多級閘門調(diào)控下徒駭河流域雨洪資源利用

王坤　楊同春　徐征和　周肆訪　王江婷　徐晶

摘要：徒駭河流域缺水嚴(yán)重，水資源供需矛盾尖銳，而汛期雨量豐富且蓄滯工程較為完善，因此提出通過合理地調(diào)度使用主河道上的多級閘門來提高雨洪資源利用率以緩解供需矛盾的思路。選用MIKE11軟件建立多級閘門調(diào)控下雨洪演進(jìn)模擬模型，主要運(yùn)用其中的水動力模型（HD）和降雨徑流模型（NAM），并將兩者進(jìn)行耦合，設(shè)計了閘門全開、水位控制、水位差控制三種調(diào)度模式，結(jié)合典型年的選取，進(jìn)行典型工況下雨洪演進(jìn)模擬。基于模擬結(jié)果，利用水量調(diào)控計算方法對流域調(diào)控水量進(jìn)行定量分析和比較，結(jié)果表明，通過對閘門的調(diào)度，可提高雨洪資源利用率，更大程度地解決流域水資源危機(jī)。

關(guān)鍵詞：徒駭河流域；多級閘門；雨洪資源；模擬；MIKE11；水量調(diào)控

中圖分類號：TV 122.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）02-0050-08

近年來徒駭河流域?yàn)?zāi)害頻發(fā)，常出現(xiàn)連旱連澇或是旱澇交織現(xiàn)象，嚴(yán)重制約了國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。流域內(nèi)河道洪水主要由汛期暴雨所致，降水量高度集中，占全年總降水量的60%～80%。降水的年內(nèi)、年際以及空間分布的不均性給水資源的充分利用帶來了困難。為了管理汛期多余水量，以備枯水期之用，就需要制定合理的水量調(diào)控措施。徒駭河流域雖缺少對水量進(jìn)行調(diào)控的大中型水庫，但河流主干道上已建的多級閘門可以為充分利用汛期雨量提供良好的基礎(chǔ)設(shè)施。由于現(xiàn)實(shí)中閘門的運(yùn)行存在很大的人為性和隨意性，使得雨洪資源量利用率不高。因此，本文提出利用合理的調(diào)度規(guī)則對閘門運(yùn)行進(jìn)行調(diào)度，以期充分發(fā)揮河道調(diào)蓄功能來實(shí)現(xiàn)豐水枯用。

目前，已有學(xué)者在閘門調(diào)度以及雨洪資源利用方面進(jìn)行了一些研究工作，例如谷洪梅、左其亭等分析了閘門調(diào)度對河流水質(zhì)及水量調(diào)控方面的影響；閆軻在總結(jié)國內(nèi)外雨洪利用的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)后，介紹了雨洪資源利用工程和非工程的措施；毛慧慧、田友等在雨洪資源利用現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，對洪水資源化在海河流域水生態(tài)恢復(fù)中的重要性及其實(shí)現(xiàn)途徑做了探討。本人在前人的基礎(chǔ)上，以徒駭河流域?yàn)檠芯繉ο?，利用?shù)值模擬軟件MIKE11對不同閘門調(diào)度模式下的雨洪演進(jìn)過程進(jìn)行模擬，計算出不同降水典型年不同閘門運(yùn)行工況下的可調(diào)控水量，并進(jìn)行規(guī)律總結(jié)和調(diào)度效益分析，為徒駭河流域雨洪資源高效利用提供一定的理論依據(jù)。

1流域基本概況

1.1自然地理概況

徒駭河流域?qū)儆谌A北平原，位于海河流域最南部，南鄰黃河下游流域。發(fā)源于山東聊城莘縣古云鎮(zhèn)文明寨村東，流向?yàn)槲髂现翓|北方向，與黃河流向幾乎平行。徒駭河流經(jīng)山東省13個縣（區(qū)），最終在沾化縣東風(fēng)港暴風(fēng)站流入渤海，整個流域呈窄長條帶狀。徒駭河在山東省境內(nèi)主河道全長406 km，流域面積13 296 km²。

