分洪河道洪水調(diào)度模式研究

張　濤，譚樂彥，李開峰，官慶朔

(1.山東省水利勘測設(shè)計院，濟南 250013；2.水利部淮河水利委員會，安徽 蚌埠 233001)

在山丘區(qū)河道防洪調(diào)度中，多是通過修建山丘水庫來調(diào)蓄洪水，并進行調(diào)峰或錯峰，減緩對下游的洪水威脅[1]。在平原河道中，受水庫建設(shè)條件限制，主要是利用泄洪通道如分洪道分流洪水，或是滯洪區(qū)滯蓄洪水[2]，減少干流的行洪壓力。相對于水庫防洪調(diào)度主要是調(diào)蓄洪量，流量過程對于河道防洪調(diào)度更為敏感，隨著流量加大導(dǎo)致水位增高，以及受其他不確定性因素影響[3]，可能引起洪水漫溢、堤防潰決等洪災(zāi)損失。在實際防洪規(guī)劃設(shè)計中，通常是按照洪峰流量給出分洪流量規(guī)模，采用明渠恒定流法計算河道水面線，難以反映流量變化過程下的調(diào)度控制策略；另外，河道啟用分洪的幾率通常較低，較缺乏實際的分洪調(diào)度經(jīng)驗。本文結(jié)合小清河分洪道，提出兩種分洪調(diào)度模式，考慮區(qū)間洪水過程源匯影響進行干流及分洪道水力聯(lián)合計算，分析比較不同調(diào)度方式下的分洪效果差異。

1　小清河及分洪道情況

1.1　流域概況

小清河是山東省魯中地區(qū)一條重要的排水河道，兼顧農(nóng)田灌溉及河海航運功能。干流發(fā)源于濟南市區(qū)南部泉群，于壽光市羊口鎮(zhèn)注入渤海萊洲灣，干流全長229 km，流域面積10 433 km2。干流位于流域北部的低洼地帶，為平原河道，比降平緩。流域內(nèi)水系復(fù)雜，一級支流幾乎全部由南岸注入干流。小清河支流上游水系多為山洪河道，支流山區(qū)段坡陡流急；膠濟鐵路以北多為寬淺漫灘型平原河道，河道對洪水的槽蓄作用明顯。干流洪水期間，支流易受干流洪水倒灌及回水頂托影響，排水不暢。

1.2　分洪樞紐工程

為分泄干流洪水，于中下游段修建分洪道，以減少干流行洪壓力。分洪道自干流勝利河口分洪，于蘆青溝口重新匯入小清河，全長83.3 km，與小清河干流形成“兩河三堤”并行段。分洪道主要承擔(dān)干流分洪任務(wù)，分洪道內(nèi)開挖排水子槽，南水北調(diào)、引黃濟青等輸水渠借用分洪道部分子槽輸水；河道內(nèi)灘地大，主要分布農(nóng)田作物、樹木及零星房屋等。

分洪口處配套節(jié)制分洪樞紐，按50年一遇標(biāo)準(zhǔn)洪水設(shè)計。干流樁號116+020處設(shè)金家堰節(jié)制閘，分洪道樁號1+490處設(shè)分洪閘，分洪道自1996年建成后尚未啟用分洪。干流與分洪道并行段控制工程及支流分布情況，見圖1。

圖1　小清河干流及分洪道工程示意圖Fig.1 Diagram of construction in Xiaoqing mainstream and floodway

2　分洪調(diào)度模式

2.1　洪水調(diào)度方式

(1)干流主動分洪方式。標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)洪水，分洪口以上洪水首先由干流行洪，干流最大過流按其行洪能力控制，當(dāng)超過干流行洪能力則啟用分洪，多余洪水入分洪道。調(diào)度過程示意圖見圖2，表達式為：

(1)

式中：Q總為分洪口以上的干流總流量；Q干,max為分洪口處(分洪口以下)的干流行洪能力；Q干為分洪口處(分洪口以下)的干流流量；Q分為分洪道流量；Q分,max為分洪道分洪能力。

圖2　干流主動分洪方式示意圖Fig.2 Diagram of mainstream active diversion model

(2)分洪道主動分洪方式。標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)洪水，洪水小流量階段盡量不啟用分洪道，洪水初期階段先由干流行洪，最大過流不超過其行洪基流；當(dāng)超過干流行洪基流則啟用分洪道分洪，分洪道最大過流按其分洪能力控制，多余洪水入干流。干流行洪基流的確定直接影響到洪水調(diào)度效果，對于平原河道，行洪斷面通常由河槽及灘地組成，河槽多是用于排泄除澇標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)的澇水，澇水一般不上灘地；而發(fā)生大于除澇標(biāo)準(zhǔn)量級的洪水時，則由河道及灘地共同行洪，洪水淹沒灘地。因此干流行洪基流近似由除澇流量確定，盡量減少灘地淹沒損失。調(diào)度示意過程見圖3，表達式為：

(2)

