以子洪水库为例探析秋汛的危害与应对措施

赵宝祥，赵继刚，杨兆刚

（1.祁县水利发展中心，山西 祁县 030900，；2.祁县昌源河水利服务中心，山西 祁县 030900）

1 子洪水库概况

子洪水库坝址位于黄河流域汾河一级支流昌源河中下游的干流出山口处，距祁县县城25 km，控制流域面积576 km2。其中：土石山区472 km2，占流域面积的82%，森林区104 km2，占流域面积的18%，平均宽10.3 km，干流长56 km，纵坡坡度为13.7‰。本区属温带大陆性半干旱气候，多年平均降雨量为516 mm，多年平均径流量2 870 万m3。

子洪水库于1971 年7 月动工兴建，1972 年10 月拦洪蓄水，1982 年11 月竣工。水库设计防洪标准为100 年一遇洪水设计，1 000 年一遇洪水校核。总库容2 449.5 万m3，正常蓄水位886 m，汛限水位886 m，是一座以防洪、灌溉、城乡供水为一体的中型水库，特征水位、库容见表1。

表1 子洪水库特征水位及相应库容表

水库枢纽建筑物由大坝、输水洞、泄洪洞三部分组成。大坝为碾压均质土坝，坝顶高程894.3 m，最大坝高44 m，坝顶长502 m，顶宽6 m，兼作防汛抢险通道。输水洞位于大坝左岸，为圆形钢筋混凝土衬砌有压隧洞，洞径4 m，全长247 m，进口设3.7 m×4.7 m 的平板检修钢闸门，出口设4 m×4.5 m 的弧形工作钢闸门，进口底高程为856.1 m，出口底高程为852.55 m，最大泄量229 m3/s。泄洪洞位于左岸输水洞的左侧，为圆形钢筋混凝土衬砌有压隧洞，洞径5.2 m，全长265 m，进口设4.72 m×5.1 m 的平板钢闸门，出口设有4.5 m×4.3 m 的弧形工作钢闸门，进口底高程为861.8 m，出口高程为856.6 m，最大泄量为321.6 m3/s。

水库防洪保护范围186 km2，其中包括国家历史名城祁县县城及平遥县部分乡镇共36 个村庄，19.8 万人。水库自建成以来，共拦蓄大小洪水26 次，并经受了历史上罕见的1977 年7 月6 日特大洪水袭击，入库洪峰达1 832 m3/s，而出库最大泄量仅为407 m3/s，削峰率达78%，防洪效益显著。

2 2021 年秋汛概况

2.1 流域降雨

2021 年9 月之前子洪水库降雨偏少，9 月后逐渐增多，出现连续降雨天气，共出现3 次大降雨过程，累积雨量286.2 mm，详见表2。

表2 2021 秋汛流域雨情统计表

第1 次：9 月18 日—19 日，2 d 流域范围连续降雨量累计54.2 mm，其中大雨1 d、小雨1 d。

第2 次：9 月22 日—27 日，6 d 流域范围连续降雨量累计47 mm，其中中雨3 d、小雨3 d。

第3 次：10 月2 日—7 日，6 d 流域范围连续降雨量累计185 mm，其中暴雨2 d、大雨1 d、中雨1 d、小雨1 d。

其中第3 次降雨过程累积雨量最大、强度最大，为同期降雨量的3.6 倍，占近10 年祁县全年降雨量均值512.29 mm 的36.11%。

2.2 入库洪水

受强降雨影响，秋汛期间子洪水库有3 次洪水入库过程。

第1 次：9 月18 日上午10：00 开始，子洪水库入库流量从0.71 m3/s 逐渐增长；9 月19 日上午10：00入库流量为8.9 m3/s，下午16：50 入库流量达到最大13.7 m3/s，24 h 最大洪量103.1 万m3。

第2 次：9 月22 日下午17：32 开始，子洪水库入库流量从4.7 m3/s 逐渐增长；9 月23 日上午8：00 入库流量为5.51 m3/s，下午18：00 入库流量为5.8 m3/s；9 月24 日上午8：00 入库流量为5.22 m3/s，下午23：00 入库流量为11.8 m3/s；9 月25 日上午8：00 入库流量为19.8 m3/s，下午20：00 入库流量为17.4 m3/s；9 月26 日上午8：00 入库流量达到最大为24.95 m3/s，下午20：00入库流量为21.7 m3/s；24 h 最大洪量201.6 万m3。

