内河洪水对龙赛湖蓄滞洪区蓄洪容积影响特点的计算分析

何 小 花

（湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北 武汉 430064）

蓄滞洪区指包括分洪设施、退洪设施、堤防在内的用于临时贮存洪水或分泄洪峰的低洼地区及湖泊等，与堤防、水库等共同组成江河防洪工程体系［1］。我国主要江河的干支流都建设了蓄滞洪区，在抵御洪水灾害中发挥了巨大作用。例如1954年荆江分蓄洪区刚刚建成，就在防御1954长江流域性洪水中发挥关键作用；杜家台分蓄洪区建成后先后运用21 次，对保护汉江中下游和武汉市的防洪安全发挥了重大作用［2］。

蓄洪容积是蓄滞洪区能够蓄纳洪水的容积，是衡量蓄滞洪区分蓄洪能力的主要指标。蓄洪容积主要与蓄滞洪区地形和蓄洪水位有关，也受到蓄滞洪区内已蓄纳水量的影响：一方面，为了满足蓄滞洪区生产生活的需要，即使是在枯水期，蓄滞洪区内的湖泊也按照相应标准维持一定的蓄水位，与该蓄水位相应的蓄水量习称底水，通常不计算在蓄滞洪区的设计蓄洪容积中；另一方面，蓄滞洪区内除了湖泊，还有内河，如果内河发生洪水并与干流洪水遭遇，此时蓄滞洪区内的湖泊将首先调蓄内河洪水：当湖泊水位超过控制水位后，通过排水闸、泵站将内河洪水外排，超过排水设施排水能力的内河洪水就蓄纳在蓄滞洪区的湖泊、圩垸及洼地内，占用了蓄滞洪区的蓄洪容积，其蓄纳干流洪水的能力减小，极端情形下，调蓄内河洪水洪水后，蓄滞洪区的蓄洪容积所剩无几。例如2016年7月22日，老观湖蓄滞洪区被动蓄纳龙骨湖蓄滞洪区漫溢的洪水，蓄洪水位高于老观湖蓄滞洪区设计蓄洪水位28.0 m（冻吴高程）［3］，蓄洪容积全部蓄满。

由于蓄洪容积是制定蓄滞洪区调度预案、实时优化调度方案的重要依据，当前方兴未艾的水利数字孪生中，洪水实时演进以及防洪调度，更需要掌握蓄滞洪区有效容积精准的动态变化。因此考虑蓄滞洪区已蓄纳水量的影响，准确确定蓄滞洪区尚存蓄洪容积（又称有效蓄洪容积）的大小至关重要。《湖北省分蓄洪区图册》中指出，“老观湖分蓄洪民垸有效蓄洪容积0.765 6 亿m3（其中底水0.369 3 亿m3），龙赛湖分蓄洪民垸有效蓄洪容量1.71 亿m3（其中底水0.437 1 亿m3）”［4］，将常年蓄纳在蓄滞洪区内湖泊的水量作为底水加以反映；近期编制的《湖北省汉北河超标洪水防御预案》，将龙赛湖的控制水位作为计算底水的水位［5］，可计算得到底水水量。《湖北省富水流域蓄滞洪区建设与管理规划报告》中计算有效蓄洪容积时，采用蓄滞洪区内设计洪水过程确定内滞水位，将蓄洪容积扣除内滞水位相应的蓄水量后得到有效蓄洪容积［6］。

综上所述，蓄滞洪区规划建设、调度方案的制定已经开始考虑蓄滞洪区已蓄纳水量对蓄洪容积的影响，并针对底水、调蓄内河洪水等不同情形，提出了有效蓄洪容积的不同计算方法，但显然，由于水文过程的随机性，内河发生洪水的频率是变化的，采用设计洪水过程计算有效蓄洪容积，并不能准确反映干流洪水遭遇不同内河洪水时，蓄滞洪区实际的蓄洪能力；蓄滞洪区通常既有湖泊，也有圩垸和洼地，蓄滞洪区已蓄纳水量的计算方法可能不同，此外，内河洪水调度对有效容积的影响规律和程度目前也尚未见研究成果报道。

