半干旱區(qū)季節(jié)性水源實(shí)時(shí)調(diào)度模型

雷四華

（1.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029）

0 引言

漳衛(wèi)南運(yùn)河水系位于太岳山以東，滏陽河、子牙河以南，黃河、馬頰河以北，由漳河、衛(wèi)河、衛(wèi)運(yùn)河、漳衛(wèi)新河和南運(yùn)河組成，流經(jīng)山西、河南、河北、山東4省從天津市入渤海，流域面積37700km2。流域地處溫帶半干旱、半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，流域年平均氣溫在 1.5～14.0℃，年平均相對(duì)濕度50%～70%；冬季受西伯利亞大陸性氣團(tuán)控制，寒冷少雪；春季受蒙古大陸性氣團(tuán)影響，氣溫回升快，風(fēng)速大，氣候干燥，蒸發(fā)量大，往往形成干旱天氣；夏季受海洋性氣團(tuán)影響，比較濕潤，氣溫高，降雨量多，且多暴雨，但因歷年夏季太平洋副熱帶高壓的進(jìn)退時(shí)間、強(qiáng)度、影響范圍等很不一致，致使降雨量的變差很大，旱澇時(shí)有發(fā)生；秋季為夏冬的過渡季節(jié)，一般年份秋高氣爽，降雨量較少[1]。

漳衛(wèi)南運(yùn)河區(qū)域多年平均年降雨量為549mm，水資源總量 102.1億 m3，全流域人均 212.0m3，低于海河流域 350.0m3的人均值，不足全國的 1/9，年平均陸面蒸發(fā)量470mm，水面蒸發(fā)量1100mm。是我國水資源嚴(yán)重短缺的地區(qū)之一，而且時(shí)空分布不均，水生態(tài)環(huán)境狀況惡化程度高[2]。針對(duì)日趨嚴(yán)重的水資源供需矛盾，如果利用漳衛(wèi)南運(yùn)河季節(jié)性洪水資源，將洪水資源化，對(duì)緩解海河流域水資源供需矛盾、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 數(shù)學(xué)模型

河網(wǎng)水位流量過程求解的基本方程采用明渠非恒定流連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程聯(lián)合求解[2]。明渠非恒定流連續(xù)方程中，可理解為流量隨流程的變化率為斷面面積隨時(shí)間變化率。qL為單位長度上的旁側(cè)匯流流量，匯入流量取正號(hào)，出流流量為負(fù)號(hào)，連續(xù)方程如下：

式中：Q為明渠流流量；s為距離；A為斷面面積；t為時(shí)間。

明渠非恒定流運(yùn)動(dòng)方程如下：

式中：K為流量模式，是謝才系數(shù)；R是水力半徑；g重力加速度；Z為水位。

堰閘按自由出流、淹沒出流2種方式計(jì)算。對(duì)于自由出流（孔流或堰流）有計(jì)算公式：

式中：m為綜合流量系數(shù)；b為閘孔凈寬；h0為閘前水深；h為計(jì)算過流水深，對(duì)于堰流h=h0，對(duì)于孔流h=a，a為閘前水頭或總水頭。

水頭a計(jì)算公式如下：

式中：a0為行近加速度；ν0為行近流速。

對(duì)于淹沒出流有計(jì)算公式：

式中：Zi，Zi+1為斷面i和i+1的水位；Ф為淹沒出流系數(shù)。

由 Preissmann 隱式格式推導(dǎo)公式Z=p-νQ，計(jì)算推導(dǎo)系數(shù)p，ν值已知，以堰閘為內(nèi)節(jié)點(diǎn)，聯(lián)合求解可得 ? （Q）=0函數(shù)。其中，Z為水位，Q為流量。

2 計(jì)算水系結(jié)構(gòu)