式中：Q干,min為分洪口處(分洪口以下)的干流行洪基流。

圖3　分洪道主動分洪方式示意圖Fig.3 Diagram of floodway active diversion model

兩種分洪方式主要體現(xiàn)洪水在干流與分洪道之間的風(fēng)險轉(zhuǎn)移。采用干流主動分洪方式，加大干流分洪量，但可減少對分洪道的洪水淹沒損失。采用分洪道主動分洪方式，加大分洪道分洪量，但可減小干流行洪壓力，有利于影響支流洪水順暢下泄。

2.2　水力計算方法

考慮干流區(qū)間洪水過程源匯影響，對干流及分洪道采用MIKE11一維水動力學(xué)模塊進行水力聯(lián)合計算，該模塊基于圣維南方程求解，水力計算精度較高、模型收斂性較好[5]，其連續(xù)方程、運動方程計算公式分別為：

(3)

(4)

式中：A為河道過水面積；Q為流量；u為側(cè)向流在河道方向的流速；t為時間；x為沿水流方向的水平坐標(biāo)；q為河道的側(cè)向流量；α為動量修正系數(shù)；g為重力加速度；y為水位；Sf為摩阻坡降。

對于敞泄水閘及堰壩過流采用堰流公式[6]計算；對于控泄平板底孔閘門，淹沒狀態(tài)下的閘孔流量Q采用近似公式[6]計算：

(5)

式中：u為考慮閘門開度影響的有效流量系數(shù)；B為水閘過水總寬度；he為閘門開啟高度；H1為包括行近流速的閘前水頭；H2為閘下水頭。

洪水調(diào)度過程中，應(yīng)滿足河道及建筑物的流量、水位等約束條件，避免出現(xiàn)洪水漫溢、建筑物失穩(wěn)等風(fēng)險?？紤]風(fēng)浪爬高、風(fēng)壅增水高度、安全加高等不確定性因素后的河道水位應(yīng)不超過斷面堤頂高程[7]；建筑物及河道斷面過流不超過相應(yīng)安全過流能力[8]。

3　分洪調(diào)度實例計算

3.1　方案及參數(shù)

(1)計算方案。調(diào)度方式一為干流主動分洪方式，調(diào)度方式二為分洪道主動分洪方式。對干流50年一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計洪水進行一維水力計算，分析不同分洪調(diào)度方式下的水位、流量等指標(biāo)差異。

(2)河道斷面。對干流100+000～216+000段、分洪道0+000～83+300段建立一維水動力模型?，F(xiàn)狀小清河堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)基本達到20年一遇標(biāo)準(zhǔn)，過水建筑物基本按50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計；本次斷面采用50年一遇河道規(guī)劃治理斷面，斷面間距300～500 m。分洪道及干流河槽糙率取0.023、灘地糙率取0.038。

(3)建筑物。分洪閘及節(jié)制閘根據(jù)洪水調(diào)度方式通過閘門控制實現(xiàn)既定分流流量，其他閘壩均按敞泄控制。

(4)洪水。輸入50年一遇標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間設(shè)計洪水過程，區(qū)間洪水概化為主要支流洪水。其中，干流分洪口以上設(shè)置端點、勝利河等匯入節(jié)點；并行段沿程設(shè)置杏花河等5處匯入節(jié)點；匯合口以下段設(shè)置新塌河匯入節(jié)點。50年一遇標(biāo)準(zhǔn)下，干流在分洪口以上設(shè)計洪峰為1 720 m3/s，最大5日洪量為29 254 萬m3；分洪道分洪規(guī)模為1 100 m3/s。

(5)其他約束條件：綜合考慮河道堤防及建筑物過流能力限制，50年一遇標(biāo)準(zhǔn)洪水下，分洪口門處干流、分洪道的分洪能力分別為620、1 100 m3/s；5年一遇除澇標(biāo)準(zhǔn)下，干流分洪口門處河槽行洪能力約300 m3/s。干流末端河口水位為50年一遇設(shè)計汛期最高高潮位3.22 m。

(6)計算結(jié)果。洪水時間為8月10-16日，兩種調(diào)度方式下的干流及分洪道分洪流量見圖4；干流、分洪道的斷面最高水位及洪峰分別見圖5、圖6。

圖4　分洪口處干流及分洪道洪水對照Fig.4 Comparison on diversion process between mainstream and floodway

圖5　干流斷面最高水位及洪峰對照Fig.5 Comparison on high level and flood peak in mainstream

圖6　分洪道斷面最高水位及洪峰對照Fig.6 Comparison on high level and flood peak in floodway

3.2　計算結(jié)果分析

(1)分洪量、洪峰及水位對比。統(tǒng)計干流并行段及分洪道斷面最高水位、洪峰均值、分洪量、分洪時間等參數(shù)，見表1，其中分洪開始、結(jié)束時間單位為“日/時”。方式一中，分洪道分洪量為14 072 萬m3，分洪歷時為51 h。相對于方式一計算結(jié)果，方式二分洪道增加分洪量4 702 萬m3，分洪量占總洪量比例為64.2%；分洪歷時增加8 h；干流并行段斷面最高水位平均降低0.26 m、斷面洪峰平均降低61 m3/s，分洪道斷面洪峰平均加大132 m3/s?？梢妰煞N調(diào)度方式下的最高水位及洪峰均有一定程度的差異，分洪量差異較大。