本文将选取汉北河龙赛湖这一包括湖泊、圩垸和洼地的蓄滞洪区为研究对象，计算分析内河发生不同频率洪水时，蓄滞洪区调蓄内河洪水占用湖泊、圩垸及洼地蓄洪容积的变化特点，调蓄内河洪水后蓄滞洪区有效蓄洪容积的变化规律及影响等，为蓄滞洪区调度方案的优化以及精准调度奠定基础，为河流防洪情势研判、防洪调度的数字孪生模块建设提供强有力支撑。

1 研究区域概况

1.1 龙赛湖蓄滞洪区基本情况

龙赛湖蓄滞洪区位于汉北河以北、大富水以西，地处应城市境内，为汉北河六个蓄滞洪区之一，是汉北河标准内洪水需要开启运用的蓄滞洪区［7］。蓄滞洪区南侧以汉北河左岸干堤为界，东侧以大富水右岸堤防为界，西侧与老观湖蓄滞洪区以隔堤为界，北侧为自然高地。区内的张万大坝将蓄滞洪区分为南北两片，北片为湖泊（含入湖支流），南片为圩垸及洼地，引水河东侧为龙湖垸，西侧为三台湖垸和渠边洼地。

龙赛湖蓄滞洪区设计蓄洪水位为25.87 m（冻吴高程为28.0 m），按照2022 年2 月份实测地形资料和龙赛湖湖泊水位22.24 m，计算得到设计蓄洪水位下龙赛湖蓄滞洪区总蓄洪容积为25 091.8 万m3。龙赛湖蓄滞洪区范围及水系分布示意图见图1。

图1 龙赛湖蓄滞洪区范围及水系分布图Fig.1 The scope and river system of Longsai Lake flood storage and detention area

1.2 龙赛湖蓄滞洪区调度方案

作为汉北河的蓄滞洪区，根据调度方案［8］，当汉北河发生20 年一遇及以上标准洪水，视新沟闸水位和上游洪水来源情况，当龙赛湖闸外水位达到29.5 m（冻吴高程）时，开启龙赛湖闸分蓄汉北河的洪水。

龙赛湖上游主要承接渔子河、毛家河等内河来水。因此，除了分蓄汉北河洪水，龙赛湖也调蓄内河洪水。当龙赛湖水位超过控制水位为22.67 m（冻吴高程24.8 m）后，开启赛湖闸泄水至引水河，通过龙赛湖排水闸或者龙湖泵站排至汉北河：当引水河水位高于汉北河水位时，下泄水量经龙赛湖排水闸排至汉北河；当引水河水位低于汉北河水位时，下泄水量经龙湖泵站提排至汉北河。

必须说明的是，当老观湖上游四龙河发生洪水，老观湖水位超过控制水位22.3 m（冻吴高程24.5 m）时，且汉北河水位低于老观湖水位时，开老观湖排水闸排至汉北河；当湖水位低于汉北河水位时，开启丁咀闸经灭螺河，进入龙赛湖引水河，由龙湖泵站提排至汉北河。

2 计算方法与计算条件

龙赛湖调蓄渔子河、毛家河等内河洪水时，除了赛湖闸下泄水量外，被蓄纳在龙赛湖内的水量将占用龙赛湖蓄洪容积；而龙赛湖、老观湖调蓄内河洪水下泄至引水河的水量，超过龙湖泵站或者龙赛湖排水闸排水能力的部分，将漫过引水河、灭螺河两岸堤防，进入龙湖垸、三台湖垸和渠边洼地，加上圩垸及洼地本地降雨产水，形成渍水，占用圩垸及洼地蓄洪容积。本节给出调蓄内河洪水占用龙赛湖、圩垸及洼地蓄洪容积值以及调蓄内河洪水后，龙赛湖蓄滞洪区可用于调蓄汉北河洪水的有效蓄洪容积的计算方法及计算条件。

2.1 计算方法

遭遇内河洪水后，蓄滞洪区可用于调蓄汉北河洪水的有效蓄洪容积按下式计算：

其中，设计蓄洪容积基于区内实测地形和蓄洪水位量算得到，调蓄内河洪水占用蓄滞洪区内湖泊、圩垸及洼地蓄洪容积值，由于湖泊、圩垸及洼地调蓄内河洪水方式不同，计算方法也不同。