1.2閘門概況

徒駭河水系處于人工調(diào)控的多閘門平原河網(wǎng)地區(qū)，水流幾乎全面受到閘門的控制。干流河道設(shè)置了12座節(jié)制閘（其中四河頭節(jié)制閘已經(jīng)停用）和1座橡膠壩。自上下游順序?yàn)闂钋f閘、李鳳桃閘、王堤口閘、陶橋閘、南劉橋閘、南營閘、宮家閘、營子閘、樊橋閘、堡集閘和壩上閘，具體分布情況見圖1。各級閘門分布較均勻，對汛期洪水具備良好的攔蓄能力，為雨洪資源的利用提供了基礎(chǔ)設(shè)施保障。通過對閘門的科學(xué)調(diào)度，可減少洪水下泄，在防洪安全的基礎(chǔ)上，將多余水量儲存起來，從而大大增加了河道的調(diào)蓄能力。為研究方便，將南劉橋閘、營子閘作為徒駭河上、中、下游流域分界線。

1.3水資源供需情況

通過查閱文獻(xiàn)以及查找《聊城市統(tǒng)計年鑒》、《濱州市統(tǒng)計年鑒》等統(tǒng)計信息，結(jié)合供需水量計算方法，可得徒駭河流域水資源供需情況見表1。

由表可知，保證率為50%的水平年，需水量比可供水量多19 444萬m³，缺水率為4 55%；保證率為75%的水平年，需水量比可供水量多79 913萬m³，缺水率高達(dá)16.39%。由此可知該研究區(qū)缺水嚴(yán)重，供需矛盾十分嚴(yán)峻。因此將汛期大量集中的降水儲存起來，充分合理地利用當(dāng)?shù)赜旰橘Y源，可一定程度上緩解供需矛盾。

2研究方法

2.1閘門調(diào)控下雨洪演進(jìn)模型建立

通過對國內(nèi)外已公開發(fā)布的水力學(xué)模型進(jìn)行收集和分析，徒駭河流域雨洪演進(jìn)模型選用了一維水力學(xué)模型軟件MIKE11。本研究中主要應(yīng)用其中的水動力模型和降雨徑流模型，并將其進(jìn)行耦合。水動力模型HD中的可控建筑物模塊（SO）是HD模型的特色，提供了豐富的閘門操作設(shè)計。模型中可設(shè)置不同的調(diào)度方案及其優(yōu)先級，可對各類實(shí)際工況運(yùn)行情況進(jìn)行模擬。

2.1.1降雨徑流模型（NAM）

NAM模型是一個由一系列以簡單定量關(guān)系描述水文循環(huán)中各種陸相特征連接起來的集總參數(shù)的概念性水文模型，模擬自然流域的降雨徑流過程。降雨產(chǎn)生的徑流以旁側(cè)入流的形式耦合到HD模型的河網(wǎng)中。

NAM模型調(diào)整的參數(shù)包括地表、根區(qū)儲水層及地下水儲水層相關(guān)參數(shù)。徒駭河流域上、中、下游段水文站均有較長的降雨、流量資料滿足NAM建模的需要，因此利用各子流域的降雨徑流資料建立NAM模型，用于計算區(qū)間入流。利用MIKE11的自動率定功能，結(jié)合人工調(diào)參方式對NAM模型中的各參數(shù)進(jìn)行率定，使得模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合程度較好（圖2-圖4），表2即為NAM模型中各參數(shù)的取值。

2.1.2水動力模型（HD）

HD模型基于垂向積分的物質(zhì)和動量守恒方程，即一維非恒定流圣維南（Saint-Venant）方程組來模擬河流或河口的水流狀態(tài)。方程組包括連續(xù)性方程和動量方程，其具體表達(dá)式如下。模型采用明渠非穩(wěn)定流隱式格式有限差分解，其差分格式采用了六點(diǎn)中心隱式差分格式（Abbott格式），離散后的線形方程組用追趕法求解。

（1）式中：x，t分別表示空間坐標(biāo)和時間坐標(biāo)；Q，h分別表示斷面流量和水位；A，R分別表示斷面的過水面積和水力半徑；B_s為河寬；q為旁側(cè)入流量；C為謝才系數(shù)；g為重力加速度；α為垂向速度分布系數(shù)。

水動力模型率定的主要參數(shù)是河道糙率。本文選取20 13年的流量過程分段進(jìn)行糙率的率定，經(jīng)過調(diào)算，徒駭河上、中、下游段糙率分別為為0.029、0.033、0.035。在MIKE View結(jié)果查看中導(dǎo)出上、中、下游閘門模擬計算值，然后與實(shí)測值進(jìn)行比較，分析模型的穩(wěn)定和準(zhǔn)確程度。上、中、下游的日徑流過程模擬結(jié)果見圖2-圖4。由模型的率定結(jié)果可知，徒駭河干流上游的計算結(jié)果與實(shí)測值吻合較好。相比之下，下游計算結(jié)果與實(shí)測值吻合稍差，其原因是河道閘門較多，在實(shí)際調(diào)度過程中受不確定性因素的影響比較大，模型運(yùn)行過程中系統(tǒng)誤差逐漸累積造成。

