北江流域防洪骨干“调蓄”工程体系完善和优化策略

秦 民，李 臻，陈志和，刘正风，4，刘志敏

(1.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；2.中山大学土木工程学院，广东 珠海 519082；3.水利部水利水电规划设计总院，北京 100120；4.福建省水利水电勘测设计研究院有限公司，福建 福州 350001)

0 引言

水利工程通过“调蓄”作用可实现水资源在时间和地区间的重新分配，满足防洪与兴利需求。关于“调蓄”工程在防洪体系中的作用，国内外均有很多研究成果，特别是近年来极端天气事件频发、水利工程建设发展迅猛、人民群众迫切需求水安全等，使“调蓄”工程体系优化完善的相关研究更加丰富充实。江文等[1]系统阐述了三峡工程在长江防洪体系中的关键作用，并选取2016、2020年长江洪水作为代表进行了实例分析。龚文婷等[2]分析了在新修编的防洪调度规程下，三峡工程防洪、发电、航运的效益均有所增加。钮新强等[3]提出构建适应新阶段高质量发展的长江防洪体系，要按照“蓄泄兼筹、以泄为主”的防洪治理方针，增强洪水调蓄能力。刘刚等[4]针对2021年黄河秋汛洪水特点，计算分析了黄河中下游小浪底、三门峡等“五库联调”的防洪作用。王银堂等[5]结合北江流域“22·6”特大洪水应对，论述提升流域防洪韧性的主要对策，提出没有坚实可靠的防洪工程体系，防洪韧性就无从谈起，因此需要加快构建协调匹配的防洪治涝工程体系。由此可见，“调蓄”工程在流域防洪体系和布局中拥有重要地位和作用。广东省岭南海北、风雨多变，水旱灾害频发。虽然降水丰沛，但年内时空分布不均、年际变幅很大，洪水多来源于短历时、高强度暴雨，发生频繁、遭遇复杂，具有多发性、季节性、不均匀性和峰高量大等特点[6]。北江是珠江流域第二大支流，是广东省境内一条非常重要的河流，流经韶关、清远、肇庆、佛山、广州等城区，科学完备的防洪工程体系对北江沿线防洪保护区至关重要。2022年6月的“龙舟水”期间，北江流域发生了超100年一遇(局部超300年一遇)特大洪水，为1915年以来最大洪水，直接经济损失19.17亿元[7]。北江流域“22·6”特大洪水暴露出流域“调蓄”工程体系还存在不少短板和弱项，与新时期广东高质量发展对水安全保障的需求不相适应。本文结合广东水网中江河安澜防洪安全网规划和建设思路，在现状“调蓄”工程体系复核评估基础上，提出北江流域防洪“调蓄”工程体系完善优化策略。

1 “调蓄”工程体系现状复核及优化思路

经过多年建设，北江流域现已基本形成由上游武江乐昌峡、浈江湾头水利枢纽联合调控，中下游河道堤防与飞来峡水利枢纽、潖江蓄滞洪区相结合，下游西南涌、芦苞涌分洪的“堤库结合、以泄为主、泄蓄兼施”防洪工程体系，“调蓄、拦挡、蓄滞、分洪、畅泄”防洪布局初具雏形。其中，“调蓄”工程体系由乐昌峡、湾头、飞来峡等水利枢纽组成，设计总防洪库容达16.24亿m3。北江上游韶关城区断面以上主要依靠乐昌峡、湾头、锦江水库等对洪水进行调控；北江中游飞来峡断面以上主要依靠南水、长湖、飞来峡水利枢纽等对洪水进行调控；北江下游飞来峡-石角河段的区间洪水，以畅泄为主。因此，本文研究对象主要在北江上游和中游。

1.1 北江上游(韶关城区防洪控制断面以上)

当北江上游遭遇100年一遇标准内洪水时，按乐昌峡和湾头原设计批复的调度规程进行联合调控，可控制韶关断面泄量不大于8900m3/s，满足韶关城区堤防20年一遇设计防洪标准对安全泄量的要求。堤防达标后，“堤库结合”可将韶关市防洪标准由20年一遇提升至100年一遇。“两库调洪”结果见表1。但“22·6”洪水期间，韶关市发生了较严重洪灾，在浈江出现了历史最大洪峰6350m3/s，略低于100年一遇，最大3天洪量11.21亿m3，大于100年一遇，而同期武江的最大洪峰和3天洪量均较小[8]。因此，“22·6”北江流域特大洪水在韶关断面以上表现为“以浈江为主、武江相应”的洪水地区组成，但由于浈江干流湾头水库防洪库容有限，又受库区移民问题制约，未充分发挥防洪作用。根据“22·6””浈江流域洪水地区组成，洪水主要来源于支流墨江和其他无控区间，墨江是浈江的第二大支流，流域面积(1367km2)占浈江流域面积(7540km2)的18%，无防洪控制性水库，且墨江下游始兴县城保护区的现状堤防标准为20年一遇，“堤库结合”防洪工程体系未建成，因此始兴县中心城区未达到50年一遇防洪标准。