漳河上游支流眾多，水系呈扇形分布，主要支流有清漳河與濁漳河2支，2條河在合漳村匯合后稱漳河，流域面積19220km2，山區(qū)約占95%。合漳村以下漳河2岸山谷陡峭，水流湍急，比降1/100～1/300，至岳城水庫出山區(qū)進(jìn)入平原后，河底平均坡降約1/2430。漳河在岳城水庫以下干流河道長約115.38km。衛(wèi)河發(fā)源于河南省輝縣蘇門山之百泉，先后納左岸的淇河、湯河、安陽河等十余條梳齒狀山區(qū)支流，于徐萬倉與漳河交匯。衛(wèi)河干流全長 275.00km，流域面積15142km2，其中山區(qū)約占60%。衛(wèi)河左堤與漳河右堤之間的三角區(qū)為大名滯洪區(qū)。漳、衛(wèi)2河于徐萬倉相匯后稱衛(wèi)運(yùn)河。衛(wèi)運(yùn)河是蜿蜒型河道，自徐萬倉至四女寺樞紐河長161.50km，中間無支流匯入。四女寺樞紐上游、衛(wèi)運(yùn)河右岸有恩縣洼蓄滯洪區(qū)。漳衛(wèi)新河自四女寺南、北進(jìn)洪閘向東至大口河入渤海，河道長 257.00km，是人工開挖的比較順直的微曲型河道。漳衛(wèi)新河上段分為岔河、減河2支，河長分別為 44.00，53.00km，岔河、減河于大王鋪匯合，漳衛(wèi)南運(yùn)河河網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 漳衛(wèi)南運(yùn)河河網(wǎng)結(jié)構(gòu)

該研究中漳衛(wèi)南中下游為研究對(duì)象，漳河的岳城水庫出流、衛(wèi)河的元村斷面來水為計(jì)算上邊界，漳衛(wèi)新河辛集蓄水閘為下邊界。

流域上游山區(qū)洪水經(jīng)水庫調(diào)節(jié)后進(jìn)入平原，這部分水庫棄水可以利用中下游的湖泊洼地、河道存蓄起來，提高洪水資源的利用率。漳衛(wèi)南運(yùn)河水系中下游河道堤岸建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較高，且沿途建有多個(gè)閘壩，有較強(qiáng)的蓄水能力，具備了較好的洪水資源利用條件。沿程有漳河、衛(wèi)河、衛(wèi)運(yùn)河、南運(yùn)河、岔河、減河、漳衛(wèi)新河，其中衛(wèi)運(yùn)河有祝官屯蓄水閘、四女寺樞紐，岔河有七里莊蓄水閘、吳橋蓄水閘，減河有袁橋蓄水閘，漳衛(wèi)新河有王盤營蓄水閘、羅寨蓄水閘、慶云蓄水閘、辛集蓄水閘[4]；該研究以岳城水庫出庫流量及衛(wèi)河元村站流量為模型上邊界，模型下邊界為下游水閘的水位流量關(guān)系，沿程側(cè)向引水及由四女寺節(jié)制閘泄流至南運(yùn)河流量均作為側(cè)向流量處理。

1）河道共6條，1漳河，2衛(wèi)河，3衛(wèi)運(yùn)河，4岔河，5減河，6漳衛(wèi)新河。

2）河流交匯節(jié)點(diǎn)6個(gè)，①、②、⑥ 為外節(jié)點(diǎn)，③、④、⑤ 為內(nèi)節(jié)點(diǎn)。

3）水閘節(jié)點(diǎn)：衛(wèi)運(yùn)河的祝官屯樞紐（A），岔河的七里莊蓄水閘（B）、吳橋蓄水閘（C），減河的袁橋蓄水閘（D），漳衛(wèi)新河的王營盤蓄水閘（E）、羅寨蓄水閘（F）、慶云蓄水閘（G）、辛集閘（H）。

河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處理方法如表1所示，分內(nèi)外節(jié)點(diǎn)處理。外節(jié)點(diǎn)包括上、下邊界條件，模型上邊界有岳城和衛(wèi)河元村流量過程，下邊界為辛集閘的水位流量關(guān)系。對(duì)內(nèi)節(jié)點(diǎn)根據(jù)河網(wǎng)關(guān)系分別處理。

3 節(jié)點(diǎn)模擬處理

季節(jié)性水資源來得快、猛，利用不當(dāng)很容易造成災(zāi)害，因此盡可能對(duì)中小洪水利用。盡量利用水庫、攔河閘壩、自然洼地、人工湖泊、地下水庫等蓄水工程攔蓄洪水；延長洪水在河道、蓄滯洪區(qū)等滯留時(shí)間；恢復(fù)河流及湖泊、洼地的生態(tài)環(huán)境，并最大可能補(bǔ)充地下水[5]。

