最大2,3 h雨量前3位站点均排历史第1位;最大1 d雨量前4位站点排历史第1位。重现期均超50 a一遇。肥西县肥光站最大1 h雨量114.0 mm。庐江县东大圩闸最大1 d雨量317.0 mm。巢湖流域(巢湖闸以上)、西河流域(缺口以上)最大1,3,7,15,30 d面平均雨量如表1所列。巢湖流域最大30 d面雨量居历史排位第2位。巢湖闸以上最大1 d面平均雨量居历史第1位。

2.2 降水特点

(1) 梅雨期历时长,降水场次多,总量大。2020年巢湖流域6月10日入梅,较常年(6月21日)偏早11 d,为2012年以来最早。8月1日出梅,梅雨期长达52 d,仅次于1954年巢湖流域梅雨期(58 d),1991年梅雨期(57 d),居于历史第3位。巢湖流域降水场次多,汛期共计11轮降水过程,其中暴雨过程有4次。巢湖流域梅雨量仅次于1991年,居历史第2位。

(2) 暴雨雨强大。7月13~19日降水过程中最大1 h雨量前5位的站点均排该站有历史记录以来第1位;各雨量站最大2,3 h雨量前3位的站点均排该站有历史记录以来第1位。流域最大1 d降雨量为163.4 mm,超过1991年,仅次于1969,2016年,居历史第3位。巢湖闸以上流域最大1 d降水量167.7 mm,位居历史第1位。

(3) 全流域均受强降水影响。梅雨期巢湖流域降雨量等值面如图2所示,梅雨期单站累积雨量基本在700.0 mm以上,强降水是全流域性的。其中流域的西部龙河口水库上游和南部西河流域降水量超过1 000.0 mm。

3 洪水分析

3.1 洪水过程

3.1.1 巢湖湖区洪水

忠庙站水位过程如图3(a)所示。自2020年6月10日入梅后,受多轮强降雨影响,巢湖水位持续上涨,6月25日21:48巢湖忠庙站达警戒水位10.50 m,随后巢湖水位进入缓涨阶段,到7月18日,受流域特大暴雨影响,巢湖水位开始迅速上涨,19日02:30达保证水位12.50 m,10:30达1991年历史最高水位12.80 m,并继续上涨,22日10:48出现本次洪水最高水位13.43 m,超警2.93 m,超保0.93 m,超历史0.63 m,湖盆蓄水总量达59.26亿m3。之后水位缓落,8月7日14:48忠庙水位落至保证水位,超保20 d。9月11日09:48落至警戒水位以下,超警78 d。

3.1.2 西河洪水(缺口以上)

选取西河缺口站描述西河中上游洪水过程。缺口站水位过程如图3(b)所示。西河(缺口以上)2020年6月中旬以来先后有5次涨水过程。6月16日西河缺口站水位第1次逼近警戒水位后回落。6月21日20:30首次涨至警戒水位10.50 m,6月23日23:18涨至11.43 m后小幅震荡回落,短时落至警戒水位以下复涨,6月29日05:00缺口站第2次超警戒水位后立即回落。受7月4~7日降水影响,7月5日18:00缺口站水位第3次超警后水位一直处于警戒线以上。受降水影响,7月13日西河、兆河水位迅速上涨,西河缺口站于7月16日18:30达保证水位11.90 m后高水位震荡。7月18日20:00安徽省防指调度开启东大圩进洪闸蓄洪分洪后,水位上涨趋缓,7月19日04:48达最高水位13.06 m,超保证水位1.16 m,超2016年实测最高水位0.41 m,超1991年实测最高水位0.81 m,为1955年以来最高水位,实测西河缺口站(缺口大桥处)最大流量340 m3/s(7月19日12:12,相应水位13.00 m)。

3.1.3 入湖支流洪水

选取丰乐河桃溪站作为代表站进行分析,洪水过程如图3(c)所示。丰乐河桃溪站有3次较大涨水过程,2次超警。第1次超警发生在2020年6月23日10:36,水位达到警戒水位后继续上涨,涨至16.77 m后回落。7月11日水位复涨,于7月18日13:36第2次涨至警戒水位15.56 m,涨幅3.83 m;19日02:18达保证水位17.56 m,涨幅5.83 m;20日05:42达最高水位18.66 m,涨幅达6.99 m,超警戒水位3.10 m,超保证水位1.10 m,超2016年历史最高水位0.86 m,居历史第1位,超1991年最高水位0.99 m,最大流量1 640 m3/s(20日03:24)。

