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    流域洪水資源利用的理論框架探討Ⅱ:應(yīng)用實(shí)例

    2017-05-07 03:18:17王宗志劉克琳齊春三譚樂彥
    水利學(xué)報(bào) 2017年9期
    關(guān)鍵詞:南四湖洪水河道

    王宗志,劉克琳,程 亮,齊春三,譚樂彥

    (1.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210029;2.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院,山東 濟(jì)南 250013)

    1 研究背景

    中國(guó)水資源時(shí)空分布高度不均、與人類社會(huì)需求顯著不匹配,這使得水資源開發(fā)利用就是通過興建水利工程以及優(yōu)化其調(diào)度方式等工程和非工程措施來提高水資源調(diào)控利用能力,從而盡可能多地將汛期洪水轉(zhuǎn)化為常規(guī)水資源的過程[1-2]。從這一意義上講,“洪水資源利用”或“洪水資源化”的具體實(shí)踐早已有之且長(zhǎng)期存在,但這一概念的明確提出則肇始于21世紀(jì)初[3]。2002年國(guó)家防辦組織南京水利科學(xué)研究院、大連理工大學(xué)和武漢大學(xué)等單位開展了涵蓋設(shè)計(jì)洪水計(jì)算、汛限水位分期設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)控制專題研究,拉開了國(guó)內(nèi)水庫(kù)洪水資源利用研究序幕[4-5]。之后,圍繞水庫(kù)洪水資源利用技術(shù)開展了大量研究,比較有代表性的成果有:胡四一等[2,6]提出了汛限水位分期調(diào)整及綜合論證的技術(shù)方法,研發(fā)了防洪系統(tǒng)洪水資源利用技術(shù),研究成果在潘家口水庫(kù)、密云水庫(kù)以及北三河水系、灤河水系得到成功應(yīng)用。郭生練等[4,7-9]評(píng)價(jià)了國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)洪水計(jì)算進(jìn)展,以三峽等大型水庫(kù)為對(duì)象開展了水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制方式研究;王本德等[5,10]評(píng)價(jià)了降雨、洪水預(yù)報(bào)信息和調(diào)度人員經(jīng)驗(yàn)在水庫(kù)實(shí)時(shí)調(diào)度中的可用性,提出了基于預(yù)蓄預(yù)泄和綜合信息模糊推理模式的動(dòng)態(tài)汛限水位控制方法,并在大伙房、葠窩、于橋等水庫(kù)得到成功應(yīng)用;Yun等[11]探討了汛限水位分期運(yùn)用和動(dòng)態(tài)控制對(duì)供水的影響;Chou等[12]研究了基于期望缺水量最小的水庫(kù)防洪預(yù)泄策略;鐘平安等[13]探索了梯級(jí)水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制域的計(jì)算問題,王忠靜等[14]對(duì)洪水資源利用的適度性進(jìn)行了分析;Ding等[15]提出了考慮預(yù)報(bào)不確定性和可接受風(fēng)險(xiǎn)的水庫(kù)洪水資源利用的分析框架。上述成果:(1)主要集中在水庫(kù)上,鮮見如何從整個(gè)流域系統(tǒng)出發(fā),探討實(shí)施洪水資源利用的系統(tǒng)公開報(bào)道;(2)主要集中在技術(shù)方法層面,尚未建立其完備的理論方法體系和系統(tǒng)的應(yīng)用模式。這在一定程度上阻礙了洪水資源利用的具體實(shí)踐。為此,本文將文獻(xiàn)[1]建立的集潛力評(píng)價(jià)、利用方式選擇和風(fēng)險(xiǎn)效益綜合評(píng)價(jià)于一體的流域洪水資源利用模式,系統(tǒng)應(yīng)用于南四湖流域,驗(yàn)證應(yīng)用模式的合理性和有效性,力圖為類似研究和實(shí)踐提供借鑒與參考。

