怀柔水库洪水调度新模式探索

孙艳华 周 宁 杨秀芳

(北京市京密引水管理处,北京 101400)

1 研究区概况

怀柔水库紧邻怀柔城区,除防御洪水外,还是北京市重要的地表水饮用水源地之一。怀柔水库连通了京密引水渠上下段渠道,是正向供水和反向供水的中枢调节库。正向供水是指京密引水渠引密云水库水至怀柔水库调蓄,再由怀柔水库出库经京密引水渠下段向北京城区供水;反向供水是指自2015年7月起,南水北调来水调入密云水库调蓄工程,怀柔水库承担输水的中间调节库任务。截至2021年,怀柔水库最大年引水量6.50亿m3,最大年调节输水量7.20亿m3,水库的安全保障作用愈加凸显。

1.1 怀柔水库概况

怀柔水库位于北京市怀柔城区西侧,始建于1958年,经4次改扩建,现为大(2)型水库,库容1.44亿m3。防洪标准按100年一遇洪水设计,设计洪水位64.16m,2000年一遇洪水校核,校核洪水位67.73m,最大下泄流量3036m3/s[1]。怀柔水库属海河流域潮白河水系,控制流域面积525km2,上游为怀沙河和怀九河,下游为潮白河支流怀河。水库流域属大陆性季风气候,汛期(6—9月)雨量约占全年降水量的85%,降雨常集中在7月下旬和8月上旬,为暴雨多发区,且山高坡陡,源短流急,极易形成洪涝灾害。流域内设有库区、口头、沙峪、前辛庄、黄坎、黄花城、大庄科7个雨量遥测站[2]。怀柔水库流域及雨量站分布见图1。流域多年平均降雨量为605.0mm,年最大降雨量为1118.2mm(1969年),年最小降雨量为343.0mm(1962年)[3]。历史洪水统计情况见表1。水库自建成以来,充分发挥了调蓄、防洪、供水的功能,在向城区输供水、向密云水库调水、抵御洪涝灾害、保护水土资源和改善生态环境方面发挥了巨大作用[4]。

图1 怀柔水库流域及雨量站分布

表1 历史洪水统计情况

续表

1.2 京密引水渠工程概况

京密引水渠工程始建于1960年10月,1966年5月全线通水,全长105.059km,自密云水库白河电站下游调节池末端的龚庄子进水闸引水,入怀柔水库调蓄,通过京密引水渠下段输水至团城湖枢纽(简称“正向供水”),为各用水户供水。引水渠纵跨密云、怀柔、顺义、昌平、海淀5个区,沿线有各类建筑物,包括进水闸、倒虹吸、节制闸、泄洪闸、山洪桥、过渠涵洞等250余座[5]。京密引水渠正向供水平面布置见图2。

图2 京密引水渠正向供水平面布置示意图

1.3 密云水库调蓄工程概况

密云水库调蓄工程由团城湖取水,通过73km京密引水渠反向输水,分别经屯佃泵站、前柳林泵站、埝头泵站、兴寿泵站、李史山泵站和西台上泵站提升输水至怀柔水库,输水流量为20m3/s。经怀柔水库调节部分水量回补水源地,另一部分水量通过郭家坞泵站提升,经8km京密引水渠反向输水至北台上倒虹吸处,再经雁栖泵站加压,由京密引水渠一侧新建22km直径2.60m的PCCP输水管道入密云水库调节池,再由溪翁庄泵站加压后,通过白河发电隧洞将水加压送至密云水库,输水流量为10m3/s。南水北调来水调入密云水库调蓄工程(简称“反向调水”)平面布置见图3[6]。

图3 南水北调来水调入密云水库调蓄工程总体布置图

2 汛情概述

2.1 降雨情况

2021年汛期,受副热带高压中高纬度西风带环流影响,华北地区多对流性天气,导致北京降雨量较常年明显偏多。降雨主要集中在北部山区,6月22—25日,怀柔水库流域出现入汛以来第一场强降雨,降雨量55.9mm,随后流域出现连续强降雨过程。降雨主要集中在6月22日至8月23日和9月4日至9月26日,打破了北方地区“七下八上”的雨带规律。总体特点概括为:降雨总量大、降雨场次多、极端天气发生次数多、局地雨强大。

2.1.1 降雨总量大,降雨范围广

2021年汛期,怀柔水库流域累计降雨量931.7mm,较常年同期(1958—2020年)501.3mm偏多86%,较2020年同期偏多114%。流域内7个雨量遥测站中有5个降雨量超过900.0mm,单站最大降雨量达1012.9mm(黄坎站)。怀柔水库流域2021年汛期降雨情况见图4。

图4 怀柔水库流域2021年汛期降雨情况

2.1.2 降雨场次多,持续时间长

2021年汛期,怀柔水库流域共发生24场降雨过程,场次降雨量大于50.0mm的有7场,大于100.0mm的有3场。各场降雨过程持续天数为2～6天,总降雨天数多达62天。流域平均最大1天(7月12日)降雨量为93.3mm,最大3天(7月11—13日)降雨量为154.7mm。最大雨强发生在8月13日,怀柔区局地强降雨,前辛庄站小时(22—23时)降雨112.9mm。