3.2 洪水定性

2020年巢湖流域洪水就长时段面雨量而言,总体排第2位。就湖区水位而言,湖区代表站忠庙站最高水位13.43 m,远高于1991年最高水位。这次2020年洪水同时遭遇干流洪水,干流芜湖段水位仅次于1954年最高水位,造成流域排洪能力减弱。就长时段入湖水量而言,排历史第2位。就支流水系而言,除西河缺口站、无为站水位仅次于1954年歷史最高水位外,其余各支流均处有资料以来第1位。综合各项指标,2020年巢湖洪水排有记录以来第2位,重现期接近50 a一遇。

西河流域缺口以上最大1 d面降雨量223.5 mm,少于1969年,位居历史第2位。西河缺口站最高水位13.06 m,居1954年以来历史第2位,梁家坝站最高水位12.92 m,居历史第1位,梁家坝站最大流量390 m3/s,居历史第1位。综合考虑降雨、水位、流量,西河洪水重现期约50 a一遇。

3.3 洪水调度及其影响

3.3.1 流域防洪现状

巢湖流域按照蓄泄兼筹的治水方针,实施了一系列防洪工程建设,巢湖流域基本形成了以堤防为基础,分洪道、排涝闸站、蓄滞洪区、水库、中小河流治理和防洪指挥系统等非工程措施相结合的“上拦、中蓄、下排”的综合防洪体系。流域上游通过龙河口、董铺、大房郢3座大型水库防御山洪。下游裕溪河出口处兴建了裕溪闸防御江洪倒灌;开挖了排泄巢湖洪水的牛屯河分洪道,入江口兴建了新桥闸防御江水倒灌;西河入江口通过凤凰颈泵站抽排内洪。兆河入巢湖通过兆河闸控制,巢湖出口入裕溪河通过巢湖闸控制。西河和裕溪河交汇处通过黄雒闸控制。裕溪河与牛屯河交汇处通过铜城闸控制。巢湖流域河网交汇,闸门较多。汛期调度主要以巢湖水位和自排条件为参照,当巢湖水位高于规定水位,并能自流自排时,闸门全开敞泄洪水。当裕溪河水位高于西河时,应关闭黄雒闸防止洪水倒灌。凤凰颈泵站主要根据西河无为站水位进行调度。

3.3.2 闸门调度

西河凤凰颈站自2020年6月14日西河无为站、永安河开城桥站第1次涨水,水位逼近警戒水位时开始开机排水,水位回落时关机。6月21日西河梁家坝站、永安河开成桥站第2次开始涨水时立即开机持续至9月份,持续排西河、永安河水至长江,截至8月1日累计抽排水量7.52亿m3,显著缓解巢湖流域西河、兆河、永安河险情。西河黄雒闸6月份持续向裕溪河排水,进入7月后随着裕溪河水位上涨,黄雒闸绝大部分时段关闸。梅雨期,巢湖闸持续开闸排水,至7月6日受裕溪河水位上涨影响关闸,至17日开闸承接裕溪河洪水,迅速转为向裕溪河排水。裕溪闸开闸至7月5日,随后受长江水位上涨影响关闸,至18日再次开闸排水。铜城闸先开闸,至7月8日受牛屯河超保影响关闸,至28日后再次开闸排水。新桥闸自6月11日入梅后开闸,至7月8日闸下水位高于闸上立即关闸。7月16日具备开闸条件后随即开闸排水,持续放水至10月底。梅雨期(6月10日至8月1日)巢湖流域总入江水量35.65亿m3,其中凤凰颈站7.52亿m3,凤凰颈闸0.01亿m3,裕溪闸20.97亿m3,新桥闸7.15亿m3。

3.3.3 分洪破圩

为减轻西河防洪压力,东大圩蓄洪区于2020年7月18日20:10开闸分洪,分蓄洪水达2.61亿m3,实测最大进洪流量351 m3/s,30日凌晨基本蓄满。西河缺口站水位降低约0.10 m。2020年洪水期间,巢湖流域特别是湖区周边,除了漫破大量圩口外,为控制巢湖水位主动开启多个圩口进行分洪。破圩分洪整体规模远大于2016年,但小于1991年。累计启用溃破圩口230处,其中万亩以上圩口10个,分别为沙滩联圩、同心圩、十八联圩、石大圩、牛广圩、滨湖联圩、沿河联圩、蒋口河联圩、裴岗联圩、界河圩,10个万亩以上大圩进洪量约11.39亿m3(见表3)。万亩以下圩口漫坡及主动分洪的有220个,其中合肥市177个,芜湖市 38个,马鞍山市3个,六安市2个。推算环湖圩口总进洪量约15.8亿m3,对巢湖水位影响约1.00 m以上,有效降低了巢湖水位,极大缓解了巢湖防洪压力。