    2 南四湖流域洪水資源利用實(shí)例分析

    2.1 南四湖流域簡(jiǎn)介 南四湖流域位于淮河流域沂沭泗水系,流域面積31 700 km2,多年平均水資源量53億m3,多年平均降雨量684 mm。降水分布季節(jié)性差異大,汛期6—9月降水占全年的75%以上,其中7、8兩月約占全年的57%。流域內(nèi)最大的蓄水體——南四湖是中國(guó)第六大淡水湖,湖面面積1 266 km2。據(jù)近45年的實(shí)測(cè)資料分析,南四湖多年平均入湖水量27.13億m3,其中汛期入湖21.28億m3,占全年的78.4%;多年平均出湖水量(出境水量)16.57億m3,其中汛期出湖水量11.58億m3,占全年的69.9%。湖區(qū)承接蘇、魯、豫、皖4省32個(gè)縣(市、區(qū))來水,匯集大小河流共有53條,湖東28條,湖西25條,來水經(jīng)南四湖調(diào)蓄后,經(jīng)韓莊運(yùn)河和不牢河下泄入中運(yùn)河,再下排駱馬湖。經(jīng)過新中國(guó)成立以來60余年的工程建設(shè),南四湖流域防洪能力顯著提高,目前已基本建成由湖東山丘區(qū)水庫(kù)、湖西平原河網(wǎng)閘壩群和流域中央大型湖泊(南四湖)構(gòu)成的河湖庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用的防洪系統(tǒng)(如圖1所示),流域防洪標(biāo)準(zhǔn)總體達(dá)到50年一遇,局部達(dá)100年一遇。可見,南四湖流域具備了實(shí)施洪水資源利用的資源條件和工程基礎(chǔ)[3]。

    2.2 潛力評(píng)價(jià)

    2.2.1 資料收集及處理 本文收集了南四湖流域后營(yíng)、滕縣和薛城等10個(gè)入湖水文控制站1974—2008年的逐日流量資料,湖區(qū)南陽(yáng)、二級(jí)湖閘、微山等3個(gè)水文站1974—2008年的逐日降雨和蒸發(fā)資料,以及流域出口斷面韓莊閘、藺家壩閘站1974—2008年的逐月出湖流量資料。由于出湖控制站未能收集到逐日流量資料,只有逐月徑流資料,評(píng)價(jià)時(shí)把汛期(6—9月)界定為“洪水期”。南四湖流域大規(guī)模工程建設(shè)始于20世紀(jì)60年代,到20世紀(jì)70年代初期,流域工程布局就基本穩(wěn)定,因此可認(rèn)為流域20世紀(jì)70年代以來的洪水資源利用情況,基本可代表洪水資源利用現(xiàn)狀。基于此,由入湖控制站的逐日流量過程和湖區(qū)降雨蒸發(fā)資料,經(jīng)面積比修正以后,計(jì)算得到河川徑流量,并以此作為汛期天然洪水資源量。同時(shí)由出湖控制站的實(shí)測(cè)流量資料計(jì)算得到的出境水量,作為對(duì)應(yīng)現(xiàn)狀洪水調(diào)控利用能力的出境水量。此外,流域下游需由本流域下泄提供的生活和生產(chǎn)用水,由于目前尚未有水量或水權(quán)分配方案,同時(shí)考慮區(qū)域水資源稟賦條件,連同下游河道生態(tài)用水,本文用處于“中等”水平量級(jí)的生態(tài)環(huán)境需水量來代替。

    2.2.2 流域下游河道生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算 南四湖流域的下游出口河流是韓莊運(yùn)河和不牢河,其下泄流量分別由韓莊閘和藺家壩閘控制。運(yùn)用Tennant法對(duì)南四湖流域下游河流的生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行計(jì)算[16],這兩條河流的最小生態(tài)需水量確定為:非汛期(10月—翌年5月)取同期多年平均徑流量的10%,汛期(6—9月)取同期多年平均徑流量的15%(相當(dāng)于Tennant法“中等”水平對(duì)應(yīng)的需水量),見表1。

