汉江流域洪水资源利用约束机制及调控模式研究

邹振华 郭含 尹志

摘要：

以强化汉江流域洪水资源调控能力，提高流域水资源综合利用效益为目标，研究梳理了洪水资源利用的科学概念、内涵及其调控模式；针对汉江流域雨洪特性及水工程运行实践，系统识别了流域洪水资源利用的防洪安全约束及河道内需水保障约束，并构建了基于预报预泄的汛期运行水位动态调控模式，针对丰、平、枯等不同频率典型洪水开展洪水资源利用效益评价。结果表明：安康、潘口和丹江口水库汛期运行水位分别按2，3 m和1.5 m上浮控制运行时，针对各频率典型洪水，可在有效控制域内平均新增供水量2.7亿 m3，新增发电量3.87亿kW·h，减少弃水量21.1亿m3。研究成果对夯实流域洪水资源利用的基础理论及实践应用具有重要作用。

关 键 词：

洪水资源； 约束机制； 调控模式； 汉江流域

中图法分类号： TV213.4

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.07.002

0 引 言

洪水资源是流域水资源的一种特殊形式，是地表水资源量的重要组成部分［1］。在气候变化及社会经济快速发展驱动下，中国社会用水需求不断增加。且受地域水资源时空分布不均影响，水资源短缺及供需矛盾事态正日益严峻。在此背景下作为缓解当前水资源短缺的一个重要途径，流域洪水资源利用在水资源开发利用和时空重分配中占有极其重要的地位。

为有效提高水资源利用率、强化节约集约利用，近年来国内外洪水资源利用研究及实践正广泛开展且不断深入。如胡庆芳等［2-3］立足水工程调控能力和河道内生态环境需水等约束，提出了流域洪水资源利用评价模式及测评方法；王宗志等［4］进一步深入理论解析，建立了流域洪水资源利用的概念性模型，辨析了洪水资源评价的若干概念及其相关关系；胡向阳等［5］则从实际洪水利用模式出发，提出了中小洪水资源利用的效益风险评价体系，构建了洪水资源利用的基本原则及调控模式；Wang等［6］綜合水库调节能力、生产生活需水及下游生态用水约束，提出了兼顾各约束的洪水潜力评价方法；Deng等［7］梳理了雨洪资源利用的概念性模型，提出了雨洪可利用性评价的一般性方法，并绘制了流域洪水资源可量性分布图；Hua等［8］进一步落脚水工程调控模式，基于容量约束预泄，提出考虑枯水期持续时间和洪水预报预见期的水库水位动态控制方法，在未增加防洪风险前提下有效利用洪水资源。可见，现阶段洪水资源利用模式主要以水工程为载体，以其运用方式为调控过程，有效实现洪水资源的疏导、积蓄及再利用。洪水资源利用的核心始终是如何在确保防洪、生态环境、生产生活等约束安全下，通过优化洪水调控模式，实现洪水资源的高效利用，这对于调节中国水资源的时空分布不均、合理配置水资源具有重要意义［9-10］。

汉江流域是中国重要的水源涵养区，也是南水北调中线工程的水源地［11］，水安全问题是保障南水北调中线工程高质量发展的关键，也是流域内外社会经济可持续发展的基础。但汉江流域水资源年内分配极不均匀，年际变化大且空间不均，外加近年上游来水趋势性偏枯，使得流域面临内外用水统筹难度加大、枯期水资源配置矛盾突出、水资源开发和保护协同共生困难等问题。同时汉江流域水工程建设正按规划趋于完备，不仅建有石泉、安康、潘口、黄龙滩、丹江口、三里坪、鸭河口等大中型水利枢纽，还实施有引汉济渭（在建）、南水北调中线、鄂北地区水资源配置及引江补汉（在建）等大型跨流域调水工程。汉江中下游沿线除杜家台蓄滞洪区和14处分蓄洪民垸外，还配套建设有王甫洲、新集（在建）、崔家营、雅口、碾盘山（在建）、兴隆等梯级枢纽。众多水工程建设使得汉江流域正面临更加复杂的水资源变化情势。研究该流域洪水资源利用问题，探索安全有效的洪水资源利用模式，对于协调好防洪与兴利矛盾、优化好水资源统一配置，提高水资源综合利用效益十分重要。