3.4 洪水特点及成因

(1) 巢湖流域发生全流域性的、超历史实测记录的特大洪水,河湖水位高,涨水速度快。巢湖忠庙水位站最高水位13.43 m,超1991年历史最高水位0.63 m,超保证水位0.93 m。巢湖流域杭埠河、兆河、永安河、牛屯河、丰乐河、南淝河、裕溪河、派河等河流发生超历史实测记录洪水,西河发生1955年以来最大洪水,柘皋河、白石天河发生超保证水位洪水。龙河口水库、董铺水库最高水位居历史第2位、大房郢水库最高水位为建库以来第1位。受流域超强降雨影响,巢湖水位涨势极快,继7月18日强降雨后,最大1 d涨幅达0.8 m,为历史第1位。

(2) 流域内河道洪水场次较多,河道频频超警。西河缺口站2020年梅雨期先后有5次涨水过程,3次超警;丰乐河桃溪站3次涨水,2次超警;杭埠河三河站2次涨水,2次超警;派河派河站2次涨水,2次超警。

(3) 巢湖湖区及多数河流高水位持续时间长。巢湖忠庙站2020年超警戒水位长达78 d,超保證水位20 d。西河缺口站2020年累计超警戒水位87 d,超保证水位22 d,超过2016年,仅次于1991年。杭埠河三河站超警戒水位累计55 d,超保证水位21 d。丰乐河桃溪站超警戒水位累计185 h,超保证水位68 h,超过2016年为历史之最。巢湖大堤、河堤长时间高水位浸泡,给防汛工作带来严峻挑战[5]。

(4) 洪水总量较大。经推算,今年入湖最大1,3,7,15,30 d水量分别为5.96亿,12.38亿,19.01亿,23.18亿,35.96亿m3。相比2016年洪水,今年最大1,3,30 d均偏多;相比1991年洪水,今年最大1,3,7 d均偏多,长时段最大15,30 d偏少。和雨量比较结果接近,短时段水量大于1991年,长时段水量少于1991年。

经过分析,巢湖流域发生全流域性的特大洪水原因如下[6-9]:

(1) 降水总量大,暴雨强度大。巢湖流域2020年梅雨期面平均雨量919 mm,同期雨量居历史第1位。巢湖流域(巢湖闸以上)最大1 d雨量165.0 mm,超过1969,1991年,创历史新高。

(2) 全流域性的强降水,全流域所有河湖水位均暴涨。巢湖流域2020年梅雨期降水较为均匀,流域各雨量站累计雨量基本在700.0 mm以上,所有河道湖泊水位均暴涨。降雨空间分布与1991年类似,较为均匀,流域各区域没有明显差异。

(3) 受长江高水位顶托影响,巢湖入江排水通道泄量受到影响,排水困难。忠庙水位13.43 m,超历史最高水位12.80 m,居历史第1位。同期裕溪闸下长江水位12.53 m,1991年最高水位同期裕溪闸下11.79 m。2020年芜湖江段水位仅次于1954年历史最高水位。今年内河与长江高洪遭遇较1991年更为恶劣。

(4) 流域内库湖底水较高,调蓄有限。7月13~19日最大场次降雨之前,流域已有6场降雨,逐渐抬高了流域内河道、水库、塘坝水位,降低了库湖塘的蓄滞能力。导致河湖水位起涨水位均较高,后又遭遇强降水,因而河湖最高水位先后创造历史新高。巢湖流域7月14~19日暴雨之前,忠庙站水位已达11.00 m。2016年最大场次暴雨之前,忠庙水位仅10.15 m。西河缺口站最大场次洪水起涨水位达10.80 m,2016年最大场次暴雨之前,缺口站水位10.53 m。

4 问题及思考

巢湖流域汛期气候多变,环湖地势低洼,山洪冲击、内洪量大、湖洪浪高、外洪顶托,河湖互动密切,江湖关系复杂,蓄泄矛盾尖锐,历史上洪涝灾害频繁且严重,威胁流域生存与发展。同时,随着极端气候多发、区域加速发展、人口快速增长和江湖关系演变调整,流域和区域防洪形势又不断面临新情况、新挑战和新要求[10-15]。

(1) 内外洪水不利遭遇,流域防汛局面较为被动。随着长江中上游防洪标准提高和蓄洪场所运用减少,长江高水位来的早、退的慢,巢湖流域超额洪量受江水顶托难以下泄。巢湖流域入江通道仅新桥闸、裕溪闸、凤凰颈闸站,入江通道少且内外洪遭遇时,闸上闸下水位差小,凤凰颈排灌站规模不足,湖区洪水位居高不下,防洪局面较为被动。