    (單位:億m3)表1 南四湖流域下游生態(tài)環(huán)境需水量

    由表1可以看出,南四湖流域下游河流汛期的最小生態(tài)環(huán)境需水量為1.045億m3。

    2.2.3 洪水資源利用潛力評(píng)價(jià) 根據(jù)文獻(xiàn)[1]式(8)計(jì)算得到南四湖流域逐年洪水資源實(shí)際利用量,發(fā)現(xiàn)近10年(1998—2008年)來,1998、2003、2004和2005年均發(fā)生了一定量級(jí)的洪水,經(jīng)綜合比較,選擇南四湖流域現(xiàn)階段(近期)2005年的實(shí)際利用量24.89億m3為現(xiàn)狀工程條件下的洪水資源調(diào)控利用能力。南四湖流域1974—2008年多年平均實(shí)際可利用量為14.67億m3,最大值為28.28億m3,發(fā)生在2003年,最小值發(fā)生在2002年為0.0億m3。經(jīng)計(jì)算多年平均洪水資源實(shí)際利用率為64.9%,有些年份達(dá)到了100%。此外,從多年平均角度來看,現(xiàn)狀可利用量大于實(shí)際利用量,但是有18年實(shí)際利用量大于可利用量(如圖2所示),占到總年份的51.4%,這些年份集中出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代初和90年代末,或多或少出現(xiàn)了洪水資源過度利用,擠占下游生態(tài)需水的現(xiàn)象。經(jīng)與年降水對(duì)比發(fā)現(xiàn),1980—2002年為歷史上的枯水年份,汛期降水均值425 mm遠(yuǎn)低于汛期多年平均492 mm,自2003年以后降水量才逐步趨于正常。

    圖2 南四湖流域洪水資源實(shí)際利用量與現(xiàn)狀可利用量

    圖3 南四湖流域洪水資源總量與利用潛力關(guān)系

    南四湖流域多年平均現(xiàn)狀利用潛力為2.88億m3,最大值為2008年12.70億m3,最小值為零。從年際分布來看,20世紀(jì)80年代中期以前及自2003年以后利用潛力較大,其中近幾年(2005—2008年)年均達(dá)到了9.33億m3,但中間除少數(shù)年份外,現(xiàn)狀利用潛力為零。南四湖流域多年平均(1974—2008年)洪水資源理論利用潛力為7.33億m3,最大值發(fā)生在2004年為32.92億m3,最小值為零,年際分布規(guī)律同現(xiàn)狀利用潛力。洪水資源量與洪水資源理論/現(xiàn)狀利用潛力的關(guān)系如圖3所示。

    2.3 利用方式選擇 南四湖湖西地區(qū)為古黃河沖積扇前緣,自西向東傾斜,地面高程34.00~39.00 m(廢黃河高程系統(tǒng),下同)、坡降1/3000-1/10000,沿湖周圍多為濱湖洼地。1949年以前,水系紊亂,標(biāo)準(zhǔn)偏低,坡水不能入河,河水難以入湖,汛期河湖水位壅高不下,堤防經(jīng)常決口漫溢,積水成災(zāi)。為治理洪澇問題,1949年以來,南四湖流域?qū)嵤┙y(tǒng)一規(guī)劃與管理,以“高水高排、低水低排”為理念對(duì)原有水系進(jìn)行大規(guī)模調(diào)整,對(duì)原有的諸多天然河流截?cái)?、廢棄,以近似于垂直南四湖中弘線的方向開挖新河道。目前湖西包括梁濟(jì)運(yùn)河、洙趙新河、東魚河、復(fù)新河、大沙河和新(老)萬福河等主要河流都是當(dāng)時(shí)開挖的人工河道。水系經(jīng)過調(diào)整后,河道行洪速度加快,濱湖地區(qū)的洪澇問題得到了有效緩解。但是隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,河道外用水大幅度增加,但由于南四湖調(diào)蓄能力不高,洪水一旦入湖便可迅速以棄水形式下泄排走,現(xiàn)有水系格局的不足逐步顯現(xiàn)出來。因此,溝通原有的天然廢棄河流與現(xiàn)在的人工河道,形成可控可調(diào)的水網(wǎng)體系,是實(shí)施洪水資源利用的重要方式之一[17]。

