沂沭泗水系防洪工程聯(lián)合調度系統(tǒng)構建及驗證

趙艷紅，屈 璞，李 斯，王秀慶，于百奎

（沂沭泗水利管理局，江蘇 徐州 221018）

0 引言

沂沭泗水系位于淮河流域東北部，由沂河、沭河和泗（運）河組成，干支流河道 510 余條，河網(wǎng)密布，主要河道相通互聯(lián)，水系復雜[1]。沂沭泗水系通過中運河、徐洪河和淮沭河與淮河水系溝通[2]。經過 60 多 a 的治理，沂沭泗水系已形成由水庫、河湖堤防、控制性水閘、分洪河道及蓄滯洪區(qū)工程等組成的防洪工程體系。目前，沂沭泗河洪水東調南下續(xù)建工程已基本完成，骨干河道中下游防洪工程體系基本達到 50 年一遇防洪標準。

防洪調度是防洪工作的核心。它依據(jù)暴雨與洪水預報，以及雨情、水情、工情實況，運用各類工程和非工程措施，統(tǒng)籌流域防洪全局，處理好局部和全局的關系，設計和優(yōu)選出防洪調度方案，有計劃地調節(jié)、控制洪水，保證防洪安全，減少洪水災害[3]。流域防洪工程系統(tǒng)實時聯(lián)合調度，是行之有效的非工程防洪措施之一，利用系統(tǒng)理論與方法對洪水控制工程實行優(yōu)化調度，可以有效提高防洪系統(tǒng)的整體防洪效果。2012 年，戴力等[4]對流域防洪體系聯(lián)合調度整體模擬系統(tǒng)進行了開發(fā)研究；2015 年，吳時強等[5]針對三湖圈圩方案，建立了淮河臨淮崗洪水控制工程洪水調度模型；2017 年，賁鵬等[6]對1954 年型洪水淮河中游防洪工程聯(lián)合調度進行了研究。因此探索流域湖泊、蓄滯洪區(qū)、涵閘等防洪工程的聯(lián)合優(yōu)化調度模式，構建沂沭泗水系防洪工程聯(lián)合調度系統(tǒng)是非常必要的。為此基于沂沭泗水系防洪“河道泄洪—涵閘分流—湖泊蓄洪—滯洪區(qū)滯洪”的復雜大系統(tǒng)，提出沂沭泗水系防洪工程聯(lián)合調度系統(tǒng)的構建思路，建立基于“河道-涵閘-湖泊-滯洪區(qū)”的復雜防洪工程聯(lián)合調度模型，并用 1974 年暴雨洪水進行驗證。

1 模型總體結構

1.1 河道泄洪模塊

根據(jù)主要河道主要控制站預報和實測洪水過程，以馬斯京根法為基礎建立河道洪水演算模型。

1.2 涵閘分流模塊

根據(jù)水力學公式計算各涵閘不同流態(tài)（自由、淹沒孔流，自由、淹沒堰流）的泄流曲線，依據(jù)閘上、下水頭等計算不同閘門分洪量。

1.3 湖泊蓄洪模塊

在水庫水量和動力平衡的基礎上，建立水庫水位-庫容、湖水位與各閘泄量關系，建立能綜合考慮下游及周邊水系洪水情勢的湖泊調度模型。

1.4 滯洪區(qū)滯洪模塊

滯洪區(qū)滯洪模塊采用二維水動力模型演算，包括模型的建立、爆破口門潰壩洪水及退水口門退水情況的模擬等內容。

1.5 優(yōu)化調度模塊

沂沭泗水系復雜，整個洪水調度模型可分為南四湖、沂河、沭河、駱馬湖等 4 個洪水調度模塊，4 個調度模塊間相互關聯(lián)和制約。其中沂河洪水調度，包含劉道口樞紐涵閘分流和河道洪水演算等模塊，以港上站為出口控制站；沭河洪水調度，包括大官莊樞紐涵閘分流和河道洪水演算等模塊，以新安站為出口控制站；南四湖洪水調度，包括上級湖和下級湖的湖泊蓄洪和韓莊樞紐出湖洪水演算等模塊，以運河站為出口控制站；駱馬湖洪水調度計算，包括駱馬湖的湖泊蓄洪和嶂山閘出湖洪水演算等模塊，以沭陽站為控制站。4 個調度模塊間相互影響，無法通過單個計算求得整個系統(tǒng)的最優(yōu)解，因此需要根據(jù)大系統(tǒng)分解協(xié)調理論實現(xiàn)整個水系的優(yōu)化調度。沂沭泗防洪工程聯(lián)合調度系統(tǒng)邏輯結構如圖1 所示。

