1.4　防洪研究内容与进展

新中国成立以来,我国防洪指导思想经历了两个阶段,即工程防洪阶段和洪水管理阶段。“文化大革命”以前,强调“人定胜天”的思想,重点采用工程措施控制洪水。工程防洪取得了很大成就,但也带来了若干问题。特别是1998年长江大洪水,使人们认识到,工程措施虽然能够带来防洪效益,也在某种程度上加大了洪灾量级和破坏程度。1990年以来,国际上对江河整治由单纯以防洪为主,逐渐转变为防御洪水、水资源保障、改善生态环境等多目标综合治理。对防洪的思路转变为在可持续发展前提下,协调人与水的关系,由“控制洪水”转向“洪水管理”。

1.4.1　洪水监测

清光绪二十八年(1902年)山东省黄河上最早采用电话报汛。1919年在河南省陕县和山东省深日两处设水文站,开始实行水情观测。到1998年,全国水利系统共有8600多个河道、水库和闸坝的水文报汛站,主要报雨情、水情和部分工情(闸门启闭等)。这些信息的收集,主要靠人工观测的资料以专用电报的方式或口述的形式通过邮电系统的通信设施传递到各级防汛部门,一般收集时间要花2～3h甚至更长的时间。国外的汛情信息、收集系统多为自动化采集,基层测站一般无人值守。如美国有5000多个自动报汛站,通过数据采集平台(DCP)自动经由地球同步环境卫星(GOES)传递信息,仅少数几个接收地面站接收信息,然后通过地面专用通信网路传到各使用部门。对骤发洪水的地区则采用超短波的遥测系统。如日本厚生省1963年完成了50万km长的专用960路微波通信网主干线;全国有1000多个水情、雨情遥测站通过超短波与微波网络连接。全国109条一级河流的信息在10min内就可自动汇集到东京总站。值得指出的是,1990年,美国研究出了利用卫星云图、测雨雷达和地面遥测的信息合成后,定量估算出每个时段(1h～1d)雨量等值线,全过程由计算机快速完成,已达到了实用阶段。

1975年8月我国淮河大洪水以后,特别是改革开放以来,针对我国信息采集系统存在的问题,大力推广采用无线通信传递水情。先后建立了170多个超短波遥测系统,共有1700多个遥测站点。但这些系统相互独立,没有形成网络,还无法取代常规报汛系统。一些测站配备了超短波或短波(单边带)的无线报话机;例如在大宁河进行了利用日本GMS同步卫星和在渔子溪利用法国ARGOS极轨卫星传递信息的试点;在黄河、淮河流域和江苏省试用远程网络(通过水电专用微波网或邮电公用数据网)传递信息,使信息流程更为合理;为改变雨量站密度不足,进行了利用测雨雷达定量估算雨量的研究。

1.4.2　洪水预报

准确及时的洪水预报可以为防洪调度提供正确的决策依据。目前国内外的洪水预报方法,主要是依据上游己经出现的水情和地面实测雨量,采用流域水量平衡和河道水力学原理,借助土壤、植被、地貌、河网的特征进行产流和汇流演算,来预测下游断面的水位、流量过程(包括洪峰、洪量)。主要有基于河道洪水波运动原理的相应水位(流量)关系法,河道流量演算法(如马斯京根法),基于径流形成原理的降雨径流模型法(如产流方面的蓄满产流模型、超渗产流模型、综合产流模型等,汇流方面的时段单位线、瞬时单位线、综合单位线等),以及通过对水文现象进行模拟而建立的水文数学模型,典型模型有我国的新安江流域模型、丹江口洪水预报模型、陕北模型等,国外有API、Tank、Saeramento、CLS、SHE模型等。1977年以来,电子技术、遥感遥测技术、水文模拟技术以及信息论、系统论、控制论等新技术和新理论的发展改变了水文预报技术的面貌。随着暴雨洪水理论研究深入开展,计算机技术不断进步,数学理论的创新等,水文预报现代化进展,是以自动测报网络系统所提供的水雨情为基础,迅速得到准确的洪水峰、量预测值。在不断吸取当前先进的科学技术与设备的前进道路上,我国水文情报预报技术(特别是洪水预报技术)的质量和水平正发生着重大的变化。20世纪90年代,我国已初步建立起洪水预报系统,其特点在于:功能齐全,既能进行模型率定,又能进行实时预报,还可以进行实时校正;适应性较强,系统中包括了很多预报模型,可适用于任何流域、任何地区;自动化程度较高,能进行信息(历史或实时)的处理、插补、纠错等,以及预报模型的连接,率定参数与实时预报模型的连接等,都可以自动完成,不需要人工干预;通用性较强,各种模型的输入输出文件格式、资料输入形式以及统计参数等都比较统一,便于模型的比较和改进;运算速度较快,能与实时信息接收和处理系统及调度计算系统相适应,在较短的时间内(几分钟或十几分钟)提出预报结果。

1.4.3　洪水风险分析

洪水风险分析是指在防洪措施中引进概率的概念,定量地估计某地出现某种类型洪水的可能性,也可视作超长期洪水预报(概率预报)。这是防洪问题的一种战略评价,又是一项防洪非工程措施。