    流域中央為南四湖,是全流域31 700 km2匯水面積的唯一承泄區(qū),湖盆淺平,北高南低,形狀狹長(zhǎng),西北—東南走向,南北長(zhǎng)約125 km,東西寬約5~25 km,最窄處僅5 km,正常蓄水位條件下湖泊平均水深1.5 m左右,兼具一般湖泊調(diào)蓄和平原河道行洪功能。1960年在湖腰處開始建設(shè)二級(jí)壩(1975年建成),將南四湖分成上級(jí)湖和下級(jí)湖兩部分。上級(jí)湖匯水面積27 500 km2,占流域總面積的87%,汛期限制水位34.2 m,正常蓄水位34.5 m,興利庫(kù)容5.8億m3,死庫(kù)容1.9億m3。下級(jí)湖正常蓄水位32.5 m,死水位31.5 m,興利庫(kù)容4.6億m3,死庫(kù)容3.1億m3。二級(jí)壩東起??诶线\(yùn)河西堤,西至東丁官屯村東南順堤河?xùn)|堤,全長(zhǎng)7 360 m,由攔湖土壩,第一、二、三、四節(jié)制閘,船閘,溢洪道等組成,是南四湖流域最大的樞紐控制工程,其運(yùn)行方式直接決定了湖泊的蓄水狀態(tài)和全流域的水資源短缺形勢(shì)。但是,當(dāng)前二級(jí)壩汛限水位仍按照全汛期單值運(yùn)行。因此,優(yōu)化南四湖上級(jí)湖(二級(jí)壩)汛限水位可能是洪水資源利用的有效方式之一。

    湖東地區(qū)為低山丘陵區(qū)和山前沖積平原,地面高程35.00~60.00 m、坡降1/1000~1/3000,建有尼山、西葦、巖馬、馬河等4座大型水庫(kù)。巖馬水庫(kù)控制流域面積357 km2,總庫(kù)容2.03億m3,興利庫(kù)容1.04億m3,是一座以防洪為主結(jié)合灌溉、發(fā)電和養(yǎng)殖等綜合利用的大(II)型水庫(kù);馬河水庫(kù)控制流域面積94 km2,總庫(kù)容1.26億m3,興利庫(kù)容0.245億m3;尼山水庫(kù)控制流域面積264.1 km2,總庫(kù)容1.13億m3,興利庫(kù)容0.61億m3;西葦水庫(kù)流域面積為113.6 km2,總庫(kù)容1.07億m3,興利庫(kù)容0.41億m3。這4座水庫(kù)雖然屬于大型水庫(kù),但總體上興利庫(kù)容不大,加之入庫(kù)洪水源短流急,當(dāng)前預(yù)報(bào)水平總體偏低,水雨情自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)缺乏。因此,目前湖東地區(qū)利用水庫(kù)挖掘洪水資源的潛力不大。

    綜上所述,南四湖流域比較有效的洪水資源利用方式主要有[17]:湖西地區(qū)水系連通補(bǔ)償調(diào)控和南四湖上級(jí)湖汛限水位優(yōu)化控制兩種方式。從尺度上看,前者為“面”,后者為“點(diǎn)”,實(shí)施“面”方式可有效降低入湖洪水集中程度,為“點(diǎn)”方式騰出更多空間。

    2.4 南四湖汛限水位分期運(yùn)用 考慮到當(dāng)前南四湖流域的降水和洪水預(yù)報(bào)水平總體不高,因此南四湖上級(jí)湖采取汛限水位分期運(yùn)用更為符合實(shí)際情況。即在防洪除澇安全的前提下,研究南四湖控制水位汛后期調(diào)整技術(shù),改變過去整個(gè)汛期汛限水位恒定不變的做法,進(jìn)行分期運(yùn)用,最大限度地?cái)r蓄當(dāng)?shù)氐乇硭?,控制利用洪水資源。