圖1 沂沭泗防洪工程聯(lián)合調度系統(tǒng)邏輯結構圖

根據(jù)大系統(tǒng)分解協(xié)調原理，將沂沭泗水系優(yōu)化調度問題，分成單湖（河）洪水調度層（以下簡稱單湖層）和聯(lián)合協(xié)調層（以下簡稱協(xié)調層）2 個層次研究，單湖層為下層決策層，協(xié)調層為上層決策層，利用線性規(guī)劃進行單湖層中單個湖（河）系單個時段的洪水調度。協(xié)調層建立了一套協(xié)調準則和方法（單時段協(xié)調和多時段動態(tài)反饋修訂調水等準則），將兩湖子系統(tǒng)聯(lián)系起來，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的協(xié)調優(yōu)化發(fā)展。單湖層提供數(shù)據(jù)的錄入、計算和輸出，協(xié)調層對單湖層得出的結果進行判定、反饋、修正。單湖層和協(xié)調層之間不斷地進行信息交換，相互配合，循環(huán)反復，實現(xiàn)兩湖水資源系統(tǒng)的優(yōu)化配置。沂沭泗防洪工程聯(lián)合調度模型總體結構框圖如圖2 所示。

2 洪水調度參數(shù)

沂沭泗水系主要河道洪水演算均采用馬斯京根法，演算參數(shù)根據(jù) 1974—2011 年不同級別的典型洪水綜合分析推求得到。

2.1 沂河洪水演算

臨沂站實測洪水過程，經河道泄洪至劉道口樞紐，再經涵閘分流，根據(jù)條件分別通過劉道口、彭道口、江風口等閘，然后演算至港上站。

臨沂站至劉道口閘，劉道口距離臨沂站僅10 km，距離很近，兩站洪峰預報結果基本一致，不再單獨進行匯流計算；臨沂站/劉道口閘至港上站，各級別馬斯京根演算系數(shù)如表 1 所示。

2.2 沭河洪水演算

大官莊站實測洪水過程，經大官莊水利樞紐涵閘分流，根據(jù)條件分別通過新沭河閘、人民勝利堰閘，經河道泄洪演算至新安站。

勝利堰閘至新安站流量演算采用馬斯京根法。所采用演算參數(shù)為：穩(wěn)定流傳播時間t= 18 h；流量比重因素X= 0.25；演算時段長Δt= 6 h；河段演算系數(shù)C0= -0.091，C1= 0.455，C2= 0.636。勝利堰閘至新安站分段連續(xù)演算，單元河段數(shù)n= 9，演算時段長Δt= 2 h，匯流系數(shù)如表2 所示。

圖2 沂沭泗防洪工程聯(lián)合調度模型總體結構框圖

表1 臨沂站至港上站馬斯京根演算系數(shù)

表2 勝利堰閘至新安站分段匯流系數(shù)表

2.3 南四湖至中運河洪水演算

南四湖為南陽、獨山、昭陽、微山四湖的總稱。1958 年開始興建的二級壩樞紐工程，將南四湖分為上、下兩部分，上級湖和下級湖的入庫洪水過程，經上級湖和下級湖湖泊蓄洪，再由下級湖根據(jù)調度通過韓莊閘、新河頭閘、藺家壩閘下泄，經河道泄洪演算至運河站。

韓莊閘至臺兒莊站流量演算系數(shù)如表 3 所示。對韓莊閘至臺兒莊站進行流量分段連續(xù)演算時，取單元河段數(shù)n= 1，流量范圍為 1 200～1 700 m3/s。X=0.10，Δt= 6 h，匯流系數(shù)如表 4 所示，臺兒莊站至運河站分段匯流系數(shù)如表 5 所示。

2.4 駱馬湖洪水演算

駱馬湖是一平原湖泊，集防洪、灌溉、航運、水產養(yǎng)殖等功能于一體。皂河閘與洋河灘閘及駱馬湖南堤組成駱馬湖一線控制工程。宿遷大控制二線防洪工程，由廢黃河北堤連接宿遷閘、宿遷船閘、六塘河閘和井兒頭大堤形成封閉圈。

表3 韓莊閘至臺兒莊站段流量演算系數(shù)表

表4 韓莊閘至臺兒莊站段匯流系數(shù)表

表5 臺兒莊站至運河站分段匯流系數(shù)表

沂河、中運河洪水過程，經駱馬湖湖泊蓄洪，再根據(jù)條件分別通過嶂山閘、皂河閘、宿遷閘等下泄。其中嶂山閘下泄量經河道泄洪演算至沭陽站。

3 洪水模擬調度

受 12 號臺風和停滯在華北的西風槽共同影響，沂沭泗流域在 1974 年 8 月 12—13 日出現(xiàn)了強降雨天氣。受其影響，沂沭河、邳蒼地區(qū)出現(xiàn)大洪水，8 月 14 日沂河臨沂站出現(xiàn)洪峰流量為 10 600 m3/s，沭河上游 68 處漫溢決口，14 日大官莊洪峰流量為54 00 m3/s。當時，流域大型水庫已建成，南四湖二級壩樞紐、韓莊樞紐、藺家壩閘、駱馬湖嶂山閘及新沭河石梁河水庫均已建成，與目前工況較為相似，故選擇此次洪水進行洪水預報及模擬調度。