2.1.3可控建筑模塊

MIKE11中可控建筑物模塊（S0）可以方便有效地用來模擬灌溉渠道、河流、水庫中的控制閘門及其它控制建筑物（如橋梁、涵洞、管道、堤壩、堰、泵站等）的操作運(yùn)行。本研究中模擬涉及到的閘門共11級。由于該流域全年總降水量的78%集中在汛期（6月-9月），考慮流域降雨徑流過程的延遲作用，故模擬時段為6月-10月。

根據(jù)各閘門所在位置、閘底高程、閘孔尺寸及最高蓄水位等因素的差異，考慮不同典型年的暴雨量大小，結(jié)合可控建筑物模塊提供的閘門調(diào)度模式，現(xiàn)制定以下三種調(diào)度模式。

（1）全開控制。汛期時各閘門全部開啟，模擬沒有閘門控制的河道水流流態(tài)。

（2）水位控制（H控制）。汛期閘前水位高于最高蓄水位時，閘門開啟，否則關(guān)閉。最高蓄水位由收集到的閘門設(shè)計參數(shù)中獲得，并將各閘對應(yīng)水位作為閾值輸入到模型中。

（3）水位差控制（dH控制）。當(dāng)閘前閘后水位差達(dá)到特定值時，閘門開啟，否則關(guān)閉。通過進(jìn)行模型調(diào)試，最終確定這一特定值為0.5 m。

在調(diào)度過程中，閘門的啟閉速度設(shè)置為0.001m/s，系統(tǒng)由設(shè)定好的調(diào)度參數(shù)和閾值，根據(jù)水流狀態(tài)自動控制各級閘門的運(yùn)行狀態(tài)。

2.2調(diào)控水量計算方法

根據(jù)徒駭河河道規(guī)劃現(xiàn)狀，河道上已建的11級閘門將天然河道劃為11個串聯(lián)水庫（i=1，2，…，11），本研究以旬為單位將模擬期劃為15個時段（t=1，2，…，15）。調(diào)控水資源量按下式[21-221計算？

（2）

3結(jié)果及分析

3.1模型模擬結(jié)果及分析

經(jīng)統(tǒng)計徒駭河流域近30年（1984年-2013年）的降水資料，利用皮爾遜III型頻率曲線進(jìn)行水文頻率分布曲線適線后，最終選取降水頻率為5%、10%和20%的雨洪典型年，依次為2004年、2013年和2005年。分別模擬了徒駭河流域在三種閘門運(yùn)行工況下的洪水演進(jìn)過程，選取上、中、下游分界點(diǎn)為三個節(jié)點(diǎn)，以H控制調(diào)度為例，模擬得到的水位、流量過程線見圖5-圖7。

由模擬結(jié)果可以看出：P=5%典型年降水比較分散，河道出現(xiàn)三次洪峰，上游洪峰比中游洪峰早4d左右，比下游洪峰早6 d左右。南劉橋閘、營子閘及壩上閘閘門開啟的時間分別為6月27日、7月6日、7月11日，此時所對應(yīng)的水位分別為26.5 m、16.8 m、5.8 m；P=10%典型年降水比較集中，受降水影響，河道出現(xiàn)一次較大洪峰，且洪峰流量較大，下游峰值可達(dá)1 025 46 m³/s，上、中、下游閘門開啟的時間分別為6月28日、7月16日、7月18日；P=20%典型年，由于降水分散且雨期較晚，河道在8月份出現(xiàn)兩次較大洪峰，最大洪峰出現(xiàn)在9月下旬，上、中、下游閘門開啟的時間分別為6月28日、7月16日、7月22日。

3.2調(diào)控水量計算結(jié)果及分析

徒駭河屬于天然河道，雖枯水期有斷流，但河道常年有水，統(tǒng)計多年6月初平均水深為L 0 m，選取兩閘之間平均斷面，計算其過水面積，從而計算出水庫的初始蓄水量，見表3。另外，I_i，t、Q_i，t利用第而章MIKE11HD輸出的流量結(jié)果；P_i，t利用NAM輸出的旁側(cè)入流流量結(jié)果。利用2.2節(jié)調(diào)控水量計算方法可得不同典型年下徒駭河流域可調(diào)控水量，見表4。