    南四湖汛限水位分期運(yùn)用包括汛期合理性劃分、分期設(shè)計(jì)洪水計(jì)算、分期汛限水位推求三部分。根據(jù)1960—2008年南四湖上級(jí)湖逐日入湖流量資料及南四湖流域面平均降雨量資料,統(tǒng)計(jì)出汛期(6月1日—9月30日)逐旬最大入湖流量、年最大入湖量出現(xiàn)次數(shù)、旬最大3日徑流量、年最大3日徑流量出現(xiàn)次數(shù)、旬最大1日降水量、年最大1日降水量出現(xiàn)次數(shù)、旬最大3日降水量和年最大3日降水量出現(xiàn)次數(shù)等8個(gè)指標(biāo),建立行數(shù)為9、列數(shù)為8的高維時(shí)序矩陣,進(jìn)而采用系統(tǒng)聚類、K均值、變點(diǎn)分析和Fisher最優(yōu)分割等方法對(duì)汛期進(jìn)行合理性劃分[6]。通過多方法綜合分析表明,南四湖流域劃分為三期較為合理,6月1—30日為前汛期、7月1日—8月20日為主汛期、8月21日—9月30日為后汛期。依據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行分期設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果(南四湖入湖設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果見表1。表1中W7表示7日洪量,依此類推)[18]。

    將設(shè)計(jì)洪水成果代入南四湖“三湖兩河模型”進(jìn)行模擬計(jì)算?!叭珊幽P汀笔悄纤暮{(diào)洪演算模型[19],其名字來源于湖泊地形形狀。南四湖是自上而下南陽(yáng)湖、獨(dú)山湖、昭陽(yáng)湖和微山湖等四個(gè)湖的統(tǒng)稱。從地形來看,獨(dú)山湖與昭陽(yáng)湖互相溝通,水位相平為一個(gè)湖,簡(jiǎn)稱獨(dú)昭湖。這樣將南四湖分成3個(gè)湖,南陽(yáng)湖為A湖、獨(dú)昭湖為B湖、微山湖為C湖,A、B、C三個(gè)湖之間湖面較窄,形似河道,這樣南四湖就在形狀上表現(xiàn)為“三湖兩河”了。早在20世紀(jì)60年代,山東省勘測(cè)設(shè)計(jì)院的專家采用輔助線法建立了“三湖兩河”洪水演算模型,幾經(jīng)改進(jìn),被廣泛認(rèn)可并應(yīng)用于規(guī)劃設(shè)計(jì)工作中[19]。

    同時(shí)建立興利調(diào)節(jié)模型分析統(tǒng)計(jì)效益指標(biāo)——非汛期蓄滿率,風(fēng)險(xiǎn)效益指標(biāo)如表2所示。

    表2中方案0為汛限水位沒有抬高的方案,記為基本方案。方案1至方案6的風(fēng)險(xiǎn)(效益)指標(biāo)與基本方案的差,為因采用后汛期汛限水位抬高相應(yīng)洪水資源利用方案所增加的風(fēng)險(xiǎn)(效益);進(jìn)而再采用式(1)和式(2)對(duì)相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[20]

    表1 南四湖入庫(kù)洪量頻率計(jì)算成果 (單位:億m3)

    表2 南四湖后汛期汛限水位不同方案風(fēng)險(xiǎn)-效益指標(biāo)

    在同一個(gè)圖上,繪制蓄滿率增加、棄水減少標(biāo)準(zhǔn)化效益指標(biāo)和20年一遇洪水B湖高水位增幅、50年一遇B湖高水位增幅等標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo),見圖4。從圖4可以看出,隨著后汛期汛限水位的抬高,標(biāo)準(zhǔn)化的效益指標(biāo)隨著水位增高而增大,而標(biāo)準(zhǔn)化的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)(可認(rèn)為是實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)倒數(shù)歸一化)隨著水位抬高而降低,且在34.35 m時(shí)存在明顯拐點(diǎn)。