圖4中，方式一的干流口門最大行洪流量為620 m3/s，持續(xù)時間為49.8 h，分洪道最大分洪流量僅在其洪峰時刻出現(xiàn)。方式二的分洪道最大分洪流量為1 100 m3/s，持續(xù)時間為28.5 h，干流最大流量僅在其洪峰時刻出現(xiàn)，可見兩種調(diào)度方式下的分洪流量過程差異較大。

圖5中，由于啟用分洪，干流洪峰及最高水位在分洪口門下游處降低明顯，兩種調(diào)度方式的分洪作用均較為顯著。分洪道與干流匯合口處，方式一、方式二的洪峰分別為2 372、2 276 m3/s，最高水位分別為4.69、4.59 m，可以看出，方式二降低了匯合口以下段的洪峰及最高水位。圖6中，分洪道沿程斷面洪峰持續(xù)下降，由于方式一中分洪量相對較少，斷面洪水偏瘦，沿程斷面洪峰坦化下降趨勢更為明顯。

(2)支流回水影響。干流并行段較大的一級支流有6條，總流域面積4 019 km2。參照規(guī)范[9]阻水構(gòu)筑物回水壅高長度計算公式，計算支流回水增加影響長度L，公式為：

表1　干流并行段及分洪道洪水演進參數(shù)對照Tab.1 Comparison on routing value between parallel mainstream and floodway

(6)

式中：I為河道水力比降，對于順直規(guī)整的平原河道，近似為河底坡降；ΔH為增加水位高度。

統(tǒng)計干流在支流匯入口處的最高水位，以及方式二相對于方式一的最高水位差，見表2。相對于方式一，方式二的最高水位降低了0.10～0.26 m，支流回水增加影響長度總計減少17.1 km。另外，干流并行段右岸有多條排水溝渠，當(dāng)干流水位越低，則越有利于影響支流及堤外低洼區(qū)域排水。

表2　干流并行段主要支流回水影響統(tǒng)計Tab.2 Statistics on branches backwater effect in parallel mainstream

(3)閘門控制。節(jié)制閘及分洪閘閘上、閘下水位過程分別見圖7、圖8。從圖7可以看出，方式一中的干流節(jié)制閘為自由泄流狀態(tài)，閘上、閘下形成連續(xù)水面；方式二中，當(dāng)啟用分洪道分洪，節(jié)制閘為控泄?fàn)顟B(tài)，閘上、閘下水位差異較大。從圖8可以看出，兩種調(diào)度方式下的分洪閘閘上、閘下水位差異均較大，基本為控泄?fàn)顟B(tài)，需通過分洪閘控制分洪流量。

圖7　干流節(jié)制閘閘上、閘下水位過程對照Fig.7 Comparison on level between sluice upstream and downstream in mainstream

圖8　分洪道分洪閘閘上、閘下水位過程對照Fig.8 Comparison on level between sluice upstream and downstream in floodway

(4)調(diào)度效果。采用干流主動分洪方式，在遭遇低流量洪水時，首先由干流行洪，避免過早淹沒分洪道，分洪道承擔(dān)分洪任務(wù)相對較小；而干流行洪壓力大，南岸支流水系復(fù)雜，導(dǎo)致干流并行段沿線支流排水不暢。采用分洪道主動分洪方式，加大分洪道淹沒損失，提高分洪道堤防設(shè)防高程；但降低干流行洪壓力，有利于影響支流及低洼區(qū)域排水，可降低干流及影響支流的堤防設(shè)防高程。兩種調(diào)度方式啟用分洪道均要造成分洪道淹沒損失，為發(fā)揮分洪道工程建設(shè)作用，考證整體防洪安全[10]，方式二具有更大的分洪效益。實際調(diào)度中，主要是通過水文氣象預(yù)報預(yù)判洪水來水過程，真實的洪水過程與預(yù)報過程往往有偏差，假若預(yù)報來水流量較大而實際洪水流量較小時，當(dāng)采用分洪道主動分洪方式，則可能過早啟用分洪道；甚至實際情況僅需干流行洪即可滿足行洪要求，而錯誤啟用分洪道，造成不必要的分洪淹沒損失。

4　結(jié)　語

(1)分洪河道洪水調(diào)度模式關(guān)系到干流、分洪道、沿線影響支流及區(qū)域的防洪安全，在既定標(biāo)準(zhǔn)洪水及

水力條件下，不同調(diào)度模式具有一定的分洪效果差異。小清河中下游段沿岸地形坡降較緩，洪水期間支流易受干流洪水倒灌及回水頂托影響，支流洪水及洼地澇水難以有效排泄。相比較而言，分洪道主動分洪方式通過加大分洪道分洪量，降低干流高水位，減小干流并行段及影響支流排洪壓力，具有更大的分洪效益。

(2)洪水預(yù)報精度直接影響著分洪河道的實時調(diào)度效果，應(yīng)進一步結(jié)合水文氣象預(yù)報，以及不同分洪方式下的整體洪災(zāi)淹沒損失，深入研究不確定性洪水過程下的實時分洪調(diào)度方式，尋求整體最大防洪效益。

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