在此背景下，本文以持续提高汉江流域洪水资源利用能力为目标，在系统梳理洪水资源利用相关概念及调控模式的基础上，立足汉江流域雨洪特性及水工程建设实践，解析流域现状洪水资源安全利用的有关约束条件，并以此构建基于预报预泄的汛期运行水位多方案动态调控模式，比较评价各调控模式下系统供水量及发电量增益，以期深化流域洪水资源利用实践，为提高流域水资源综合利用效率提供技术支撑。

1 汉江流域基本情况

1.1 区域水系

汉江又称汉水，是长江中游最大支流，发源于陕西省境内秦岭南麓，全长1 577 km，流经陕西、湖北两省，于武汉市汉口龙王庙处汇入长江，流域面积约15.9万km2。汉江流域整体地势西高东低，西部为中低山区，东部为丘陵平原。汉江干流丹江口水库以上为上游，河长925 km，流域面积9.52万km2，地势起伏较大，南、北分别是大巴山和秦岭山地，中间为汉水谷地；丹江口水库至钟祥段为中游，河长270 km，流域面积4.68万km2，地势相对平坦，南、北分别为武当山和伏牛山，中间是南阳盆地；钟祥以下为下游，河长382 km，流域面积1.70万km2，地势平坦，属江汉平原［12］。

汉江流域水系发育呈叶脉状，支流一般短小，左右岸支流不平衡。流域内集水面积大于1 000 km2的一级支流有21条，其中面积超过1万km2的有堵河、丹江、唐白河。根据流域地形、水系特点及区域水资源综合利用情况，将流域划分为丹江口水库以上、唐白河及丹江口水库以下干流3个水资源分区［13］。汉江流域地理分区及水系分布见图1。

1.2 雨洪特性

汉江流域地处亚热带季风气候区，温和湿润，年均降水量894 mm（1956～2016年），水量较充沛。但降水年内分配不均，主要集中在汛期5～9月，且降水空间分布差异较大，呈南岸大于北岸，上、下游大，中游小的空间分布格局［12］。经长历时暴雨资料统计，流域暴雨多发生在6～10月，具有前后期暴雨显著特点。夏季暴雨主要发生于陕西省白河县以下的堵河、南河和唐白河；秋季暴雨多发生在白河县以上的米仓山、大巴山一带。近年来流域西南部汉中、安康、神农架及汉江下游天门、仙桃等地降水呈现不同程度上升变化趋势［13］。

汉江径流由降水补给，洪水由暴雨产生，水量丰沛。径流年内分配与降水相应，主要集中于5～10月，占全年的75%～80%，常表现为汛期径流量大而集中、非汛期径流量少而不稳等特性［14］。汉江流域主汛期6～10月，有较明显的夏秋洪水分期特征。其中6月20日至8月20日间的洪水为夏季洪水，往往是全流域洪水；8月20日至10月15日间的洪水为秋季洪水，多来自上游地区。

1.3 水利工程

汉江流域已初步形成以大、中、小型水库调蓄和引提水工程为主体，跨流域引水为补充的水资源利用体系。流域内已建各类水库2 987座、塘堰2.91万处，总库容约559亿m3；已建引提水工程2.36万处，引水规模达2 515 m3/s［15］。汉江干流建设有黄金峡（在建）-石泉-喜河-安康-旬阳（在建）-蜀河-白河（在建）-孤山（在建）-丹江口-王甫洲-新集（在建）-崔家营-雅口（在建）-碾盘山（在建）-兴隆等15级枢纽，实施有引江济汉、引乾济石、引汉济渭（在建）、南水北调中线、鄂北地区水资源配置及引江补汉（在建）等跨流域调水工程。流域内总库容在10亿m3以上的水库有丹江口、安康、黄龙滩、潘口、鸭河口等5座水库，对汉江径流的年内分配和洪水产生较大的影响［16］。汉江流域主要水利工程概化布置见图2。