    圖4 后汛期汛限水位抬高與標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)險(xiǎn)-效益關(guān)系

    利用多目標(biāo)模糊識(shí)別決策法對(duì)汛限水位調(diào)整方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[20],得到南四湖后汛期汛限水位抬高至34.35 m時(shí)即方案3為所選。在該方案下,后汛期汛限水位較現(xiàn)狀抬高0.15 m,可增加興利庫(kù)容0.894億m3,20年和50年一遇洪水B湖高水位分別為0.026和0.020 m,可能增加的風(fēng)險(xiǎn)非常有限。

    2.5 湖西河系連通補(bǔ)償調(diào)節(jié) 湖西河系連通補(bǔ)償調(diào)節(jié),考慮河系間洪水發(fā)生的不同步性和洪水調(diào)控能力的差異性,在廢棄河道拓寬疏浚連通的基礎(chǔ)上,通過閘壩群的聯(lián)合調(diào)控,實(shí)現(xiàn)洪水在河系間的互濟(jì)調(diào)配,提高河網(wǎng)洪水的整體調(diào)控能力,挖掘洪水資源利用潛力。通過多次實(shí)地調(diào)研,確定了可以通過連通以往廢棄河道來優(yōu)化水系結(jié)構(gòu)的初步方案。溝通后湖西河網(wǎng)水系如圖5所示,圖5中虛線為需要簡(jiǎn)單疏浚溝通的河道。

    首先采用一維恒定流方法分段評(píng)價(jià)河道行洪能力。洙趙新河、東魚河和梁濟(jì)運(yùn)河的河道行洪能力較大,且自上游向下游呈遞增趨勢(shì);連接上述大河的南北向河流行洪能力偏低,特別是洙水河/豐收河、安濟(jì)河行洪能力非常低,例如洙水河-豐收河連通點(diǎn)處行洪能力目前不足5 m3/s,安濟(jì)河行洪能力不足8 m3/s、友誼河行洪能力不足15 m3/s。但經(jīng)分析,洙水河-豐收河河底較好,通過工程規(guī)模不大的局部堤防整理加固抬高,便可達(dá)到30 m3/s的過流能力;安濟(jì)河可通過提高加固與河底的平順治理,行洪能力便可較容易的達(dá)到60 m3/s。此外,通過疏浚大沙河與東魚河連接處河道、友誼河與洙趙新河連接處河道,便可實(shí)現(xiàn)湖西地區(qū)大河之間的互聯(lián)互通。根據(jù)河道行洪能力評(píng)價(jià)結(jié)果,考慮到經(jīng)濟(jì)可行等原則,提出的河道行洪能力的改善方案為:安濟(jì)河行洪能力由目前不足8 m3/s提高60 m3/s,洙水河-豐收河由目前的5 m3/s提高到30 m3/s。

    圖5 南四湖湖西水系間洪水互濟(jì)調(diào)控示意圖

    在此基礎(chǔ)上,建立考慮河道下滲的南四湖湖西河網(wǎng)洪水調(diào)控模型[21]進(jìn)一步獲取閘壩群優(yōu)化調(diào)控方案,該模型中含有6座水閘,假設(shè)每座水閘存在n種可調(diào)方式,那么就有n6種聯(lián)合調(diào)度方案。即使每座閘壩調(diào)整方案僅有4種,那么也存在46(4096)個(gè)可選擇方案,該數(shù)字對(duì)于水力學(xué)計(jì)算而言依然是非常龐大的。因此,在大量模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,經(jīng)驗(yàn)性設(shè)計(jì)了4組可行的運(yùn)行方案,如表3所示。

    表3 南四湖湖西地區(qū)主要控制性水閘運(yùn)行方案設(shè)計(jì) (單位:m)