表1 乐昌峡、湾头两库联合调洪复核计算成果表

将水文分析系列延长至2022年，排频计算后，发现武江犁市(二)站和浈江新韶站不同频率设计洪水成果较原成果相差0.3%～0.6%和-0.3%～2.1%，因此可以维持韶关断面设计洪水成果，该断面流量控制目标为不超过8900m3/s(P=5%)。本文优化思路，工程措施是新建墨江冷水迳水库和支流罗坝水库。当墨江遭遇50年一遇洪水时，“两库调控”后可控制始兴县城区断面安全泄量不超过2235m3/s(20年一遇)，可使始兴县防洪标准由20年一遇提升至50年一遇。非工程措施是加强库区行蓄洪空间管控，进一步优化湾头水利枢纽的调度规程。

1.2 北江中游(韶关断面-飞来峡断面)

北江干流韶关至飞来峡已建成孟洲坝、濛里、白石窑等大型径流式水电站，设计无防洪任务，对下游防洪作用有限；而飞来峡库区两条重要支流—连江和滃江，连江无防洪控制性枢纽，滃江有1宗大型水库，但防洪库容较小，仅1390万m3。因此，北江中游的防洪任务主要依靠沿线堤防。在“22·6”洪水期间，英德市受灾严重，最大实测洪峰水位35.97m，为历史实测最高水位，超警戒水位9.97m[9]；连江高道站实测最大洪峰8530m3/s，大于200年一遇；滃江长湖水库坝下站实测最大洪峰4770m3/s，大于20年一遇。洪水地区组成方面，根据原飞来峡初步设计成果，飞来峡以上南北方向组成比较稳定，沙口站(飞来峡水利枢纽北江干流入库站)以上洪量组成百分比较所占流域面积比例小，沙口站以下滃江、连江和北江干流区间的洪量组成较面积比大，是北江洪水的主要来源；由于连江口至飞来峡坝址段属峡谷河段，调蓄作用不大、距离近，对水库威胁大，因此应重点关注连江洪水调控。从“22·6”洪量组成，连江及滃江洪量占飞来峡以上对应洪量都比流域面积占比大，而北江干流对应洪量占比，3天和7天都小于面积比；上游各断面及区间洪水演进到飞来峡断面的流量过程中，对飞来峡洪峰影响按由大到小排序分别是：连江、浈江、区间、武江、滃江[8]。由于飞来峡的调度规程是根据下游石角断面安全泄量和飞来峡-石角区间洪水共同决定的，原调度规程在标准内洪水发生期间，要求飞来峡按不大于16000m3/s下泄；但目前飞来峡库区4个临时淹没区容积约3.5亿m3，占枢纽防洪库容比例为26%[10]；受英德市经济社会快速发展影响，“淹不得”“淹不起”问题十分突出，部分临时淹没区蓄洪空间被挤占，削弱了飞来峡的防洪能力，实际调度很难按原调度规程实施。

本次研究提出此段优化思路，工程措施是新建连江黄茅峡水利枢纽工程，当连江遭遇100年一遇洪水时，通过黄茅峡枢纽调控，可将连江高道站洪峰由100年一遇削减至20年一遇，削减飞来峡入库流量约1700m3/s。非工程措施方面，一是加强库区行蓄洪空间管控。二是优化长湖水库汛期调度规程：根据韶关断面或沙口断面水文预报，实施长湖水库预泄，根据复核计算，水库最大可从汛限水位60m预泄至52.5m，最大可释放4396万m3库容用于洪水拦蓄错峰。三是优化飞来峡洪水期间调度规程：适当加大下泄流量至17000m3/s。北江流域防洪体系和布局总图如图1所示。

2 新建冷水迳和罗坝水库规模需求分析

2.1 墨江流域概况

墨江位于粤北东部始兴平原，属北江水系，为北江干流浈江的一级支流，全流域面积1367km2，全河长89km，总落差633.5m，平均坡降2.38‰[11]。墨江主要支流罗坝河集雨面积339km2，干流河长56km、综合比降5.9‰。墨江流域内水库多为小型，无防洪任务和功能。由于墨江流域的水文测站较少，资料十分稀缺，对无实测流量资料的河流，设计洪水适宜采用设计暴雨来推求。本次以2003年版《广东省暴雨径流查算图表》《广东省水文图集》为基础，按照“多种方法、综合分析、合理选定”的原则，采用广东省综合单位线方法、推理公式法进行计算，最终综合选定[12]。