根據(jù) 1974 年 8 月 12—13 日雨水情，采用經驗相關法進行洪水預報得到洪水預報過程結果，以沂河臨沂、沭河大官莊、南四湖上級湖與下級湖及其它各區(qū)間預報流量過程為邊界條件，按照《沂沭泗河洪水調度方案》（國汛〔2012〕8 號），在現(xiàn)狀工況條件下，基于所建模型，對沂沭泗水系防洪工程進行聯(lián)合模擬調度。模擬調度結果如下：

1）主要控制站預報結果。沂河臨沂站洪峰流量為 11 500 m3/s（8 月 14 日 0 時），沭河大官莊站洪峰流量為 9 500 m3/s（8 月 14 日 2 時），邳蒼區(qū)間運河站（不含江風口分洪流量）洪峰流量為 2 900 m3/s（8 月 14 日 14 時），駱馬湖總來水量為 19.6 億m3。

2）最優(yōu)調度方案。由于南四湖地區(qū)降雨較小，可充分利用調蓄能力，洪水暫不下泄，為沂沭河洪水處理讓路；考慮到沭河發(fā)生較大洪水，沂河來水盡量南下，沂河劉家道口閘最大泄流量為 11 500 m3/s，彭道口閘盡量不分洪，啟用邳蒼分洪道分洪，江風口閘最大分洪流量為 3 700 m3/s，李莊閘最大泄流量為 7 800 m3/s，以降低沂河江風口以下、駱馬湖和新沂河的防守壓力，控制沂河江風口以下流量不超8 000 m3/s；沭河來水盡量東調。沭河大官莊樞紐新沭河閘最大泄流量為 6 500 m3/s，人民勝利堰閘最大泄流量為 3 000 m3/s。

按照此方案調度后，港上站洪峰流量Qmax約為7 800 m3/s，運河站洪峰流量約為 3 700 m3/s，駱馬湖最大入湖流量約為 12 500 m3/s，最高水位Zmax為25.10 m。新安站洪峰流量約為 2 400 m3/s，沭陽站最大流量約為 7 000 m3/s。南四湖上級湖最大入湖流量為 480 m3/s，最高水位為 35.2 m，下級湖最大入湖流量為 800 m3/s，最高水位為 32.9 m。

3）主要調度結果與 1974 年實測值對比。在現(xiàn)狀工程情況下，發(fā)生 1974 年型洪水時，經過防洪工程聯(lián)合模擬調度，與 1974 年實測值比較，南四湖下級湖最高水位降幅為 0.68 m；駱馬湖最高水位降幅為 0.37 m；中運河運河站洪峰流量削減了 90 m3/s，削減率為 2.4%。防洪工程聯(lián)合調度結果與 1974 年實測值對比如表 6 所示。

表6 防洪工程聯(lián)合調度結果與1974年實測值對比表

4 結語

采用基于“河道-涵閘-湖泊-滯洪區(qū)”的防洪工程聯(lián)合調度模型，在現(xiàn)狀工況條件下，對 1974 年洪水進行了防洪工程聯(lián)合模擬調度，得出以下結論：

1）1974 年 8 月，沂沭河、邳蒼地區(qū)均出現(xiàn)大洪水，當年流域大部分防洪工程已建成，而且水文資料保存較為齊全，故選取此次洪水進行驗證具有一定代表性。根據(jù) 1974 年洪水模擬調度結果與實測值對比分析，調度模型及演算結果基本合理，調度模型及采用的演算參數(shù)可以作為下一步優(yōu)化調度的基礎。該系統(tǒng)可為沂沭泗河防汛決策支持系統(tǒng)的可視化、規(guī)范化、組件化及平臺的構建奠定基礎。

2）在調度方案的選擇決策上，應根據(jù)流域洪水預報合格率、大洪水發(fā)生概率，以及流域水利工程群的防護能力、面臨的防洪壓力等綜合決定，選擇經濟、安全的方案。

3）根據(jù)洪水預報信息及時、迅速地做出響應，對防洪工程進行聯(lián)合調度，可以大大減輕流域防洪壓力，降低區(qū)域洪災損失，防洪工程聯(lián)合調度效益顯著。

4）受實測洪水資料的限制，全流域大洪水資料較少，為驗證和反映發(fā)生流域性大洪水時防洪工程聯(lián)動的調度效果，在今后的研究中需收集整理 50 年，100 年一遇設計洪水過程，對調度系統(tǒng)進行更全面的驗證。