基于水動(dòng)力模型的花園湖行洪區(qū)優(yōu)化調(diào)度研究

馬嬌嬌，李瑞杰，宋昊明，譚炳卿，李 奎

（1.中工武大設(shè)計(jì)研究有限公司安徽分公司，安徽合肥230000；2.中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司，安徽合肥230601；3.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥230009）

淮河干流行蓄洪區(qū)在防洪體系中發(fā)揮著重要作用，運(yùn)用后能夠有效降低河道洪水位、減輕上下河段防洪壓力。但隨著區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口密度增加，淮河干流行蓄洪區(qū)在歷年的洪水調(diào)度中運(yùn)用困難，大多數(shù)行蓄洪區(qū)都存在超指標(biāo)運(yùn)用或超指標(biāo)仍未啟用的情況，一定程度上影響了行蓄洪時(shí)機(jī)。為充分發(fā)揮行蓄洪區(qū)的作用，2008年開(kāi)始實(shí)施《淮河行蓄洪區(qū)調(diào)整規(guī)劃（修訂）》。其中淮河干流蚌埠至浮山段原有4處行洪區(qū)進(jìn)行調(diào)整：方邱湖改為防洪保護(hù)區(qū)，區(qū)內(nèi)開(kāi)挖分洪道；臨北段退堤后改為防洪保護(hù)區(qū)；香浮段局部退堤后改為防洪保護(hù)區(qū)；花園湖局部退堤并建進(jìn)、退水閘，改為有閘控制的行洪區(qū)。蚌埠至浮山段河道及行洪區(qū)平面示意見(jiàn)圖1。通過(guò)規(guī)劃調(diào)整，減少了淮河干流上的行洪區(qū)，擴(kuò)大了河道灘槽泄量，提高行洪區(qū)啟用標(biāo)準(zhǔn)，保證行洪區(qū)行洪效果。調(diào)整規(guī)劃中部分工程已實(shí)施完成，為更好地發(fā)揮行蓄洪效果，研究制定規(guī)劃實(shí)施后花園湖行洪區(qū)調(diào)度運(yùn)用方案具有重要意義。

圖1 蚌埠至浮山段河道及行洪區(qū)

1 洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型

淮河中游河勢(shì)較為復(fù)雜，有單一河道、行洪區(qū)和湖泊。水動(dòng)力模型研究范圍為淮河干流蚌埠至浮山段，規(guī)劃實(shí)施后該河段包括花園湖行洪區(qū)，整個(gè)河段形成由河道和行洪區(qū)組成的復(fù)雜河網(wǎng)水系。干流河道建立河網(wǎng)一維模型，行洪區(qū)建立平面二維模型，通過(guò)對(duì)一、二維模型的耦合，將干流河道與行洪區(qū)進(jìn)行連接，對(duì)干流河道向行洪區(qū)分洪及行洪區(qū)向河道退水的洪水演進(jìn)情況進(jìn)行模擬，建立行洪區(qū)不同啟用條件下的水位—流量關(guān)系，從而對(duì)調(diào)整規(guī)劃實(shí)施后行洪區(qū)啟用條件進(jìn)行合理性分析及優(yōu)化。

1.1 河道一維水動(dòng)力模型

1.1.1 模型構(gòu)建

一維河網(wǎng)模型以蚌埠至浮山段河道為計(jì)算范圍，經(jīng)概化后河網(wǎng)總長(zhǎng)93.3 km，斷面數(shù)據(jù)采用吳家渡至浮山段規(guī)劃河道斷面資料，共設(shè)置斷面443個(gè)，斷面間距為200～450 m。計(jì)算邊界選取吳家渡為上邊界，并且給定吳家渡1954年型100 a一遇還原洪水流量過(guò)程線；浮山為下邊界，同時(shí)給定浮山站歷年實(shí)測(cè)水位—流量關(guān)系，當(dāng)淮河干流流量為13 000 m3/s時(shí)，浮山達(dá)到設(shè)計(jì)水位18.5 m。