2 洪水资源利用概念及模式

2.1 洪水资源利用概念

洪水的突出特征是资源和灾害两重性。洪水一方面是可供生产、生活所用的水资源，另一方面因集中性强而具有极强破坏性。学界普遍认为洪水资源利用一般是采取以“空间”换“时间”的做法，通过调控、疏导或回补工程将洪水存蓄或引导输送至其他流域，降低洪水灾害属性，提升其资源利用属性的过程。故可将流域洪水资源利用定义为：依托各类水利工程和洪水管理措施，在保障防洪安全、河流健康和适度承担风险的前提下，对洪水期河道内集中性径流采取调控、疏导和回补等措施，使之转化为适宜利用的經济社会和生态环境用水的过程［17］。

洪水资源利用包括两方面内涵：① 明确流域洪水资源利用的约束机制，即以保障流域防洪安全与河流健康运行为前提，受流域洪水调控能力限制。其中防洪安全是洪水资源利用的基本前提，是资源利用的安全上限和基本保障；河流健康运行则强调了资源利用的可持续性，以维护好河道生态环境及生产系统健康为下限约束。② 界定雨洪资源利用方式及方向，即依托现有工程及管理措施，通过优化水工程运用或涉水工程布局，提高流域洪水调控能力及利用水平。上述洪水资源利用定义点明了洪水资源利用对象、约束条件，也明确了利用的主要途径和目标。

2.2 洪水资源利用模式

2.2.1 洪水资源利用模式定义

洪水资源利用高度依赖各类水利工程设施运用。流域水利工程，特别是具有调节能力的控制性、枢纽性工程是洪水资源利用的基本物质基础。根据流域防洪系统的组成要素（水库、河道、蓄滞洪区等），当前洪水资源利用模式可描述为：在保障流域防洪安全与河流健康前提下，以大型水库为主体的洪水调控系统，以控制性枢纽、堤防、蓄滞洪区为主体的洪水蓄滞系统，以河道、湿地、湖泊为主体的河网化分泄系统，共同组成流域“点-线-面”洪水资源利用模式［3，9］。洪水资源利用的一般模式见图3。

洪水资源利用模式的“点”指水库调控系统，技术手段包括水库汛限水位分期或运行水位动态控制等；“线”指河网河渠涵闸互济调蓄系统，技术手段包括河系连通补偿优化调控、水工程联合调度等；“面”指蓄滞洪区、湖泊和湿地控滞系统，技术手段包括蓄滞洪区分区分类运用、河湖湿地疏导和引调等。通过各单项调控措施组合及优化，对洪水的流域储水空间进行协调统筹安排，达到充分合理利用洪水的目的。

2.2.2 洪水资源利用模式构建

洪水资源利用模式常以风险效益进行综合评判。一般认为洪水利用所产生的效益越高，且风险越低，则该洪水资源利用模式越优。可采用式（1）概念性模型原理［7］进行表示：

maxXΔW=f（x）-f（x0）=W-W0

maxXΔR=r（x）-r（x0）=R-R0

s.t. O≤O， O≥O—（1）

式中：O为保障流域防洪安全所允许的最大泄流；O—为河流健康及其他基本用水需求保障的最小安全泄量；f（x）为调控能力x对应的系统资源利用量；r（x）为调控能力x对应的水安全风险；ΔW为水系统洪水资源利用变化量；ΔR为洪水利用的风险变化量。

式（1）清晰地描述了洪水资源利用的直接目的、实现手段及约束条件，即在满足流域防洪安全及河流健康条件下，通过提高洪水资源调控能力，实现最大化附加效益且最小化附加风险。因此，洪水资源利用评价是效益与风险博弈的过程，也是洪水资源利用方式的优选过程。

汉江中下游干流河道泄流能力沿程减小，洪水来量大和泄流能力不足的矛盾十分突出。流域洪水资源利用的核心主要以安康、潘口、丹江口等大型水库为核心的“点”工程利用模式，通过汛限水位分期或运行水位动态控制技术实现。