    利用1998年洪水(8月21日—8月29日,以下簡(jiǎn)稱199808洪水)和2004年洪水(8月27日—9月2日)對(duì)模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證(限于篇幅率定和驗(yàn)證的結(jié)果對(duì)比圖略去),結(jié)果表明,模型滿足使用要求。

    科學(xué)調(diào)度河網(wǎng)閘壩群,既可以適當(dāng)轉(zhuǎn)移局部地區(qū)的防洪風(fēng)險(xiǎn),提高流域整體的防洪能力,還可以通過增加洪水與河網(wǎng)(陸面)的接觸時(shí)間,減少河道斷流,增加有效水資源量,補(bǔ)給地下水[21]。但是調(diào)度不當(dāng),則可能會(huì)出現(xiàn)人造洪峰,出現(xiàn)洪水漫堤和潰決風(fēng)險(xiǎn)。為此,本文從風(fēng)險(xiǎn)和效益兩個(gè)方面,建立可以描述河網(wǎng)洪水運(yùn)行效果的指標(biāo),進(jìn)而評(píng)價(jià)優(yōu)選閘壩群優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行方案。具體指標(biāo)如下:

    (1)所有斷面計(jì)算水位超過設(shè)計(jì)水位的平均時(shí)間TWz

    式中:Δt為模型計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng);T為洪水模擬歷時(shí);sgn(*)為符號(hào)函數(shù),如果*大于零,其值為1,否則其值為0;Ncs為河網(wǎng)斷面數(shù)目;為斷面n時(shí)刻t的計(jì)算水位;表示斷面n超出設(shè)計(jì)水位的時(shí)間。

    (2)系統(tǒng)中超過設(shè)計(jì)水位斷面的最長(zhǎng)超過時(shí)間TWmax

    (3)系統(tǒng)中超過設(shè)計(jì)水位的所有斷面數(shù)目NWz

    (4)系統(tǒng)中所有斷面低于臨界水深的平均滯蓄時(shí)間TCz

    式中Dc(n)為斷面n的臨界水深。

    眾所周知,臨界水深作為效益指標(biāo)的一個(gè)重要概念,它表示河流健康狀況的一個(gè)臨界值,如果河道水深低于該值意味著河流生態(tài)系統(tǒng)遭受到一定的破壞,理論上講每個(gè)斷面有一個(gè)特定值,但是本文只重視其相對(duì)性,為此在模型中統(tǒng)一取0.5 m作為臨界水深值。

    (5)系統(tǒng)中低于臨界水深斷面的最長(zhǎng)時(shí)間TCmax

    (6)系統(tǒng)中低于臨界水深的斷面數(shù)目NCz

    (7)河道入滲水量。河道滲漏補(bǔ)給量的計(jì)算參考達(dá)西定律,其計(jì)算公式為:

    式中:Wg為河道滲漏補(bǔ)給量,m3;Ki為第i個(gè)計(jì)算河段剖面位置的滲透系數(shù),m/s;Ji為第i個(gè)河段垂直于剖面的水力坡度(無因次);Ai為第i個(gè)計(jì)算河段單位長(zhǎng)度河道垂直于地下水流向的剖面面積,m2/m;Li為第i個(gè)計(jì)算河段的河段長(zhǎng)度,m;Ni計(jì)算河段數(shù)目;Δtt為第t計(jì)算時(shí)段的時(shí)段長(zhǎng)度,s。

    (8)河網(wǎng)滯蓄水量。根據(jù)水量平衡,時(shí)段T內(nèi)系統(tǒng)的蓄滯水量ΔW為:

    式中:Δt為t到t+1時(shí)刻之間的時(shí)間步長(zhǎng);為t時(shí)刻從外界i進(jìn)入系統(tǒng)的流量,m3/s;Qjl(t)為時(shí)刻t系統(tǒng)內(nèi)區(qū)間j自產(chǎn)水流量;為時(shí)刻t從下邊界k排出系統(tǒng)的流量;Nu為系統(tǒng)上邊界數(shù)目,Nj為系統(tǒng)側(cè)邊界數(shù)目,Nk為系統(tǒng)下邊界數(shù)目。