第3 次：10 月3 日上午7：00 开始，子洪水库入库流量从5.5 m3/s 逐渐增长至17.5 m3/s；10 月4 日23：00点入库流量达24.5 m3/s；10 月5 日8：00 入库流量达到85 m3/s，最大入库流量出现在10 月6 日凌晨4：50，流量为418 m3/s，持续时间为2 h，之后至10 月8 日18：00，入库流量呈现逐渐减少趋势，最终回落至5.5 m3/s。本次洪水过程，水库累计入库5 360.5 万m3，其中10 月5 日13 时至6 日13 时共24 h 入库洪量达到2 434.6 万m3。

2.3 最大入库洪水频率分析

本次秋汛降雨特点为降雨强度较小、降雨历时长，最大入库洪水过程全流域汇流造峰较小，但造峰时间长、汇流量大，因此按24 h 洪量确定洪水频率比洪峰更符合实情。子洪水库各频率洪峰流量、24 h 洪量数据见表3。

表3 子洪水库各频率洪峰流量、24 h 洪量数据表

本次最大入库洪水过程洪峰为418 m3/s，最大24 h洪量为2 434.6 万m3。比较分析可得最大24 h 洪量超过100 年一遇24 h 洪量332.4 万m3、差200 年一遇洪量94.3 万m3，插值法理论分析为180 年一遇，接近200 年一遇洪水。

3 水库调度运行情况

3.1 调度原则

当遇10 年一遇洪水时（洪峰流量441.8 m3/s），下泄流量控制在100 m3/s 以内；当遇50 年一遇洪水时（洪峰流量1 175.5 m3/s、一日洪量1 688.4 万m3），下泄流量控制在以300 m3/s 以内；当遇100 年一遇洪水时的最高洪水位为891.0 m（洪峰流量1 548 m3/s、一日洪量2 102.2 万m3），相应起调水位为886.0 m，下泄流量控制在500 m3/s 以内；当遇1 000 年一遇洪水时的最高洪水位为892.5 m（洪峰流量2 938.1 m3/s、一日洪量3 550.8 万m3），结合水情预报及水库入库流量情况，提前泄至879.5 m 时开始起调，双洞敞泄。

3.2 水情预报调度方案

3.2.1 水情预报方法

水库坝址上游流域呈窄长形，地形气候情况都比较复杂，预报的影响因素较多，在汛期水文预报应特别加强24 h 以内的短期预报，以指导水库运行。可根据暴雨的中心点和传播时间不同，进行预报作业，预报采用频率降雨～频率洪峰/洪量方法。

水库上游6 km 处建有盘陀水文站1 座，于1954 年建站，盘陀以上控制流域面积533 km2，已签订资源共享协议，可及时获得上游洪水信息，同时与县气象局保持联络，以便及时获得气象预报信息。

在预报作业中注意运用天气预报成果，充分利用现有降雨～入库流量统计资料，提高预报质量。

3.2.2 流域各时段不同频率降雨量

根据盘陀水文站1954—2021 年降雨系列资料分析水库P=2%、P=1%、P=0.1%频率下不同时段的降雨量，结果见表4。

表4 盘陀水文各时段不同频率降雨量统计表 单位：mm

3.2.3 降雨量与入库洪水关系

根据降雨资料与水库入库洪水资料确定各频率6 h、24 h 降雨量与相应入库洪峰、24 h 洪量关系，见表5。

表5 不同频率降雨量、入库洪峰、洪量关系表

3.3 天气预警

继2021 年9 月18、19 日祁县气象台连续2 天发布暴雨蓝色预警后，祁县18 日实际降雨量接近暴雨标准；根据2021 年9 月26 日天气预报，预计未来15天内，可能有连续暴雨。

10 月3 日15：25 祁县气象台发布暴雨蓝色预警，预计未来区域内部分地区降雨量将达50 mm。

10 月4 日14：27 祁县气象台继续发布暴雨蓝色预警，预计未来区域内部分地区降雨量将达50 mm。

10 月5 日13：15 祁县气象台继续发布暴雨蓝色预警，预计未来区域内部分地区降雨量将达50 mm。

3.4 最大场次洪水调度过程

管理单位根据气象预测，于9 月27 日下午15：00依指令开闸预泄，腾出库容迎接本轮强降雨，泄水流量为10 m3/s，到10 月3 日10：00，库水位降落至885.30 m，低于汛限水位（886 m）0.7 m。当日水库入库流量逐渐增大，根据调度原则及预报水情，于10 月3 日18：15 下泄流量逐渐增大至22 m3/s。