行洪區(qū)進(jìn)、退洪閘閘門(mén)處分別設(shè)置2個(gè)分叉河道，用于模擬干流河道向行洪區(qū)內(nèi)進(jìn)洪以及行洪區(qū)向干流河道退洪的過(guò)程。閘門(mén)類(lèi)型設(shè)置為底流，并且均以“時(shí)間”作為閘門(mén)控制方式，給定一個(gè)時(shí)間序列。此種方式能夠較好地控制閘門(mén)開(kāi)啟的時(shí)間及速度，更加精確地模擬閘門(mén)的進(jìn)洪及退洪情況。

該河段沿程分布的水文站見(jiàn)圖2，圖中使用1954北京平面坐標(biāo)系（下同）。

圖2 淮河干流蚌埠—浮山段水文站分布

1.1.2 參數(shù)確定

模型參數(shù)的選取直接影響模型的模擬精度，河道糙率是建立水動(dòng)力模型的重要參數(shù)，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大，需以實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)進(jìn)行率定驗(yàn)證。模型參數(shù)選取參考相關(guān)研究成果［1］，并以典型年2007年實(shí)測(cè)洪水過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。通過(guò)選取沿程4個(gè)測(cè)站的計(jì)算水位過(guò)程線，與實(shí)測(cè)水位過(guò)程進(jìn)行比較，以進(jìn)一步確定糙率取值。選取糙率值見(jiàn)表1，驗(yàn)證計(jì)算的部分結(jié)果見(jiàn)圖3。

表1 蚌埠至浮山各河段糙率取值

由圖3可知，沿程各測(cè)站水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值過(guò)程線的趨勢(shì)是一致的，能夠較好地反映2007年的洪水演進(jìn)過(guò)程，模型的模擬精度較高，能夠滿足計(jì)算需求。

圖3 2007年沿程測(cè)站水位實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

1.2 花園湖行洪區(qū)二維水動(dòng)力模型

二維水動(dòng)力模型構(gòu)建主要是mesh文件的生成及花園湖參數(shù)、模擬時(shí)間和初始條件的確定。根據(jù)花園湖地形資料，由網(wǎng)格生成器生成花園湖mesh文件，網(wǎng)格邊長(zhǎng)設(shè)置為100～200 m，共有約10 000個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，能夠滿足模擬計(jì)算的需要。模擬時(shí)間步長(zhǎng)60 s，時(shí)間步數(shù)86 400，計(jì)算時(shí)段與一維模型設(shè)置一致。初始條件中水面高程設(shè)置應(yīng)與一維模型中進(jìn)、退洪閘斷面高程及初始水位相協(xié)調(diào)。行洪區(qū)二維網(wǎng)格地形圖見(jiàn)圖4。

二維水動(dòng)力模型的主要參數(shù)是花園湖行洪區(qū)糙率，由于該行洪區(qū)1956年以后未啟用過(guò)，缺乏實(shí)測(cè)水文資料，因此根據(jù)相關(guān)研究成果［1］以及本研究對(duì)花園湖二維模型的模擬計(jì)算，確定其糙率為0.04。

圖4 花園湖行洪區(qū)網(wǎng)格地形

1.3 Mike Flood模型耦合

通過(guò)對(duì)干流河道建立一維模型、花園湖行洪區(qū)建立二維模型，進(jìn)而用Mike Flood將一、二維模型進(jìn)行耦合，連接方式采用標(biāo)準(zhǔn)連接，將一系列二維網(wǎng)格單元連接到一維模型中，既能夠提高模擬精度和可靠性，又可以發(fā)揮一維模型快速方便的特點(diǎn)。一、二維模型耦合概化見(jiàn)圖5。

