密云水库与怀柔水库洪水防控综合治理研究

2022-11-03朱潇遥张彦宁马文辉

河南科技 2022年19期

朱潇遥张彦宁马文辉

（1.北京市京密引水管理处，北京 101400；2.北京市密云水库管理处，北京 101500）

0 引言

洪涝灾害是危及人民的生命财产安全，影响国家长治久安的重大自然灾害。洪水防治一直以来都是国家和人们关注的重点工作。1997年我国通过了《中华人民共和国防洪法》，并于2009年和2016年结合实际情况进行了修正，为我国的洪水防治工作提供了依据和指导方向。水利工程包括修建水库、塘坝、截流沟等工程，其目的在于防止水土流失、坡地洪水暴发等危险的发生，也是防洪除涝的大型基础设施。水库作为重要的水利工程建筑物，具有拦洪蓄水、调节水流等功能，在除害兴利中发挥着重要作用。北京是我国的首都，人多水少，水资源匮乏情况严重，如何合理运用地区水库是目前需要解决的关键问题［1］。由于水库首先需要保障防洪安全，还要兼顾水资源合理利用和市区供水灌溉，这进一步增加了水库合理运用的难度。密云水库和怀柔水库是北京地区重要的防洪和供水设施。密云水库和怀柔水库不仅是北京地区重要的防洪屏障，还是北京市区饮用水供应、农田灌溉的重要保障，其中怀柔水库的主要功能是输配水，是密云水库南水北调工程中的重要调节点。由此可见，密云水库和怀柔水库之间存在紧密的联系。许多专家和学者研究了密云水库和怀柔水库洪水防控治理问题，黄俊雄等［2］根据1960—2016年密云水库来水量，评估了土地利用和气候环境变化对密云水库来水量变化的影响程度。罗阳春等［3］根据密云水库历年高水位期间监测资料，分析了水库高水位运行潜在安全风险。王泽勇等［4］根据以往数据分析了气候变化和人类活动对北京密云水库上游流域径流变化的影响，并研究了潮白河生态补水对密云水库工程、河道堤防以及防洪方面的影响［5］。杨秀芳［6］通过分析1959—2018年暴雨洪水资料，总结了怀柔水库流域暴雨洪水特征。周宁等［7］根据防洪标准和历史洪水信息，提出了怀柔水库洪水防御对策，包括洪水监测预报、防洪工程调度、防洪抢险技术支撑等。从上述分析可以看出，许多专家和学者从不同角度分析了密云水库和怀柔水库洪水防控、调度等问题，取得了许多有价值的成果。然而，大多数研究仅从单一水库角度研究，很少考虑这两个水库之间的联系，一些研究指出水库群随机优化调度［8］、联合调度［9］、综合治理［10］等是防洪减灾、水资源高效利用的重要方法。提高密云水库和怀柔水库洪水防控综合治理能力是解决北京地区防洪供水难题的重要途径。因此，本研究通过对比密云水库和怀柔水库洪水防控情况，分析两者之间存在的联系和问题，基于此提出实现密云水库和怀柔水库洪水防控综合治理的措施和办法，为北京地区水库综合运用和防洪兴利提供参考。

1 密云水库与怀柔水库洪水防控综合分析

1.1 密云水库与怀柔水库基本概况

密云水库坐落在燕山南麓密云区，距北京市区中心约90 km，建成于1960年，水库控制流域面积15 788 km2，为华北地区最大的水库。水库工程按千年一遇洪水设计，万年一遇洪水校核，坝顶高程160.0 m，设计水位157.5 m，校核水位158.5 m，正常蓄水位157.5 m，汛期限制水位152.0 m，死水位126.0 m。水库总库容43.75亿m3，其中防洪库容9.27亿m3，调洪库容11.08亿m3，兴利库容35.45亿m3，死库容4.19亿m3。主要建筑物包括7座大坝、7条隧洞、3座溢洪道、1座电站和1座调节池。

