渾河沈陽城市段工程防洪調(diào)度方案研究

張建國，楊斌斌

（1.沈陽市水利局，遼寧 沈陽 110015；2.遼寧省江河流域管理局，遼寧 沈陽 110003）

1 工程背景

在沈陽市渾河城市段內(nèi)，在1959年至2004年之間建成已建成攔河壩6座：下干河子攔河壩、渾北攔河壩、王家灣橡膠壩（充氣橡膠壩）、渾南攔河壩（充水橡膠壩）、砂山橡膠壩（充水橡膠壩）和渾河閘。其中，王家灣和砂山橡膠壩是依據(jù)1989年編制的可研報(bào)告安排修建的，功能是抬高地下水位，擴(kuò)大城市河段的水域面積，美化環(huán)境。其余4壩1閘均為滿足灌溉要求修建的樞紐工程。

由于河段上主要可控建筑物為河道串聯(lián)方式分布梯級運(yùn)行，根據(jù)河道工程分布特征將整個(gè)城市段河道劃分為串聯(lián)區(qū)段，且區(qū)間無大型匯入與流出支流，屬典型河道梯級運(yùn)用調(diào)度方式。根據(jù)河道的特點(diǎn)與控制樞紐的分布，將管理河段劃分為相互關(guān)聯(lián)的4個(gè)區(qū)段（由上游至下游）：干河子壩到王家灣壩區(qū)段、王家灣壩到渾南壩區(qū)段、渾南壩到砂山壩區(qū)段、砂山壩到渾河閘區(qū)段。其中，城市段管理范圍內(nèi)的王家灣壩、渾南壩、砂山壩分別作為（1），（2），（3）3 個(gè)區(qū)段出口控制斷面，同時(shí)分別作為下游區(qū)段的入口斷面。區(qū)段（1）的入口斷面為干河子攔河壩（包括渾北攔河壩），區(qū)段（4）的出口斷面為渾河閘樞紐。斷面示意圖如圖1所示。

圖1 渾河沈陽城市段工程斷面示意圖

2 運(yùn)行方案

2.1 構(gòu)建原則

渾河沈陽城市段由汛期的控制調(diào)度模式轉(zhuǎn)換到主汛全部坍壩的恢復(fù)天然河道的模式需要一個(gè)過程，為保證安全穩(wěn)定的調(diào)度模式轉(zhuǎn)換，特制訂此方案。由于沈陽城市段主要以橡膠壩控制為主，受壩上溢流水深限制，造成下泄流量可控范圍較小，其不同壩上水深時(shí)的泄量按公式（1）計(jì)算。

式中：Q為過壩流量，m3/s；δ為淹沒系數(shù)；ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)；B為泄流壩寬；m為流量系數(shù)；h0為計(jì)入行進(jìn)流速的壩上水深，m。

攔河壩主汛期調(diào)度涉及到王家灣、渾南壩、砂山壩段的水量控制問題，三段區(qū)間為串聯(lián)關(guān)系，在調(diào)度過程中要考慮到以下約束條件：

1）王家灣橡膠壩汛期不得超汛限水位運(yùn)行。

2）王家灣橡膠壩、渾南橡膠壩、砂山橡膠壩在主汛期全部坍壩運(yùn)行。

3）全河段各處的橡膠壩在坍壩運(yùn)行時(shí)，應(yīng)先坍下游壩后坍上游壩，應(yīng)遵循先下后上的原則；在充壩運(yùn)行時(shí)應(yīng)先充上游壩后充下游壩，應(yīng)遵循先上后下的原則。

4）在充壩運(yùn)行時(shí)要防止壩袋共振現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2 基本思路

方案采用預(yù)蓄預(yù)泄方法進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度：在洪水到來前，提前以不超過壩體安全泄量的流量降低壩前水位，這就是預(yù)泄調(diào)度；而當(dāng)洪水到來時(shí)，上游工程攔蓄一部分洪水，給下游工程爭取調(diào)度時(shí)間，這就是預(yù)蓄調(diào)度。由于上游來水非徑流洪峰方式，無法采用設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行調(diào)度演算模擬來優(yōu)選調(diào)度方案，因此方案采用各工程能夠?yàn)橄掠喂こ陶{(diào)度爭取的錯(cuò)峰時(shí)間和各工程的泄洪時(shí)間來描述各工程的預(yù)蓄預(yù)泄能力。

由于王家灣與渾南壩的可控泄量范圍較大，均大于大伙房水庫常規(guī)計(jì)劃泄量，因此均可保證上游來水的正常通過。但砂山壩段的可控流量范圍較小，雖然在37 m水位下坍壩1孔的對應(yīng)流量可達(dá)545 m3/s，但此時(shí)泄量無法主動精確控制。只能通過調(diào)整壩前水位來控制泄量。因此當(dāng)砂山壩進(jìn)行放水操作時(shí)，不能在高水位下直接進(jìn)行坍壩到底的操作，以免坍壩造成的人為洪峰。