占用湖泊蓄洪容积采用水库调洪计算方法。基于上游来水洪水过程和泄水闸的泄流能力曲线，进行水库调洪计算［9］，得到蓄纳在湖泊的水量和水位变化过程，蓄纳水量即为调蓄内河洪水占用湖泊蓄洪容积值。

占用圩垸及洼地蓄洪容积采用区域内涝洪水计算方法。湖泊下泄水量扣除泵站抽排至外江的水量，加上按照降雨产流计算得到的圩垸及洼地本地产水量，即为圩垸及洼地渍水量，也就是内河洪水占用圩垸及洼地蓄洪容积值。

2.2 计算工况与计算条件

为了弄清遭遇不同频率内河洪水后，蓄滞洪区有效蓄洪容积的变化特点，选取P=20%、P=10%、P=5%、P=3.33%和P=2% 5个工况开展计算。

汉北河水位高于湖水位时，龙赛湖与老观湖均通过龙湖泵站排水，且龙赛湖与老观湖相邻，因此本文计算时认为龙赛湖和老观湖内河洪水同频发生。

内河流域没有长系列降雨及流量资料，按照《湖北省暴雨统计参数图集》［10］中各时段暴雨等值线图和《湖北省暴雨径流查算图表》［11］中瞬时单位线法推求内河设计洪水。计算得到各频率设计洪峰流量见表1，洪水过程分别见图2和图3。

表1 各频率设计洪峰流量成果表Tab.1 Designed flood peak discharge at different frequencies

图2 龙赛湖内河设计洪水过程Fig.2 Inflow flood hydrograph of Longsai Lake

图3 老观湖内河设计洪水过程Fig.3 Inflow flood hydrograph of Laoguan Lake

3 内河洪水调度对蓄滞洪区有效蓄洪容积的影响

3.1 湖泊洪水调节计算

赛湖闸为龙赛湖流域内河来水经调蓄后泄流至引水河的排水闸。根据调度方案，龙赛湖控制水位为22.67 m（冻吴高程24.8 m），当湖泊水位超控制水位时，开赛湖闸泄水。赛湖闸共2 孔，单孔3 m×5 m（宽×高），闸底高程为22 m，设计排水流量93 m3/s。

丁咀闸为老观湖流域内河来水经调蓄后外排经灭螺河至引水河的排水闸。根据调度方案，老观湖控制水位为22.3 m（冻吴高程24.5 m），当湖泊水位超控制水位时开丁咀闸泄水。丁咀闸共2 孔，单孔3 m×6 m（宽×高），闸底高程为22 m，设计排水流量54 m3/s。

依据内河洪水过程、湖泊水位-容积曲线、排水闸泄流能力曲线即可计算得到湖泊各频率洪水排水闸泄流过程。

龙赛湖和老观湖湖泊水位-容积曲线、赛湖闸和丁咀闸泄流能力曲线见图4，龙赛湖和老观湖各频率洪水排水闸泄流能力曲线分别见图5和图6。

图4 龙赛湖和老观湖湖泊水位-容积曲线以及排水闸泄流能力曲线Fig.4 Water level-volume relation of Longsai Lake and Laoguan Lake and water release capacity curve of drainage sluice

图6 老观湖丁咀闸泄流及湖泊水位变化过程Fig.6 Outflow flood hydrograph of Dingzui sluice and variation of water level in Laoguan Lake

由图可见：不同频率内河洪水龙赛湖赛湖闸、老观湖丁咀闸泄流及水位变化过程不同。初期不同频率洪水的湖泊水位变化不大，随着洪水流量超过排水闸泄流能力，湖泊水位抬升，排水闸泄流量也迅速增加，不同频率洪水显现差别：洪水频率越高，相同时刻排水闸泄流量越小，湖泊水位越低，相应占用蓄洪容积也就越小，反之亦然。

3.2 圩垸及洼地渍水计算

龙赛湖、老观湖下泄洪水经龙湖泵站提排至汉北河，龙湖泵站设计排水流量为30 m3/s，计算得到的圩垸及洼地渍水量见表2。

由表2 可见：不同频率洪水经调度在圩垸及洼地产生不同的渍水量。洪水频率越低，产生的渍水量越大，50 年一遇洪水在圩垸及洼地产生渍水量63.9 万m3，5 年一遇洪水产生的渍水量为40.35 万m3，减小了40%。