表1 河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處理方法

該調(diào)度模擬針對(duì)洪水特點(diǎn)，常規(guī)調(diào)度時(shí)，蓄水閘均為開閘泄洪，為了提高洪水結(jié)束后河道蓄量，模擬計(jì)算時(shí)，蓄水閘的調(diào)度方式做適當(dāng)調(diào)整。在洪水調(diào)度計(jì)算結(jié)束時(shí)間的n小時(shí)以前，水閘為全開調(diào)度；計(jì)算的最后n小時(shí)，蓄水閘采用水位控制，當(dāng)滿足允許最高水位和閘上下允許最大水位差時(shí)，水閘為關(guān)閉狀態(tài)，否則來水量全部下泄。符合以下條件之一時(shí)閘門關(guān)閉：1）上、下游水位差在允許范圍內(nèi)，閘門頂高程與上游水位差大于預(yù)先設(shè)定值，且上游水位大于下游水位；2）上游水位不大于堰底高程。

當(dāng)不具備關(guān)閉條件時(shí)，閘門開啟，分為淹沒、自由出流進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)下游水位大于堰底高程為淹沒出流，淹沒出流系數(shù)一般選擇 0.4～0.5。自由出流時(shí)，當(dāng)閘門開啟高度與上游水深比值大于 0.65時(shí)為堰流，否則為孔流。堰流系數(shù)一般選擇 0.4～0.5。該調(diào)度控制方式可保證蓄水閘在洪水過后達(dá)到理想的最大蓄量，并為實(shí)際調(diào)度提供平均過閘流量，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

洪水泄流期間從排洪河道2側(cè)引水可有效提高洪水資源利用量，漳衛(wèi)南運(yùn)河水系洪水主要由上游山區(qū)暴雨產(chǎn)生，洪水期中下游2側(cè)通常仍具有引水蓄洪能力，因此，可在模型中增加側(cè)向引水，模擬提高洪水資源利用量。

漳衛(wèi)南運(yùn)河實(shí)行跨水系側(cè)向引水途徑主要有入白洋淀、衡水湖、滄州地區(qū)等通道，以及漳南渠、民有渠等，在技術(shù)可行方案合理情況下可適當(dāng)啟用大名泛區(qū)、恩縣洼。河道2側(cè)的引水閘、揚(yáng)水泵站等，也是洪水資源利用的有效引水工程，運(yùn)河2側(cè)采用多年平均引水流量統(tǒng)計(jì)，閘站總引水流量可達(dá)60m3/s，若啟用蓄滯洪區(qū)及跨流域引水，總引水流量可達(dá)240m3/s。

4 結(jié)語

該模型整理分析了 1996、2000年漳衛(wèi)南運(yùn)河洪水資料，模型采用 1996年資料進(jìn)行模型參數(shù)率定，使用 2000年資料進(jìn)行模型驗(yàn)證，經(jīng)過了多次調(diào)參試算，得到了1套計(jì)算結(jié)果較為理想的參數(shù)，洪峰水位率定誤差小于 0.50m，洪峰流量相對(duì)誤差小于12%。該模型適合計(jì)算多種情景洪水及引水利用過程，計(jì)算效率、精度可滿足實(shí)際調(diào)度要求。

利用好季節(jié)性洪水資源，可適度緩解供需矛盾，補(bǔ)充地下水，為此，應(yīng)加快季節(jié)性洪水資源利用研究與實(shí)踐。

[1] 水利部海河水利委員會(huì).[EB/OL].[2011-04-01]http://www.hwcc.gov.cn/pub/hwcc/static/lygk/lyzs.htm.

[2] 漳衛(wèi)南運(yùn)河管理局.[EB/OL].[2011-03-01].http://www.zwnj.gov.cn/main3.php?menu = 基本情況&menuid =1&xwlx = 流域概況 &id = 2233&lx = 流域概況.

[3] 李家星.水力學(xué)[M].南京：河海大學(xué)出版社，1995: 168-188.

[4] 水利部海河水利委員會(huì).海河流域重點(diǎn)防洪工程基礎(chǔ)資料匯編 （河道堤防）[R].2004: 136-216.

[5] 南京水利科學(xué)研究院，中國水利水電科學(xué)研究院，水利部海河水利委員會(huì)，等.海河流域洪水資源安全利用關(guān)鍵技術(shù)研究[R].2005: 174-223.