10 月5 日凌晨1：00，库水位达到汛限水位886 m。早7：00，水库依指令将下泄量增大至30 m3/s，但库水位以每10 min 上升6 cm 的速度快速上涨，防汛形势严峻，8：30 加大泄洪至50 m3/s，11：00 加大泄洪至80 m3/s。11：25 开始，根据水库水位与蓄水情况，根据调度原则及预报水情逐步加大泄水流量。14：00 加大泄水流量至210 m3/s，23：00 加大泄水流量至220 m3/s。10 月6 日0：00 泄量调至200 m3/s，水位每5 min 上涨2 cm。

最高库水位出现于10 月6 日6：50，为891.42 m，超汛限水位5.42 m（汛限水位886 m），超设计洪水位0.42 m（设计洪水位为891 m），距坝顶2.88 m（坝顶高程894.3 m）。后水库泄水流量采用控制下泄，根据上游来水逐步减小泄量，直至水库水位缓慢回落至正常蓄水位。本次调度过程最大下泄流量为350 m3/s，未超下游河道设计流量，各时段水库进、出库流量过程线见图1。

图1 实际调度进出库流量过程线

3.5 优化调度探究

祁县2021 年秋汛调度虽下泄流量最大为350 m3/s，控制在100 年一遇洪水时相应下泄流量控制在500 m3/s以内，但下游昌源河出现不同程度的水毁情况，河道沿线的部分堤防被冲毁；水库下游城乡供水部分主管网被冲毁；尤其是南同蒲铁路昌源河大桥边墩护坡被冲毁，上下行线路中断。

本次最大洪水过程洪峰418 m3/s、接近10 年一遇标准，24 h 洪量为2 434.6 万m3，接近200 年一遇。按典型比拟所得洪水过程线进行调度，本次水库最大泄量为350 m3/s、削峰率仅为28.2%，远低于《子洪水库汛期调度运用计划》中100 年一遇削峰率80.6%，200 年一遇洪水削峰率66.3%。经分析原因为本次洪水特征为矮胖型，根据调度原则及预报水情进行了库容预腾，但预腾库容偏小使得最大下泄量未控制在50 年一遇洪水时的下泄量在300 m3/s 以内。

本次根据实际入库洪水过程优化水库调度，以期建立高精度小跨度时段的降雨～径流预报模型可行性。优化调度模型采用方案根据雨水实情及天气预警，利用闸门开度在降雨发生时进行较大水量下泄，为洪峰预腾调洪库容，探究科学合理调蓄小洪峰、大洪量异常矮胖型特大洪水的有效方法。

10 月3 日15：25 收到暴雨蓝色预警后，泄洪洞控制闸门开度以50 m3/s 泄洪；10 月4 日14：27 收到暴雨蓝色预警后，泄洪洞控制闸门开度以100 m3/s 泄洪；10 月5 日4：00 最大降雨强度过后，泄洪洞控制闸门开度以150 m3/s 泄洪；10 月5 日13：15 收到暴雨蓝色预警后，泄洪洞控制闸门开度以250 m3/s 泄洪；10 月6 日9：00 降雨第一次停后，泄洪洞控制闸门开度以200 m3/s 泄洪；10 月6 日16：30 降雨停后，泄洪洞控制闸门开度以150 m3/s 泄洪；无降雨预警后，根据入库洪水控制下泄流量恢复至正常蓄水位，见图2。

图2 优化调度进出库流量过程线

通过以上优化调度，2021 年子洪水库优化调度最大下泄量为250 m3/s，削峰率为40.2%，较实际调度提高12%。

4 结语

祁县降水主要出现在每年的6～9 月，10 月平均降水量仅为51 mm。2021 年9 月下旬至10 月中旬，境内遭遇历史罕见的极端强降水天气侵袭，多地水库河流超汛限。10 月主场次强降水过程平均降水量达185 mm，是多年月平均降水量的3.6 倍以上，多个站点数据破建站以来的同期历史极值。这次秋汛警示我们，极端暴雨和秋汛风险危害很大，应全面提升防御超标准洪水能力和社会公共管理水平，最大程度减轻因极端天气导致的超标准洪水带来的损失。

雨情测报在本次秋汛防御中发挥了至关重要的作用，是水库防汛部署的前提和基础。2021 年秋汛中，通过实时分析降雨及其可能产生的洪峰或洪量，并根据水库汛期运行调度计划进行了调度，但因时段较大、矮胖型降雨产流导致实时调度误差较大。下一步，应根据历年资料建立高精度小跨度时段降雨～产流～汇流模型，对洪峰、洪现时间、洪量进行准确预报，并根据《水文情报预报规范》对有关预报进行评定修正。