2.2 入库洪水

“7·12”降雨从7月11日20∶30开始至7月14日5∶00结束,怀柔水库流域平均降雨量154.7mm,最大降雨强度39.0mm/h;继“7·12”降雨结束1天后,怀柔水库流域再次出现持续性强降雨,流域平均降雨量129.8mm,最大降雨强度44.0mm/h。

由于降雨过程间隔时间短,相邻2场洪水出现了叠加效应[7]。发生于7月11—13日的“7·12洪水”,入库断面最大洪峰流量205.2m3/s。16日19∶00入库断面流量减至9.0m3/s,此后流域逐渐出现持续性强降雨,“7·18”洪水开始入库,2场洪水形成相互叠加,入库流量不再衰减,并开始逐步增大,18日11∶50出现最大洪峰流量296.0m3/s,为1999年以来最大洪峰流量。降雨-入库洪水、出库洪水过程线见图5,库水位过程线见图6。

图5 2021年“7·12”“7·18”降雨-入库洪水、出库洪水过程线

图6 2021年“7·12”“7·18”库水位过程线

3 探索洪水调度新模式

由于北京地区普降暴雨,多地洪水频发,降低了各泄洪通道的承受能力。怀柔水库管理部门以将洪水资源化为原则,探索多渠道、多路径调度洪水的新模式,落实藏水于地的战略目标,扩大回补地下水范围,改善水生态环境,最大限度地提高水资源利用率[8-10]。在2021年汛期实践中,累计入库水量2.33亿m3,其中调蓄工程南水入库0.31亿m3,拦蓄雨洪1.41亿m3,承担密云水库分洪0.61亿m3;累计出库2.05亿m3,其中西溢洪道向怀河分洪0.81亿m3,峰山口向京密引水渠分洪0.65亿m3,调蓄工程郭家坞泵站向雁栖河分洪0.59亿m3。

3.1 停止南水调入怀柔水库

调蓄工程在汛期持续运行,怀柔水库维持高水位,调蓄空间减小。为缓解防洪压力,在遇强降雨之前,水库管理部门及时与相关单位协调沟通,停止调蓄工程屯佃泵站—西台上泵站运行,即停止南水调入怀柔水库,并继续通过郭家坞泵站调水出库(反向调水),利用京密引水渠上段雁栖泄洪闸向雁栖河分水,降低库水位,为拦蓄雨洪腾出库容。

3.2 利用水库泄洪建筑物分洪

东、西溢洪道是水库主要的泄洪通道,可将拦蓄雨洪泄入怀河,在顺义区史家口汇入潮白河。泄洪时考虑入库洪水量级大小以及尽量减小泄洪对下游的影响,确定启用溢洪道的顺序和数量。由于从东溢洪道泄洪,下游需要封两条公路,从西溢洪道泄洪,下游封一条公路,因此当下泄流量小于100.0m3/s时,优先启动西溢洪道。

根据气象预报和洪水预报预测上游来水情况,及时启动西溢洪道分洪。当下泄流量大于15.0m3/s时,下游南华大街漫水桥开始过水,需采取封路措施。该路段为怀柔城区进出城的主要通道之一,对市民的出行影响较大。经积极与属地政府沟通协调,控制最大下泄流量92.0m3/s,为1998年以来之最。为快速降低库水位,在确保水库工程安全的前提下,采取小流量泄洪,减小对市民出行的影响。

3.3 启动峰山口输水闸预泄

“7·12”强降雨后,土壤趋于饱和,根据气象预报等相关资料分析研判,再次遭遇强降雨,极有可能发生大洪水。为保障工程运行安全,需要在“7·18”降雨之前采取预泄措施。经多次调度会商,提出在维持西溢洪道、雁栖泄洪闸分洪的同时,通过峰山口输水闸向京密引水渠下段正向输水,利用沿渠小中河、秦屯、东崔村、兴寿、东沙河、土城、柳林、安河闸等泄洪闸向各河道分洪,降低水库水位。经峰山口输水闸最大出库流量43.8m3/s,腾出库容,为水库分洪提供新通道,缓解防洪压力。这一分洪模式的成功应用,为后汛期分担密云水库入库洪水进行河道生态补水积累了重要实战经验。

4 结 语

2021年汛期,怀柔水库流域降雨范围广、场次多、持续时间长、总量大,为建库以来之最。水库管理部门积极践行预报、预警、预案、预演的“四预”措施,成功应对了“7·12”“7·18”暴雨洪水。通过探索洪水调度新模式,将怀柔水库、京密引水渠、调蓄工程作为一个整体统筹调度,采取供水与防洪相结合、正向调度与反向调度相结合、多渠道多路径小流量分洪的方式,减轻了下游行洪河道压力,增加了蓄水河道长度,回补了地下水,改善了生态水环境,落实了藏水于地的理念,起到了兴水利除水害的作用,提高了水资源利用率,充分发挥了水利工程效益。

建议充分发挥京密引水渠2000年前农业灌溉分水功能,结合历史及现状情况,深度调研引渠沿线可利用分水口和下游河道连通情况,利用工程措施,将各条沟渠与河道有序恢复连通。科学利用雨洪资源,扩大生态补水范围,增加有水河道,惠及周边群众,努力构建人水和谐景观。■