怀柔水库位于北京市怀柔区城西，始建于1958年，经多次改扩建，为大Ⅱ型水库，具有防洪、蓄水、供水等综合效益。怀柔水库控制流域面积525 km2，防洪标准按100年一遇洪水设计，2 000年一遇洪水校核，设计洪水位64.16 m，校核洪水位67.73 m，正常蓄水位62.0 m，汛期限制水位58.0 m，死水位126.0 m。总库容1.44亿m3，其中防洪库容1.05亿m3，兴利库容0.65亿m3，死库容0.085亿m3。怀柔水库水利枢纽主要包括1座主坝、4座副坝、1座进水闸、1座输水闸、1座输水隧洞、1座防洪闸、2座溢洪道和1座非常溢洪道。

从密云水库和怀柔水库基本情况可以看出，在地理位置方面，密云水库在怀柔水库东北边，均属于潮白河水系。在水库规模方面，密云水库容量远远大于怀柔水库，前者作用和功能在北京市防洪兴利上具有主导地位。为了解决北京市供水问题，密云水库和怀柔水库之间由京密引水渠相连，由此水渠将密云水库的水经怀柔水库以及其他水库引入北京市。由此可见，在防洪兴利方面密云水库和怀柔水库之间存在紧密联系。

1.2 密云水库与怀柔水库历史洪水综合分析

密云水库与怀柔水库同属于潮白河水系，洪水形成主要由暴雨引起。通过对以往年份暴雨和洪水资料分析，密云水库和怀柔水库暴雨洪水主要呈以下4个特征［6］。第一，不同年份暴雨变化大，暴雨分布不均匀，主要汛期集中在每年的6—9月。第二，暴雨空间分布不均匀，暴雨中心位置对洪水形成影响较大，当降雨量小于100 mm时，暴雨中心偏中下游，当降雨量大于100 mm时，暴雨中心偏中上游。第三，暴雨持续时间短，相应的洪水历时短，整个持续过程大于2～3 d。第四，洪水大多发生在7—8月，不同年份洪峰流量相差较大。

为了探索密云水库和怀柔水库，分别收集了两个水库历年洪峰出现时间、入库洪峰流量以及洪量，密云水库历年洪水情况如表1所示，怀柔水库历年洪水情况如表2所示。

表1 密云水库历年洪水情况表

将表1和表2中的数据相结合可以看出，密云水库和怀柔水库洪水发生时期大多集中在7—8月，由于两个水库规模和水容量具有较大差别，入库洪峰和洪量从数值上难以进行有效综合分析，但是可以对两个水库相同年份洪水发生时间进行统计和综合分析，统计图如图1所示。

表2 怀柔水库历年洪水情况

从图1可以看出，密云水库和怀柔水库洪水发生时间轨迹非常相近，其中1964年、1969年、1973年、1974年密云水库和怀柔水库洪峰出现时间差完全一致，其他年份洪峰出现时间差也相差不大，这表明两个水库受到暴雨洪水及其影响相似，防洪时间节点一致。因此，在制定供水防控方案时，可以考虑密云水库和怀柔水库共同防御洪涝灾害，制定统一的洪水防控策略。

图1 密云水库和怀柔水库洪水发生时间趋势

1.3 密云水库与怀柔水库洪水调度方案综合分析

密云水库洪水调度方案主要包括洪水控制指标、调度运用计划、洪水预报调度安排、调度权限以及调度工作程序等。根据降雨量统计分析，密云水库汛期限制指标分为两个部分，6月1日—8月10日限制水位152 m，8月11日—9月30日限制水位154 m。按照这种汛期时间划分，制定相应的正常调度规则和错峰调度规程。在洪水预报方面，根据流域实际雨量和气象情况，按短期（12～24 h）、中期（1～7 d）、长期（7～15 d）三种方式预报场次降雨洪峰流量及峰现时间、入库洪量、水库最高水位及出现时间。在安全监测方面，按《密云水库水利工程运行管理标准化运行手册》《密云水库水利工程运行管理标准化制度手册》中相关制度做好大坝监测工作。在雨水监测方面，设有40个遥测雨量站，另有12个水文站。洪水预报采用自主研发密云水库洪水预报调度系统，通过自动化系统洪水预报、人工预报、实际来水进行比测。