洪水风险分析可使洪泛区居民了解自己所处位置的洪灾风险概率和受灾的严重程度,提高防洪意识,也能够提高洪泛区管理水平;洪水风险分析是洪泛区规划方案及项目设计的重要基础,是洪泛区内进行建设开发可行性论证的依据,也是防汛调度运用和防洪决策的科学依据之一。因为任何防洪设施要获得防洪效益,同时也存在一定的失败风险,效益与风险是并存的。为取得防洪减灾的最好效益,必须要进行洪水的风险分析。以各种频率洪水(或历史上发生过的大洪水)造成或可能造成洪泛区的不同淹没范围和受灾的程度绘制出的地区分布图,称为“洪水风险图”,是洪水风险分析的一种直观的表达形式。它一般包括洪水频率分析、洪泛区的地形图、洪水演进计算、绘图、洪水风险分类等。现行洪水分析计算的主要方法为设计洪水过程线法,这一方法已列入我国的洪水计算规范,计算存在着两种不同的处理方法:一种方法是将洪水作为确定性水文现象进行处理,通过洪水频率计算分析洪水的统计特性,探讨频率与洪水峰、量之间的定量关系,其存在的基本问题是样本抽样、线型选择、统计参数的估计和经验频率计算;另一种方法是将洪水作为不确定性水文现象进行处理,采用随机模拟技术、模糊数学理论、灰色系统理论和非线性理论进行洪水分析。

洪水风险图的绘制,以往以人工为主。近年来,随着计算机的广泛应用,已先后开发出许多绘图软件及输入输出设备,使洪水风险图的绘制逐步智能化。其所采用地形图多为1/25000比例尺的地形图,1990年以来随着科学技术的发展,航测、遥感及全球定位系统也陆续进入测绘系统,这对洪水的风险分析必将起到积极作用。

洪水演进计算一般可采用四种计算方法:地貌学方法、实地调查方法、水文学方法、水力学方法。其中水文学方法应用较多,它采用各种水文演算的数学模型,如马斯京根、纳什、tank、蓄水函数、线性系统等模型进行洪水演算,算出洪泛区各断面的水位、流量。这类方法的关键是合理选择模型参数。近年来,一些学者将随机理论、非线性理论等应用于洪水演进计算中,已取得了较好的成果,但尚需进一步完善。

1.4.4　防洪调度

防洪调度指运用防洪工程或防洪系统的各项工程与非工程措施,有计划地调节管理洪水。防洪调度的基本任务是力争最有效地发挥防洪工程或防洪系统的作用,尽可能减小洪灾。在有综合利用任务的防洪工程或防洪系统中,防洪调度还需考虑发挥最大综合效益的要求。对于多泥沙河流上的工程,防洪调度还需考虑防淤、冲沙、排沙等要求。防洪工程调度有:堤防、水闸、分洪道工程调度;分(蓄、滞、行)洪工程调度;水库或水库群联合调度;防洪系统工程调度等,其中最为关键的是水库防洪调度。水库防洪调度是依据一定条件,确定水库泄流方式和泄流量值。判别条件主要有库水位、入库流量、特定时段降雨量以及库水位与入库流量过程相结合的“峰前蓄水量”等指标。

水库调度是水库工程管理的主要环节之一,是根据各用水部门的合理需要,参照水库每年蓄水情况与预计的可能天然来水量及含沙情况,有计划地合理控制水库在各个时期的蓄水和放水过程,亦即控制其水位升、降过程。防洪调度方式可分为水库对下游无防洪任务和有防洪任务两类。前者只需解决大坝安全度汛问题,一般采取库水位达到一定高程后即敞泄的调度方式;后者应统一考虑大坝安全度汛及下游防洪安全,在调度中严格按照所用的判别条件(如防洪特征库水位、入库洪峰流量等)决定水库的蓄泄量,在水库防洪标准以内按下游防洪要求调度,来水超过水库防洪标准,则以保大坝安全为主进行调度。下游防洪调度方式一般有固定下泄量方式及补偿调节方式。兴利调度方式包括灌溉、发电、供水、航运等方面,一般要求尽量提高需水期的供水量,常采用以实测入库径流资料为依据绘制的水库调度图进行调度,以具体控制水库的供水量。调度图由调度线划分为若干个运行区,其中主要包括:①以保证正常供水为目标的保证运行区;②以充分利用多余水量扩大效益为目标的加大供水区;③遇枯水年降低供水量幅度以尽量减少损失的降低供水区。在运行中由库水位所在运行区决定水库的运行方式及供水量。对于发电方面,除了尽可能减少弃水、充分利用水量以外,还要十分注意利用水头的问题。