3.3 有效蓄洪容积计算

由上述计算得到的龙赛湖和老观湖各频率洪水排水闸泄流过程、圩垸及洼地渍水量等，可以计算得出遭遇不同频率内河洪水时龙赛湖蓄滞洪区的有效蓄洪容积，见表3。同时图7给出了不同频率内河洪水时，由于蓄纳内河洪水占用湖泊、围垸及洼地的蓄洪容积、占用蓄洪容积总量以及有效蓄洪容积与总蓄洪容积的比值。

表3 龙赛湖蓄滞洪区有效蓄洪容积计算结果Tab.3 Calculation Results of effective flood storage volume of Longsai Lake flood storage and detention area

图7 不同频率内河洪水时龙赛湖蓄滞洪区有效蓄洪容积变化图Fig.7 Variation of effective flood storage volume under different inland river flood frequencies

由图表可知：

遭遇内河洪水时，龙赛湖蓄滞洪区蓄洪容积减小，内河洪水频率不同，龙赛湖蓄滞洪区蓄洪容积减小程度不同。不同频率内河洪水共占用龙赛湖蓄滞洪区有效蓄洪容积1 959.35～3 379.9 万m3，有效蓄洪容积为总蓄洪容积的92.2%～86.5%。发生5 年一遇洪水时，龙赛湖蓄滞洪区有效蓄洪容积为总蓄洪容积的92.2%，减小了7.8%；当发生50年一遇内河洪水时，龙赛湖蓄滞洪区有效蓄洪容积为总蓄洪容积的86.5%，减小了13.5%。

内河洪水占用蓄洪容积主要集中在湖泊，即占用湖泊蓄洪容积显著大于占用圩垸及洼地的蓄洪容积。不同频率内河洪水条件下，龙赛湖湖泊蓄洪容积被占用1 919.0～3 316.0 万m3，圩垸和洼地蓄洪容积被占用40.35～63.9 万m3，前者约为后者的47～52倍。

3.4 有效蓄洪容积减小对蓄滞洪区调度的影响及对策

上述计算并未考虑汉北河水位较高、龙湖泵站停止抽排的情形，显然，调度内河洪水对蓄滞洪区蓄洪容积的影响是很大的，也会影响蓄滞洪区的调度。

一方面，内河发生洪水时，蓄滞洪区分洪干流洪水时可用的有效蓄洪容积减小。以龙赛湖蓄滞洪区为例，当内河发生5年一遇标准到50 年一遇洪水时，有效蓄洪容积从总容积的92.2%降低到86.5%，实时调度时，应根据蓄滞洪区有效蓄洪容积的变化，提前启用其他蓄滞洪区或者启用保留蓄滞洪区。

另一方面，内河洪水调度主要占用湖泊的蓄洪容积，在被占用蓄洪容积总量中，占比达到97.9%～98.1%，分蓄洪区启用分蓄干流洪水时，进入圩垸和区内低洼地的洪量更多，时间更早，而圩垸和低洼地通常是人口和耕地分布的地方，因此实时调度时，应提早启动转移，减小分蓄洪区运用带来的损失。

4 结论与建议

（1）对于同时包括湖泊、圩垸和洼地的蓄滞洪区，在调蓄内河洪水时，占用湖泊蓄洪容积显著大于占用圩垸及洼地蓄洪容积，内河洪水越大，占用湖泊与圩垸及洼地蓄洪容积的差别就越大。

（2）调蓄内河洪水，蓄滞洪区的有效容积将会减小，不同频率内河洪水占用蓄滞洪区蓄洪容积差别很大。内河洪水越大，蓄滞洪区有效蓄洪的减小就越显著，龙赛湖蓄滞洪区内河发生50年一遇洪水时，有效蓄洪容积减小了约13.5%，而在发生5年一遇洪水时，有效蓄洪容积仅减小了7.81%。

（3）由于调蓄内河洪水减小蓄滞洪区有效蓄洪容积，因此当内河发生洪水并可能遭遇干流洪水时，应根据来水情况开展计算，实时优化或调整调度方案；提前判断可能增加的淹没范围和风险，制定人员和财产转移方案。