2.2 洪水地区组成

始兴县防洪控制断面(天元大桥位置处)以上集水面积1198km2，墨江干流和罗坝河流域面积分别占72%和28%，前者是后者的约2.5倍。由于缺乏实测水文数据和资料，从历史灾情描述中了解到洪水多主要发于墨江，墨江和罗坝河同时发洪情况很少。本次研究的设计洪水地区组成采用同频率洪水组成法，一是A种洪水：始兴断面与冷水迳坝址同频，大区间相应，洪水以墨江干流为主；二是B种洪水：始兴断面与大区间同频，冷水迳相应，洪水以区间为主。流域水系及冷水迳、罗坝位置和洪水地区组成如图2所示，防洪库容论证技术路线如图3所示。

图2 始兴县防洪控制断面洪水地区组成示意图(A区指冷水迳水库集雨范围，B区指罗坝水库集雨范围，大区间为B+C，小区间为C)

2.3 水库防洪库容

2.3.1墨江干流洪水为主，支流罗坝河相应的工况

此种工况，如技术路线图3-1所示，冷水迳水库调洪计算是针对冷水迳坝址50年一遇设计洪水过程，而罗坝水库及小区间的洪水过程均为“相应”，小区间相应最大1天洪量按大区间相应最大1天洪量进行面积比指数搬家法进行计算，而后根据小区间设计洪峰和最大1天洪量关系曲线查算小区间相应洪峰流量，根据小区间设计洪水过程线，采用相应洪量和洪峰流量对过程线进行同频率缩放，最终获得小区间的相应洪水过程线。“两库”调洪计算的调度方式采用固定泄量法，“两库”调洪计算的出库流量过程叠加后再与下游小区间的相应洪水过程线进行叠加，演进至始兴县防洪断面，应不超过始兴县20年一遇设计洪峰。计算后，洪水期冷水迳水库按900m3/s、罗坝水库按450m3/s下泄时，可保证“两库”下泄流量叠加下游小区间相应洪水后在始兴断面不超过堤防20年一遇安全泄量2235m3/s。在水库调洪期间，冷水迳水库拦蓄洪量为2011.4万m3，罗坝水库拦蓄洪量为194.9万m3。因此，此工况，冷水迳水库防洪库容为2012万m3，罗坝水库防洪库容为195万m3。

图3-1 冷水迳为主、罗坝相应、小区间相应—冷水迳和始兴断面同频

2.3.2支流罗坝河(大区间)洪水为主，墨江干流相应的工况

此种工况下，大区间内包括罗坝水库和两库均无法调控的小区间。此时，根据技术路线图3-2和3-3，调算结果如图4—5所示。

图3-2 冷水迳相应、大区间为主(罗坝为主、小区间相应)—大区间和始兴断面同频

图3-3 冷水迳相应、大区间为主(罗坝相应、小区间为主)—大区间和始兴断面同频

图4 冷水迳相应+罗坝设计+小区间相应

图4在水库调洪期间，冷水迳水库拦洪1171.5万m3，罗坝水库拦洪1064.9万m3；图5在水库调洪期间，冷水迳水库拦洪1171.5万m3，罗坝水库拦洪978.6万m3。综上，防洪库容选取两种工况中各自的最大值，即冷水迳防洪库容2012万m3，罗坝防洪库容1065万m3。

图5 冷水迳相应+罗坝相应+小区间设计

3 新建连江黄茅峡水利枢纽规模需求分析

3.1 连江流域概况

连江是北江水系的第一大支流，发源于湘粤边境的南岭山脉，流域面积10061km2，干流总长275km，河道平均坡降为0.765%，河流自西北流向东南，于英德市连江口汇入北江干流，连江下游是飞来峡库区的组成部分，300年一遇洪水时，飞来峡回水可上溯至连江浛洸镇。

3.2 洪水地区组成

综合选定后，拟选址于连江黄茅峡，枢纽工程位于英德市大湾镇连江干流，将原黄茅峡航电枢纽改建为大型防洪控制性枢纽。坝址以上集雨面积7867km2，多年平均径流量100.93亿m3，河长186.54km。枢纽下游有1处连江高道站，是连江干流主要控制站，位于广东省英德市西牛镇高道，集水面积9007km2。坝址设计洪水成果采用高道水文站设计洪水按面积指数搬家法进行计算，面积指数n取值常为0.5～0.7，本次计算为偏安全考虑，取0.5。洪水地区组成同样考虑两种组合工况，一是黄茅峡坝址遭遇100年一遇洪水，黄茅峡与高道站同频，坝址以下-高道站区间为相应洪水；二是黄茅峡坝址以下-高道站区间遭遇100年一遇洪水，区间洪水与高道站同频，此时黄茅峡坝址为相应洪水。