    式(3)—式(5)是通過判斷“斷面水位是否超過設(shè)計(jì)水位”來刻畫防洪風(fēng)險(xiǎn)的3個(gè)指標(biāo);式(6)—式(8)是通過判斷“斷面水位是否低于臨界水深”來刻畫生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的3個(gè)指標(biāo);式(9)和式(10)是直接用于描述系統(tǒng)蓄水狀態(tài)的效益指標(biāo)。

    針對(duì)199808洪水,計(jì)算閘壩群不同聯(lián)合調(diào)度方案下的風(fēng)險(xiǎn)效益指標(biāo)值,如表4所示,其中方案0為現(xiàn)狀運(yùn)行方案。

    經(jīng)投影尋蹤綜合評(píng)價(jià)[20],方案3為優(yōu)選推薦的湖西平原水系連通補(bǔ)償調(diào)控方案。從表4可知,采用方案3,199808洪水可在幾乎不增加防洪風(fēng)險(xiǎn)的前提下,增蓄水量1.358億m3,其中河網(wǎng)下滲增蓄水0.409億m3,河網(wǎng)增蓄水為0.949億m3。

    表4 199808洪水湖西河網(wǎng)洪水閘壩群聯(lián)合調(diào)度方案評(píng)估指標(biāo)

    3 結(jié)論

    將文獻(xiàn)[1]建立的流域洪水資源利用模式系統(tǒng)應(yīng)用于南四湖流域,評(píng)價(jià)了洪水資源利用現(xiàn)狀和潛力;根據(jù)南四湖流域防洪系統(tǒng)的組成,論述了洪水資源利用方式的選擇過程,指出二級(jí)壩汛限水位分期運(yùn)用、湖西平原河流連通補(bǔ)償調(diào)節(jié)是南四湖流域洪水資源利用方式的現(xiàn)實(shí)選擇和有效途徑,進(jìn)而詳細(xì)闡述了風(fēng)險(xiǎn)-效益因子識(shí)別、量化,以及通過綜合評(píng)價(jià)獲得最佳洪水資源利用方式的過程,論述了流域洪水資源利用模式的普適性和合理性。南四湖流域洪水資源利用的主要結(jié)論如下:(1)流域多年平均(1974—2008年)現(xiàn)狀和理論可利用量分別為16.29億~18.08億m3、20.50億~21.55億m3,現(xiàn)狀和理論利用潛力分別為2.66億~3.86億m3和6.78億~7.33億m3。(2)流域汛期劃分為三期最為合理,其中6月1日—30日為前汛期、7月1日—8月20日為主汛期、8月21日—9月30日為后汛期;后汛期汛限水位由現(xiàn)狀34.2 m抬高0.15 m至34.35 m,可在不顯著增加防洪風(fēng)險(xiǎn)的前提下(20年和50年一遇洪水高水位僅分別抬高0.026和0.020 m),增加興利庫(kù)容0.894億m3。(3)建立了定量描述河網(wǎng)洪水資源利用效果的風(fēng)險(xiǎn)效益指標(biāo),提出了湖西河流補(bǔ)償調(diào)控方案,該方案(對(duì)于199808洪水情景)可在幾乎不增加防洪風(fēng)險(xiǎn)的前提下增蓄水量1.358億m3,其中河網(wǎng)下滲增蓄水量0.409億m3,河網(wǎng)增蓄水量為0.949億m3。

    需指出的是,本文旨在流域洪水資源利用理論框架的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步驗(yàn)證理論框架和應(yīng)用模式的合理性,限于篇幅關(guān)于洪水資源利用方式具體技術(shù)環(huán)節(jié)的描述或許是相對(duì)粗糙的,且這些技術(shù)均屬于規(guī)劃設(shè)計(jì)層面,加強(qiáng)實(shí)時(shí)條件下流域洪水資源利用的技術(shù)突破和應(yīng)用實(shí)踐是今后的努力方向。

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