(2) 防洪保护范围扩大,流域蓄滞矛盾加剧。随着合肥城区建设扩大,城镇化建设如杭埠经济开发区、无为经济开发区等,城区、园区向沿湖低洼地区发展,保护范围逐渐扩大,原来可以通过圩区蓄滞洪水的场所越来越少。防洪保护范围、区域防洪标准以及超额洪量安排发生明显变化。

(3) 防洪标准仍然偏低,防汛手段亟需提升。目前根据巢湖流域防洪规划,其防洪的主要对象有合肥市、巢湖市、湖区的一般城镇及保护耕地2 000 hm2以上的大圩,其中,合肥市的防洪标准为100~200 a一遇,巢湖市的防洪标准为50 a一遇,一般城镇及2 000 hm2以上的大圩的防洪标准为20 a一遇。各防洪保护对象现状防洪标准还未达到规划标准,如合肥市仍有极少数区域防洪标准仅为 20 a一遇,芜湖市、无为市、巢湖市、肥东县、肥西县等市(县)均未完全达标。此外存在大范围的中小河流未治理河段,防洪标准尚未达到20 a一遇。面对巢湖流域水利工程多、防汛矛盾大、调度任务重的现状,现有的水情测报、应急监测需提升的地方还很多,如水位站建站标准偏低,应急监测保障不足等。

(4) 城市大规模建设,水文条件变化明显,洪水风险增加。巢湖流域大部分区域属于合肥市范畴,合肥市近几年发展迅猛,下垫面硬化和地下空间的应用,使得产汇流条件发生变化,排涝范围也兼顾地下地上,洪水风险和排涝压力增加。

5 结论及建议

巢湖流域2020汛期共计11轮降水过程,4次为暴雨过程。暴雨强度大,巢湖流域最大1 d降雨量居历史第3位,巢湖闸以上流域最大1 d降雨量居历史第1位;累积雨量大,巢湖流域、巢湖闸以上流域梅雨期累积雨量均居历年梅雨量第2位,西河流域梅雨期累积雨量居历年梅雨量第3位;巢湖流域2020年梅雨期降雨是流域性的,全流域均受暴雨影响,其中西河流域、龙河口以上流域尤甚,各站梅雨期累积雨量在1 000.0~1 600.0 mm之间。受强降水影响2020年巢湖流域发生全流域性大洪水,巢湖忠庙站最高水位13.43 m,居历史第1位。流域内河道除西河缺口站、无为站仅次于1954年历史最高水位外,其余各支流水位均居有资料以来第1位。受长江高水顶托影响,湖水外排难。内外洪水相遇,巢湖湖区和河道长时间高水位运行,给防汛工作带来严峻挑战。安徽省水文局7月19日02:00精准预报不考虑沿湖圩堤弃守的情况下,巢湖忠庙站水位可能超过13.50 mm,给防汛工作提供了有效数据支撑。市防汛指挥调度部门通过闸门有效调度,圩口科学弃守,有效降低洪涝损失。针对巢湖流域在2020年洪水防御中暴露出的诸如洪水排泄不畅、调蓄空间不足、区域防洪排涝能力偏低等问题,应在以下几方面进行改进。

(1) 提升流域泄洪能力,补齐防洪工程短板。扩大对江抢排泄洪通道,扩建铜城闸及新桥闸、扩建阻水桥梁、继续疏浚河道、堤防除险加固等。

增设对江排洪大型泵站,结合河道过水能力,研究在西河、裕溪河、牛屯河出口处兴建抽水排洪泵站的可行性。对巢湖入湖支堤、环巢湖岸线堤防进行达标加固建设,堤防出现险情段除险加固,破溃圩口堵口复建。加快蓄滞洪区建设,适时有序安排东大圩蓄滞洪区及进退工程建设;同时研究巢湖流域新增蓄洪场所,了解圩区的蓄洪能力,合理安排超额洪水出路。

(2) 提高洪水监测预报预警能力和水平。完善巢湖流域中小河流、重点圩口水文监测体系。修订和优化巢湖流域洪水预报方案,加强大洪水尤其是分洪溃口情况下的河道及蓄滞洪区监测及预报模型研究。完善超标准洪水预警指标,实现超标准洪水发生时监测、预报、预警快速响应机制。

(3) 加強信息化管理在防洪减灾中的应用,严格蓄洪区管理,加强管理水平和能力。加强遥测遥感等新技术在水文监测、灾情评估中的应用。应用人工智能和云计算,开展水工程智能防灾联合调度研究。严格行蓄洪区保护,系统整治影响防洪安全的行为。运用新手段、新技术、新装备武装专业应急救援力量,精准部署、协调联动,提升专业应急处置能力,减少人力成本。

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(编辑:谢玲娴)

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