圖5 研究區(qū)地形及河網(wǎng)一、二維耦合概化

2 規(guī)劃實(shí)施后花園湖行洪區(qū)優(yōu)化調(diào)度研究

2.1 調(diào)度方案選取

行洪區(qū)啟用時(shí)機(jī)與方式對(duì)于其附近河道的水位、流量有較大的影響?；▓@湖行洪區(qū)的運(yùn)用把控制站臨淮關(guān)水位作為啟用條件，為了對(duì)規(guī)劃提出的啟用條件進(jìn)行合理性分析以及進(jìn)一步優(yōu)化，采用3種啟用水位，分別是規(guī)劃提出的21.1 m以及21.1 m±0.5 m；采用2種啟用方式，模擬不同啟用條件下的洪水演進(jìn)過(guò)程。其中“先開(kāi)啟進(jìn)洪閘，再開(kāi)啟退洪閘”的方式是進(jìn)洪閘開(kāi)啟后，待行洪區(qū)內(nèi)退洪閘處水位與退洪閘附近的干流河道水位一致時(shí)再開(kāi)啟退洪閘。不同組合情況下的花園湖行洪區(qū)調(diào)度方案見(jiàn)表2。

表2 花園湖行洪區(qū)調(diào)度方案

2.2 不同運(yùn)用方案效果分析

在遭遇100 a一遇洪水情況下，按照不同啟用時(shí)機(jī)及啟用方式模擬河道及花園湖行洪區(qū)的洪水演進(jìn)過(guò)程，對(duì)不同啟用條件下行洪效果進(jìn)行分析。各站計(jì)算水位過(guò)程線見(jiàn)圖6～圖8，行洪區(qū)啟用后沿程測(cè)站計(jì)算峰值水位見(jiàn)表3。

表3 規(guī)劃條件下行洪區(qū)不同調(diào)度方案計(jì)算峰值水位 m

由表3計(jì)算結(jié)果可以看出，方案三以臨淮關(guān)水位到達(dá)21.60 m作為行洪區(qū)啟用條件，開(kāi)始進(jìn)洪時(shí)，臨淮關(guān)水位已接近洪峰，削峰效果比其他兩種方案弱，洪峰水位較高。而采用方案一、二的啟用條件對(duì)干流河道洪峰影響相同，其原因是方案一、二兩種不同的啟用條件對(duì)應(yīng)進(jìn)洪閘啟用的時(shí)間分別是7月11日8：00、7月12日14：00，時(shí)間較為接近，兩種不同啟用時(shí)機(jī)對(duì)洪水過(guò)程的影響僅在行洪區(qū)啟用初期差異較大，對(duì)洪峰水位的影響逐漸趨于相同。由于閘門(mén)啟用方式相對(duì)于啟用時(shí)機(jī)，對(duì)河道水位影響較小，且不同啟用方式之間的差異在閘門(mén)啟用初期較為明顯，因此在方案一和方案二啟用條件下兩種啟用方式沿程測(cè)站的洪峰水位相同。

2.3 調(diào)度運(yùn)用方案的優(yōu)化研究

2.3.1 啟用方式分析

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，按照臨淮關(guān)水位達(dá)20.6、21.1 m時(shí)啟用花園湖行洪區(qū)，兩種啟用方式對(duì)沿程測(cè)站洪峰水位的影響相同，故進(jìn)一步分析各站洪峰水位歷時(shí)情況，以確定閘門(mén)最佳啟用方式。按照規(guī)劃提出的啟用水位即臨淮關(guān)水位達(dá)21.1 m時(shí)啟用，由圖9～圖11可以看出，以進(jìn)、退洪閘同時(shí)啟用的方案開(kāi)啟閘門(mén)時(shí)沿程各站洪峰水位的歷時(shí)較短。同樣，按照臨淮關(guān)水位達(dá)20.6 m時(shí)啟用行洪區(qū)，經(jīng)分析采用進(jìn)、退洪閘同時(shí)開(kāi)啟的方式時(shí)各站洪峰水位的歷時(shí)較短。而按照臨淮關(guān)水位達(dá)21.6 m時(shí)啟用花園湖，方案一相對(duì)于方案二，沿程各站洪峰水位較低。因此，在遭遇100 a一遇洪水時(shí)，淮河干流臨淮關(guān)水位到達(dá)規(guī)定啟用水位時(shí)，花園湖行洪區(qū)應(yīng)當(dāng)綜合考慮進(jìn)、退洪閘同時(shí)開(kāi)啟的閘門(mén)調(diào)度方式，此方式行洪效果相對(duì)較好。