基于汉江流域近年洪水资源利用实践，本次研究拟构建基于预报预泄法的汛期运行水位动态控制利用模式，核心是采用自适应分级预泄法确定水库汛期运行水位上浮控制域。基本思路是：根据有效预见期和下游防洪安全组合流量中允许的水库最大下泄流量，确定水库汛期水位动态控制域。在有效预见期内根据泄流能力大小将运行水位上浮运行实现洪水资源利用。当预报有洪水发生时，根据水库实时水位状态自适应推求下泄流量，确保在大洪水来临时将库水位预泄至汛限水位，以满足防洪要求。与传统方法相比，其创新性在于克服了传统约束法在预泄时一直按下游允许泄量下泄导致水库水位削落过快、洪水过后水库回蓄困难等问题，具有可操作性强等优势。涉及的影响因素包括库区水雨情，入库洪水预报和预见期，水库泄流能力，以及下游河道防洪、生态等水安全约束等［18-19］。水库运行水位上浮控制域基本方程可描述为

zlmax=zlmin+Δz

Δz=f［（qmax-Qin）×T］

（2）

式中：Zlmax为汛期水位上浮控制域值；Zlmin为下限值；T为有效预见期；qmax为下游防洪点安全泄流约束；Qin为Δt内考虑预报误差的平均入库流量；f［］为水位库容关系函数。

3 汉江洪水资源安全利用约束

3.1 河段防洪安全约束

汉江流域防洪风险主要聚焦在汉江中下游流域。近年来按照“上蓄下疏、蓄泄兼筹、适当扩大中下游泄量”的防洪治理原则，汉江中下游已基本形成以堤防为基础，丹江口水库为骨干，支流潘口、三里坪、鸭河口等水库拦蓄和杜家台分洪、东荆河分流配合，中游民垸分蓄洪、河道整治相配套，结合防洪非工程措施组成的综合防洪体系［15］。

丹江口水利枢纽是汉江中下游防洪系统的主体，除自身防洪安全约束外，还承担着以碾盘山为控制點的分级控泄约束。不同来水条件下汉江中下游防洪控制河段允许安全泄量约束见表1，丹江口水利枢纽主要特征参数见表2。碾盘山至皇庄河段允许最大泄量为30 000 m3/s，沙洋至新沟河段允许最大泄量为19 400 m3/s。由于汉江干流越往下游河道越窄，故安全泄量越小。

3.2 河道内需水保障约束

（1） 生态环境基流。

生态基流是指维持河床基本形态，保障河道输水能力，保持水体一定自净能力的最小流量，是洪水资源利用的下限约束。采用Qp法、Tennant 法等［20］水文学法中常用的代表方法，根据1956～2021年水文系列计算各主要控制断面生态流量，并与已批复生态流量保障目标相协调［21］，计算成果见表3。其中黄家港、皇庄断面生态基流分别为174 m3/s和200 m3/s，约占其断面年均流量的14.7%和12.7%。

（2） 航运用水基流。

航运需水为河道内基本用水，不消耗水量，但需根据航道条件保持一定流量，以维持必要的航深和航宽，通常以最低通航水深90%～95%保证率对应的流量作为航运用水基流，其中黄家港、皇庄断面航运基流分别为490 m3/s和500 m3/s，约占其断面年均流量的41.5%和31.8%。

（3） 最小下泄流量。

最小下泄流量是指在维持河床生态环境基流基础上，综合考虑断面下游区间生产生活和航运的用水要求而综合确定的断面最小下泄流量。参考已批复水量分配方案成果［22］，汉江流域主要控制断面最小下泄流量见表3。显然，最小下泄水量为流域洪水资源利用过程中需在河道内蓄存的最小水量。

4 汉江洪水资源利用调控模式解析

4.1 洪水调控模式构建

根据汉江流域防洪体系建设，选取汉江上游调节能力较强的安康、潘口、丹江口等水利枢纽为研究对象，构建基于预报预泄法的汛期运行水位动态控制利用模式。并综合选取1983，2010，2007，2015，2016等典型年汛期5～10月洪水过程，分别代表特丰、丰、平、枯、特枯等不同量级水文条件开展模式评价研究。不同量级代表年如表4所列。