分析表4中數(shù)據(jù)可知，在三種調(diào)度工況下，若典型年降水比較分散，通過閘門的調(diào)度運(yùn)行，可以將更多的雨洪水儲存在河道中。峰值河道調(diào)控水量和汛期之后河道調(diào)控水量遵循以下規(guī)律：調(diào)控水量由多到少依次為：水位（H）控制調(diào)度、水位差（dH）控制調(diào)度、全開調(diào)度。例如P=5%典型年三種調(diào)度可調(diào)控峰值水量依次為22 401萬m³、16 882萬m³、13142萬m³，汛期之后可調(diào)控水量依次為15 336萬m³、11 027萬m³、7 373萬m³；若典型年降水較為集中，即使通過閘門的運(yùn)行來調(diào)節(jié)雨洪，但為保證防洪安全會導(dǎo)致大量雨洪水下泄。在三種調(diào)度工況下，峰值河道調(diào)控水量差異不大，但汛期之后河道調(diào)控水量仍呈現(xiàn)以上規(guī)律。例如P=10%典型年三種調(diào)度可調(diào)控峰值水量依次為13 402萬m³、11 804萬m³、10 242萬m³。10月下旬，H控制調(diào)度時可調(diào)控水量為7 247萬m³，dH控制調(diào)度時調(diào)控水量為6 003萬m³，而全開調(diào)度時調(diào)控水量僅為5 470萬m³；若典型年雨期較晚，則汛期結(jié)束之后，河道調(diào)控水量也會相對較多。例如P=20%典型年，在10月下旬，H水位調(diào)度時河道調(diào)控水量為7 599萬m³，dH控制調(diào)度時調(diào)控水量為6 636萬m³，而全開調(diào)度時調(diào)控水量為5 803萬m³。

3.3閘門調(diào)度效益分析

徒駭河流域現(xiàn)有閘門歸行政區(qū)管理，堤閘管理處對閘門的操作存在很大的人為性和隨意性，尤其是在汛期，當(dāng)洪水來臨時，管理者往往為了快速下泄洪水，而幾乎將閘門全部打開，使得流域水量流失嚴(yán)重，造成浪費(fèi)。因此，研究中將汛期閘門運(yùn)行現(xiàn)狀概化為全開模式，并以此為基礎(chǔ)，與其他兩種調(diào)度模式比較得出閘門調(diào)度效益。基于不同閘門運(yùn)行工況下的雨洪演進(jìn)模擬結(jié)果以及可調(diào)控水量計算結(jié)果，可以得到徒駭河流域通過調(diào)度后可增加的雨洪資源利用量，見表5。結(jié)果顯示，根據(jù)汛期來水情況，采用H和dH控制調(diào)度來調(diào)節(jié)閘門的啟閉可以使雨洪資源的利用能力得到進(jìn)一步提高，也可以在一定程度上緩解徒駭河流域水資源供需矛盾壓力。

4結(jié)語

本文通過MIKE11模型，實(shí)現(xiàn)了不同典型年不同閘門調(diào)度模式下雨洪演進(jìn)過程的模擬，并利用可調(diào)控水量計算方法分別對各工況下的調(diào)控水量進(jìn)行了計算分析。通過模擬，可最終率定出徒駭河上游段糙率為0.029，中游段糙率為0.033，下游段糙率為0.035。從計算分析結(jié)果中可以看出，徒駭河流域可調(diào)控雨洪資源量十分豐富，最高可達(dá)22 401萬m³。并且在閘門全開調(diào)度、水位（H）控制調(diào)度、水位差（dH）控制調(diào)度三種調(diào)度工況下，具有不同降雨特征的典型年峰值調(diào)控水量和汛期之后河道調(diào)控水量同時呈現(xiàn)以下規(guī)律：水位（H）控制調(diào)度下可調(diào)控水量最多，水位差（dH）控制調(diào)度次之，全開調(diào)度方式下最少。

通過對三種調(diào)度方式下的可調(diào)控水量進(jìn)行比較分析，可知根據(jù)汛期來水實(shí)際情況，通過對各級閘門進(jìn)行水位或水位差控制調(diào)度會大大提高雨洪資源的利用效率，對緩解徒駭河流域水資源供需矛盾具有重要意義。隨著徒駭河流域在雨洪資源化管理運(yùn)用方面的完善以及閘門信息化和自動化調(diào)控系統(tǒng)的發(fā)展，其將對流域水量調(diào)控及經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到日益顯著的作用。