3.3 水库防洪库容

经过计算，最不利工况为第二种，此时由于洪水发生在下游不受水库控制区间，因此需要更大的防洪库容以尽可能削减出库流量。采用飞来峡初设时，动库容调洪计算的高道站入库洪水过程线(“1982.5”)，按面积比指数搬家法求得小区间同频率设计洪水过程线，高道站设计最大1天洪量扣减小区间设计最大1天洪量，即得黄茅峡坝址相应最大1天洪量，按黄茅峡坝址设计最大1天洪量和洪峰关系曲线，查得黄茅峡坝址相应洪峰流量，按峰、量关系对过程线进行缩放，可得坝址相应过程线。采用固定泄量法进行水库调洪计算，调洪期间固定泄量为3600m3/s，计算得水库防洪库容约为3.215亿m3。

4 飞来峡调度规程优化可行性分析

根据石角断面洪水来源和组成的分析，选择“1968.6”为第一种组成的典型年(飞来峡枢纽和石角站同频，枢纽-石角区间为相应)；选择“1968.6”和“1982.5”为第二种组成的典型年(飞来峡枢纽相应，枢纽-石角区间和石角站同频)，组成3种计算方案进行水库调洪复核计算，结果见表2。

表2 飞来峡水利枢纽调洪计算成果表(300年一遇)

可见，优化调度后，飞来峡坝前水位明显降低，降低幅度约为0.8m；从偏安全角度，当不考虑河道演进时，石角断面最大洪峰为21360m3/s。考虑建成后的潖江蓄滞洪区滞蓄洪水作用，可基本控制洪峰不超过石角断面的新版安全泄量20000m3/s。近年来，受采砂活动影响，北江干流飞来峡以下河段下切明显，飞来峡以下-石角站河段平均下切约1.14m。根据珠江流域防洪规划修编水文专题最新成果，石角站P=1%时对应的设计洪峰流量调整为20000m3/s，较原P=1%石角站洪峰流量19000m3/s增大5.3%，查最新版石角站水位～流量关系曲线，对应水位约为12.70m，较原《广东省北江大堤加固达标工程可行性研究报告》中石角断面对应100年一遇洪水位15.36m偏低2.66m，可见北江下游河道河床下切非常明显，过流能力增大，因此修编飞来峡调度规程，增大下泄流量，具有可行性和必要性。

5 结论

(1)聚焦主要支流的洪水及防洪体系完善。如今，我们已无法忽视极端天气事件对人类和自然的影响，随着人类活动不断加剧，未来极端天气事件发生的频率会越来越高，造成的影响也可能会超乎我们想象。以往被忽略的河流或地区也可能会发生超历史记录的暴雨和洪水，倘若完全依靠干流骨干“调蓄”工程，会使受灾风险大大增加，而且干流骨干“调蓄”工程也许会因历史遗留问题如征地移民等无法充分发挥防洪作用，需加快补齐重要支流防洪工程体系短板，完善支流防洪工程体系布局。

(2)“调蓄”工程在北江流域有重要作用。如果单纯依靠加高堤防，难以保证区域防洪安全，且北江流域经济社会发展已到如今规模，即使是淹没经济欠发达地区，所造成的损失和代价也是十分巨大的，可见“调蓄”工程在防洪工程体系中的地位非常重要，迫切需要加快完善和优化北江流域“调蓄”工程体系，以期用更小的代价获取最大的效益，进一步提高本区域的水安全保障能力。

(3)应关注“调蓄”工程的综合利用任务。基于我国现状发展情势，“调蓄”工程的建设难度大、周期长，鉴于此，就应充分发挥工程的综合效益。本文提出的新建墨江冷水迳和罗坝水库，连江黄茅峡水利枢纽工程，虽对北江流域有重要防洪作用，但都只是从防洪角度进行研究，受详细地勘资料和水文资料制约，现无法达到工程可行性研究论证深度。后续建议结合供水、灌溉等任务进行充分论证，完善项目建设的必要性分析。

(4)已建水利工程的优化调度需加快推进。本文基于流域系统研究，提出了进一步优化完善长湖水库和飞来峡水利枢纽调度运行方式的措施。但水库调度的优化是一项系统工程，建议后续结合水文成果修编，加快推进长湖水库和飞来峡水利枢纽的优化调度研究。