方案的基本思路：首先，在上游大于95 m3/s洪水到達(dá)前，通過砂山壩上游的渾南壩與王家灣壩的控制，將砂山壩的來水流量控制為小于95 m3/s，從而通過緩慢降低壩高的方式保持95 m3/s內(nèi)泄量來降低砂山壩的壩前水深，降低到砂山壩自然水位位置后將所有壩段坍落。其次，通過控制王家灣壩泄量放空渾南壩區(qū)段內(nèi)的水量。最后，放空王家灣壩區(qū)段水量。

2.3 調(diào)度能力分析

按照上述思路，根據(jù)水量平衡原理，通過計(jì)算不同來水流量條件下對應(yīng)砂山壩允許的預(yù)調(diào)度時(shí)間來衡量分析砂山壩的水位調(diào)節(jié)能力。

分析內(nèi)容為：砂山壩采用95 m3/s泄流，砂山壩壩前水位分別為 37，36.9，36.8，36.7，36.6，36.5 m，上游分別采用0～90 m3/s流量控制泄流，調(diào)度砂山壩的目標(biāo)為4孔全坍時(shí)，對應(yīng)流量為干流來水流量對應(yīng)的水位。通過上述調(diào)度條件對所需調(diào)度時(shí)間進(jìn)行演算結(jié)果，見表1。

表1 砂山壩調(diào)度能力成果表

通過上面的調(diào)度方法，可將砂山壩的調(diào)度模式按照上述對應(yīng)的調(diào)度方法，按分析的時(shí)間調(diào)度為4孔坍壩模式，即可開始對渾南壩和王家灣壩的調(diào)度。渾南壩按照水位從40.5 m降到38.5 m來分析調(diào)度能力，結(jié)果見表2。

表2 渾南壩調(diào)度能力成果表

當(dāng)砂山壩與渾南壩恢復(fù)天然河道后，王家灣壩即可進(jìn)行坍壩，按照水位從44.5 m降到上游來水流量對應(yīng)壩體全坍的水位所需調(diào)度時(shí)間來分析調(diào)度能力，結(jié)果見表3。

表3 王家灣壩調(diào)度能力成果表

2.4 調(diào)度方案

1）根據(jù)干流的來水流量，按照先下后上的原則先對砂山壩進(jìn)行放水，根據(jù)渾南壩的下泄流量與砂山壩的下泄流量在成果表1中的時(shí)間內(nèi)將砂山壩恢復(fù)天然河道狀態(tài)。

2）根據(jù)干流的來水流量，對渾南壩進(jìn)行放水，根據(jù)渾南壩的下泄流量與王家灣壩的下泄流量在成果表2中的時(shí)間內(nèi)將渾南壩恢復(fù)天然河道狀態(tài)。

3）根據(jù)干流的來水流量，對王家灣壩進(jìn)行放水，根據(jù)王家灣壩的下泄流量在成果表3中的時(shí)間內(nèi)將渾南壩恢復(fù)天然河道狀態(tài)。

3 結(jié)論

1）基于城市防洪的實(shí)際需要，編制了渾河沈陽段的河道工程汛期防洪調(diào)度方案，具有較高的實(shí)用性，對其他類似的城市段河道工程汛期調(diào)度運(yùn)行也有較好的借鑒作用，促進(jìn)了工程運(yùn)行管理的規(guī)范化、科學(xué)化。

2）基于方案已經(jīng)建立了渾河沈陽城市段樞紐聯(lián)合控制運(yùn)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了渾河沈陽城市段模擬調(diào)度，可有效提高決策者、管理者和專業(yè)技術(shù)人員的工作效率與效果。

3）方案是在渾河沈陽城市段現(xiàn)有設(shè)計(jì)與觀測資料基礎(chǔ)上，結(jié)合水工物理模型成果完成的，由于河段內(nèi)涉及的主要控制樞紐的建成使用時(shí)間較短，且無實(shí)際流量觀測系列數(shù)據(jù)，因此本方案可控建筑的水位流量關(guān)系主要采用原設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算而得。今后應(yīng)建立各控制斷面流量觀測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動化觀測，使方案更滿足實(shí)際工作情況。

[1]周政民，武烈河橡膠壩群汛期調(diào)度方案研究[J].水科學(xué)與水工程技術(shù)，2011（5）：4-6.

[2]徐智延，孫延璽，等.沂河梯級橡膠壩汛期調(diào)度運(yùn)用原則探討[J].中國水利，2008（19）：61-62.