圖6 1954年型100 a一遇洪水各站計(jì)算水位過(guò)程線（方案一）

圖7 1954年型100 a一遇洪水各站計(jì)算水位過(guò)程線（方案二）

圖8 1954年型100 a一遇洪水各站計(jì)算水位過(guò)程線（方案三）

圖9 規(guī)劃條件下不同啟用方式吳家渡水位過(guò)程線

圖10 規(guī)劃條件下不同啟用方式臨淮關(guān)水位過(guò)程線

圖11 規(guī)劃條件下不同啟用方式浮山水位過(guò)程線

2.3.2 啟用時(shí)機(jī)分析

以方案三臨淮關(guān)水位達(dá)21.60 m作為行洪區(qū)啟用條件，行洪區(qū)運(yùn)用后干流河道各站洪峰水位相對(duì)較高。采用方案一、二的啟用條件對(duì)干流河道洪峰的影響相同，進(jìn)一步分析兩種不同啟用水位下各測(cè)站高水位歷時(shí)情況，對(duì)行洪區(qū)啟用時(shí)機(jī)進(jìn)一步優(yōu)化。吳家渡選取21.70 m和22.10 m作為超高水位歷時(shí)分析的水位，臨淮關(guān)選取20.30 m和20.90 m，浮山選取18.10 m和18.30 m。根據(jù)上述分析，以進(jìn)、退洪閘同時(shí)啟用的方式進(jìn)行閘門(mén)的調(diào)度運(yùn)用。

表4為各站超高水位歷時(shí)情況，在遭遇100 a一遇洪水時(shí)，按進(jìn)、退洪閘同時(shí)開(kāi)啟的方式啟用花園湖行洪區(qū)，方案一相對(duì)于方案二超高水位歷時(shí)較短，行洪效果相對(duì)較好。

表4 規(guī)劃條件下行洪區(qū)不同調(diào)度方案各站超高水位歷時(shí)情況

3 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)淮河干流河道建立一維模型，花園湖行洪區(qū)建立二維模型，通過(guò)耦合連接模擬100 a一遇洪水行洪區(qū)不同啟用條件下的洪水過(guò)程。在規(guī)劃河道條件下，利用典型年實(shí)測(cè)洪水過(guò)程對(duì)一維模型參數(shù)進(jìn)行率定驗(yàn)證，模擬精度較高，模型可用于較復(fù)雜的洪水模擬計(jì)算。

研究結(jié)果表明，在規(guī)劃條件下，遭遇100 a一遇洪水時(shí)，花園湖行洪區(qū)按照臨淮關(guān)水位達(dá)20.60 m時(shí)啟用，并且以進(jìn)、退洪閘同時(shí)開(kāi)啟的閘門(mén)調(diào)度方式運(yùn)用，行洪效果相對(duì)較好，能夠較好地發(fā)揮行洪區(qū)的作用。但本次調(diào)度方案的優(yōu)化研究未綜合考慮行洪區(qū)啟用后造成的經(jīng)濟(jì)損失、人員撤退轉(zhuǎn)移等，在制定行蓄洪區(qū)調(diào)度運(yùn)用方案時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮各方因素，處理好防洪與行蓄洪區(qū)發(fā)展的關(guān)系，使行蓄洪區(qū)受洪澇災(zāi)害的損失減少到最小。