预报预泄法首先根据预报精度及预见期、河道安全泄量、水库防洪安全约束，推求汛期运行水位最大上浮控制域，即安康、潘口及丹江口水库汛期水位上浮控制域分别为2，3 m和1.5 m。

以各水库控制域为基础制定动态上浮策略。其中安康、潘口水库上浮水位按控制域50%，100%设定，丹江口水库按50%，80%，100%设定。考虑不同上浮水位组合，拟定13种水库群汛期动态调控模式，如表5所列。其中模式1为常规调度方式，模式2～13为预报预泄方式，即安康、潘口水库汛期水位运行范围分别为325.00～327.00 m和347.60～350.60 m，丹江口水库夏、秋汛期水位运行范围分别为160.00～161.50 m和163.50～165.00 m。各水库预报预见期均为3 d。

4.2 洪水资源利用评价

根据不同洪水资源利用调控方案，对各典型年汛期5～10月洪水过程进行水库群联合调节，得到各方案综合效益对比成果，如表6所列。由表可知，在各典型年平均条件下，各模式综合拦蓄洪量39.0～39.8亿m3，供水量49.8～52.5亿m3，发电量56.4～60.2亿kW·h，弃水量280.4～301.5亿m3。相比常规模式（模式1），模式7的综合效益最好。在安康、潘口和丹江口水库汛期水位均按2，3 m和1.5 m上浮控制运行时，各典型年平均可新增供水量2.7亿m3，增益5.42%；新增发电量3.87亿kW·h，增益6.86%；减少弃水量21.1亿m3，增益7.00%（见图4），洪水资源利用效益显著。

5 结 论

本文系统梳理了洪水资源利用的相关概念及调控模式，解析了汉江流域洪水资源安全利用有关约束条件，构建并评价了汛期运行水位动态控制模式的效果增益，研究成果对夯实流域洪水资源利用的基础理论及实际应用具有重要作用。研究得出的主要结论如下：

（1） 洪水资源利用是依托各类水利工程和洪水管理措施，在保障防洪安全、河流健康的前提下，通过“点-线-面”洪水资源利用模式，对洪水期河道内集中性径流采取调控、疏导和回补等措施，使之转化为适宜利用的经济社会和生态环境用水过程。

（2） 本文系统识别了汉江流域洪水资源安全利用的防洪安全约束及河道内需水保障约束，构建了基于预报预泄法的汛期运行水位动态控制调控模式，针对各频率典型洪水，在有效控制域内可实现新增供水量2.7亿m3，新增发电量3.87亿kW·h，减少弃水量21.1亿m3。

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（编辑：谢玲娴）

Constraints mechanism of flood resources utilization and control modes in Hanjiang River basin

ZOU Zhenhua，GUO Han，YIN Zhi

（Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Middle Reaches of Changjiang River，Bureau of Hydrology of Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430014，China）

Abstract：

For strengthening and improving the control capability of flood resources in the Hanjiang River basin and increasing the benefits of comprehensive utilization of water resources，the scientific concept，connotation and regulation mode of flood resource utilization were studied.Aiming at the rain-flood characteristics in the Hanjiang River basin and the operation of water projects，we systematically identified the constraints of flood control and water demand in river channel during the flood resources utilization.Then a dynamic water level regulation model for flood season based on forecast and pre-discharge was constructed，and the benefit evaluation of flood resource utilization was performed for typical floods with different frequencies such as flood，normal and dry.It is found that when the operating water levels of the Ankang，Pankou and Danjiangkou reservoirs were raised by 2 m，3 m and 1.5 m respectively during the flood season，for typical floods of each frequency，an average of an additional water supply of 270 million m3 and an additional power generation of 387 million kW·h could be achieved，and 2.11 billion m3 abandoned water could be avoided，which gained 5.42%～7.00% more benefits compared with traditional operation scheme.The results play an important role in consolidating the basic theory and practical application of flood resource utilization in the Hanjiang River basin.

Key words：

flood resources；restraint mechanism；regulation mode；Hanjiang River basin