怀柔水库洪水调度方案主要包括洪水调度、防御措施、调度权限以及工作机制等。在供水调度和防御措施方面，按标准内洪水和超标准洪水制定了相应的泄洪途径和最大泄洪量，例如遇10年一遇以下洪水（入库洪峰流量≤2 440 m3/s或3 d洪量≤0.548亿m3时），结合天气预报及洪水预报结果，控制最大下泄流量320 m3/s，遇100年一遇以上2 000年一遇以下洪水（5 059 m3/s＜前辛庄和口头水文站入库流量之和≤8 543 m3/s或1.140亿m3＜3 d洪量≤1.974亿m3时），结合天气预报及洪水预报结果，东、西溢洪道敞泄，最大下泄流量3 036 m3/s。在制定防御措施时，根据库区内和下游行洪存在淹没风险评估统计，制定人员转移避险方案。同时，通过人体感官、锤、钎等常规检查方法，必要时采用开挖探坑（或槽）、探井等特殊检查方法，对坝体、坝基和坝区、输水隧洞、溢洪道、近坝岸坡等重要部位进行巡查。

从以上密云水库和怀柔水库洪水调度方案内容可以看出，密云水库和怀柔水库洪水调度方案主要按照国家和地方标准，结合水库自身情况，制定符合水库安全的防洪措施。虽然这种水库防洪措施能基本满足水库要求，但是洪水治理是一项系统工程，在潮白河水系中每一个水库并不是孤立存在的，都是供水治理系统的组成部分。密云水库和怀柔水库是该系统中重要组成部分，它们之间存在非常紧密的联系，由于密云水库和怀柔水库洪水调度措施相对独立，尚未形成统一的防御策略制定机制，在一定程度上造成了洪水防控资源浪费。

2 密云水库与怀柔水库洪水防控综合治理措施

通过对密云水库和怀柔水库洪水防控综合分析可知，密云水库和怀柔水库在防洪兴利方面具有紧密联系，两个水库同属于潮白河水系，汛期洪峰到来时间相差不大，但是两个水库洪水防控方案相对独立，在洪水防御策略上并没有形成一个统一的整体。为了有效使用洪水防控资源，使密云水库和怀柔水库形成一个洪水联合防控系统，进一步降低洪涝灾害的影响，提出以下洪水防控综合治理措施。

2.1 建立密云水库与怀柔水库防洪联合调度机制

水库群防洪联合调度是对流域内水文、地理相互联系的水库进行统一协同调度，使流域内洪水防治效果最大化。水库群作为一个系统整体，在防洪效果上并不是简单的相加，通过合理的调度分配实现“1+1＞2”的效果。密云水库和怀柔水库同属潮白河水系，根据其地理位置，可组成并联水库群。首先根据密云水库和怀柔水库的基本情况，构建相应的联合调度模型，基于此，结合天气预报对两水库的运行统计协调和安排。在暴雨洪水到来时，通过调度模型综合运算，制定一系列蓄洪滞洪、错峰削峰等措施，优化水库最大泄量和泄洪时间，达到水库及区间防洪安全的目的，充分发挥密云水库和怀柔水库的防洪综合作用。

2.2 提高密云水库与怀柔水库洪水实时预报精度

洪水实时预报精度直接影响水库防洪调度的有效性和安全性。实时校正是洪水预报的重要组成部分，也是提高预报精度的重要手段。在密云水库与怀柔水库洪水实时预报中，可以采用多种不同方法提高预报精度，例如计量经济学中的协整理论和误差修正模型［11］，将卡尔曼滤波和K最邻近结点算法的联合实时校正［12］，或将机器学习技术运用到洪水实时预报中提高预报精度［13］。

2.3 拓宽密云水库和怀柔水库防洪信息传递渠道

气象、水文、地理、防洪等信息的快速准确传递是实现水库群防洪联合调度的重要保障。密云水库和怀柔水库在防洪方面具有独立的信息收集渠道，例如密云水库设有40个遥测雨量站，另有12个水文站收集各类信息，怀柔水库则是通过公共气象部门收集信息。由于暴雨洪水变化快，各类信息收集存在时间差，在防洪实际过程中会造成密云水库和怀柔水库洪水防控信息不对称。为了更有效地实现密云水库和怀柔水库防洪联合调度，可以运用更多先进的计算机网络技术，拓宽他们之间防洪信息传递渠道，使得密云水库和怀柔水库之间的联合优化调度变得越来越“智慧”。