水库调度的理论与方法是随着20世纪初水库和水电站的大量兴建而逐步发展起来的,并逐步实现了综合利用和水库群的水库调度。在调度方法上,1926年苏联莫洛佐夫提出水电站水库调配调节的概念,并逐步发展形成了水库调度图。这种图至今仍被广泛应用。20世纪50年代以来,由于现代应用数学、径流调节理论、电子计算机技术的迅速发展,使得以最大经济效益为目标的水库优化调度理论得到迅速发展与应用。随着各种水库调度自动化系统的建立,使水库实时调度达到了较高的水平。我国自19世纪50年代以来,水库调度工作随着大规模水利建设而逐步发展。目前,大中型水库比较普遍地编制了年度调度计划,有的还编制了较完善的水库调度规程,研究和拟定了适合本水库的调度方式,逐步由单一目标的调度走向综合利用调度,由单独水库调度开始向水库群调度方向发展,考虑水情预报进行的水库预报调度也有不少实践经验,使水库效益得到进一步发挥。对多沙河流上的水库,为使其能延长使用年限而采取的水沙调度方式已经取得了成果。由于水库的大量兴建,对于水库优化调度也在实践上作了探讨。我国的丰满水电站、丹江口水利枢纽、三门峡水利枢纽等水库的调度工作都积累了不少经验。近年来,随着现代控制理论的产生、微电子技术、计算机技术、地理信息系统、遥感技术以及遥测遥控技术的发展,给洪水监测预报预警提供了条件,通过各种通讯手段,把雨量站和水文站的雨量、水位、流量等数据传输到水库的中心控制室,利用计算机进行计算、判断、洪水预报与水库调度,并用无线电向下游地区发出信号,这种水雨情信息的实时传输、处理及监控,使综合管理水库工作达到了一个新的水平,而水库防洪调度方法的研究也从实时调度发展到预报调度。

为了充分发挥水库的防洪与兴利效益,利用预报的洪水过程进行水库防洪调度,称为防洪预报调度。防洪预报调度一般采用产流预报的累积净雨量和(或)汇流预报的入库流量作为遭遇洪水量级的判别指标。与依据实测洪水过程和(或)水位的常规防洪调度相比,防洪预报调度的优点在于增长预见期、增加防洪效益、提高洪水资源利用量。国外关于水库防洪调度的研究始于20世纪初,当时由于大量水库和水电站的兴建,促进了河川径流调节理论的发展。初期的水库防洪调度主要是半经验、半理论的方法,通过防洪控制图来进行操作,并注意到前期水文气象因素(如降雨等)对预留防洪库容的影响。但这种方法难以统筹考虑水库防洪与兴利、局部与整体各方面的要求以及流域整体防洪规划与实时工程状态约束之间的冲突。随着系统工程学、计算机技术、优化理论、洪水及降雨预报水平、产汇流模拟技术的发展,许多学者逐步引入数学理论、方法和预报技术来开展水库防洪调度研究,并针对相应的预报调度风险进行了研究。有学者提出了一个包含与未来径流预报有关的风险模型,该模型以预报可靠性为输入,是一个有机遇约束的线性规划模型。有学者考虑了决策者对风险所持的态度,构筑了水库运行时防洪与兴利的效用函数,利用对策论来制定水库运行策略。有学者认为贝叶斯方法是一种处理水文气象预报中存在的内在不确定性的有效工具,继而在此基础上给出了洪水预报过程的贝叶斯-马尔科夫模型,并从微观经济学的角度,建立了一个综合考虑大量的水文上的、组织上的、行为上的和经济方面因素的洪水预报系统反馈系统。

在确保水库防洪安全的前提下,实施防洪预报调度,适当提高水库汛限水位是增加蓄水量的有效方式之一。但由于受原始资料的精度和洪水预报、降雨预报误差等不确定性因素的影响,以及决策者对实时调度信息认识和处理的局限性,使得水库防洪调度存在一定风险。

1.4.5　洪水管理系统研究

近年来,随着计算机技术的发展,各行各业都进入了信息时代,水利行业也进行了大量的研究和应用,特别是在洪水信息管理方面研究较多。水利部南京水文水资源研究所等单位在分析总结长江中下游防洪经验和防洪决策流程的基础上,建立了长江防洪决策支持系统。在21世纪,从“洪水控制”到“洪水管理”已成为当代社会防洪战略思想转变的重要标志,其特点是综合运用工程、法律、行政、经济、技术、教育等手段,形成更完善的防洪安全保障体系,以达到减轻洪灾、促进社会经济可持续发展的目的。当前,以建设防洪工程体系为主的战略逐渐转变为:在防洪工程体系的基础上,建成全面的防洪减灾工作体系。其基本对策为:①确立防洪减灾的社会意识。②建立国家授权的统一管理流域水利的领导机构。③修订各大江河的流域综合规划和防洪规划。④建立稳定的防洪投入,保证按规划建好、管好和用好防洪系统。⑤在洪水可能淹没的地区,合理安排防洪减灾措施。⑥加强防洪减灾的科学研究。⑦建立完善的防洪保险和救灾及灾后重建机制。⑧完善防洪法规和加强执法力度。

目前,遥感(RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)等现代信息技术为洪水管理提供了充足信息。层次分析、动态规划、多目标规划等系统分析方法的应用为洪水管理提供了科学依据。这些现代技术都使洪水预报、调度和管理的实现成为可能。