淮河南正段行蓄洪區(qū)運用效果分析

王露露，張 震

(安徽省水利水電勘測設計院，安徽 合肥 230088)

安徽省淮河干流行蓄洪區(qū)眾多，經(jīng)調整建設后，現(xiàn)有15處，總面積2 459 km2[1-2]。自新中國成立以來，淮河流域洪澇災害較大的洪水年份就有1950、1954、1956、1962、1963、1964、1965、1968、1969、1975、1982、1991、2003、2007年等。現(xiàn)有的行蓄洪區(qū)共啟用273次[3]，其中以南照集至正陽關段行蓄洪區(qū)運用較為頻繁?；春痈闪髂险涡行詈閰^(qū)中南潤段、邱家湖及姜唐湖3處行蓄洪區(qū)啟用標準低，進洪最頻繁，其中南潤段蓄洪區(qū)共進洪14次，邱家湖蓄洪區(qū)進洪16次，連圩前的姜家湖、唐垛湖行洪區(qū)均進洪13次，連圩后的姜唐湖行洪區(qū)于2007年也相應進洪[4]。淮干南正段行蓄洪區(qū)中城西湖、城東湖2處蓄洪區(qū)啟用標準高，較少啟用，其中城東湖蓄洪區(qū)進洪6次，城西湖蓄洪區(qū)進洪3次，其中2次為堤防決口進洪，非主動分洪[4]?；春痈闪髂险占琳栮P段行蓄洪區(qū)位置見圖1。

圖1 淮河南照集至正陽關段行蓄洪區(qū)位置示意

歷年來行蓄洪區(qū)運用對削減淮河干流洪峰具有重大作用，為流域防洪減災作出了巨大貢獻。但歷史洪水中因調度運用不及時、口門炸潰斷面不足等原因，導致行蓄洪區(qū)滯洪、行洪功能難以被充分利用，行蓄洪區(qū)實際運用效果不理想[4-5]。隨著治淮工程建設的逐步完善，大部分行蓄洪區(qū)口門處已建設了分洪閘，且行蓄洪區(qū)內建設了莊臺、保莊圩等安置區(qū)內人口[6-8 ]，行蓄洪區(qū)已有條件進行更為有效的調度運用。但受行蓄洪區(qū)運用效果不明確等因素限制，在實際防汛調度中如何準確判斷和決策是否啟用及何時啟用行蓄洪區(qū)，依然是個難題。

為提高淮河行蓄洪區(qū)調度運用的及時性、有效性、科學性，本文以運用最為頻繁的淮河干流南照集至正陽關段南潤段、邱家湖及姜唐湖3處低標準行蓄洪區(qū)為研究對象，基于MIKE 11構建淮干南正段河道及行蓄洪區(qū)一維水動力學模型，分析在現(xiàn)狀工況下各行蓄洪區(qū)按規(guī)定調度條件單獨及聯(lián)合運用降低淮干水位的效果，并與在歷史工況下行蓄洪區(qū)按歷史實際調度情況運用的效果進行對比，分析主要影響因素。

1 模型原理

MIKE 11水動力計算模型是基于垂向積分的物質和動量守恒方程，即一維非恒定流Saint-Venant方程組來模擬河流的水流狀態(tài)；以Abbott-lonescu六點隱式差分格式求解，公式如下：

(1)

(2)

式中x、t——計算點空間和時間的坐標；A——斷面過流面積；Q——斷面流量；h——水位；q——旁側入流流量；C——謝才系數(shù)；R——水力半徑；α——動量校正系數(shù)；g——重力加速度。

2 模型構建

本文的研究對象是淮河干流運用最為頻繁的南潤段、邱家湖、姜唐湖3處低標準行蓄洪區(qū)，為排除城西湖、城東湖2處高標準蓄洪區(qū)運用的干擾，洪水量級選擇20年一遇的中等常遇洪水，構建淮河干流南照集至正陽關段河道及南潤段、邱家湖、姜唐湖3處行蓄洪區(qū)的一維水動力學模型[9-10]。

2.1 河網(wǎng)及行蓄洪區(qū)概化

構建干流河道一維河道模型，長73.1 km，各斷面間距按500 m左右控制，共141個斷面。支流潁河、淠河入流采用在干流河道直接加點源的方式加入。南潤段蓄洪區(qū)、邱家湖蓄洪區(qū)、姜唐湖行洪區(qū)采用一維河道的形式進行概化，概化的一維河道分別長0.8、2.0、2.2 km。河道及行蓄洪區(qū)模型概化見圖2。

圖2 模型概化

2.2 邊界條件確定

由于臨淮崗工程建設和姜唐湖行洪區(qū)聯(lián)圩，2004年后淮干臨淮崗至正陽關段老淮河上、下河口處已建堤堵口，淮河干流改道由臨淮崗引江連接下游正陽關，2004年前后工情變化大，因此本次選擇發(fā)生時間較近、距今河道工情變化較少的2007年作為20年一遇洪水典型年進行分析。2007年洪水來源主要為干流洪水，支流來水不大。上游入流邊界采用潤河集站實測流量過程，最大流量為7 520 m3/s；下游出流邊界采用正陽關站的水位～流量關系；支流淠河、潁河來水分別采用橫排頭樞紐、阜陽閘實測下泄流量，其中淠河來水較小，最大流量為471 m3/s，潁河最大流量為1 890 m3/s；區(qū)間來水采用已有分析還原成果[11]。

2.3 工況設置

為分析不同工況及調度運用條件下行蓄洪區(qū)運用效果，選擇歷史工況按當年實際調度情況運用和現(xiàn)狀工況按規(guī)定調度條件運用2種工況。

歷史工況按當年實際調度情況運用：河道斷面還原到2007年工況。南潤段、邱家湖2007年尚未建設進、退洪閘，實際為在堤防上炸口進洪，口門進洪過程采用已有分析還原成果[11]；姜唐湖2007年已建設了進、退洪閘，采用閘門實測進洪流量；各行蓄洪區(qū)均按當年實際啟用時間及過程運用?；春痈闪髋R淮崗樞紐2007年已建成，按閘門實際尺寸參數(shù)在模型中設置結構物，調度條件為敞泄。

現(xiàn)狀工況按規(guī)定調度條件運用：河道斷面采用現(xiàn)狀實測斷面；南潤段、邱家湖、姜唐湖現(xiàn)狀均建設了進、退洪閘，按閘門實際尺寸參數(shù)在模型中設置結構物控制進洪過程[12]，進、退洪閘調度條件根據(jù)《淮河洪水調度方案》(國汛〔2016〕14號)設置。臨淮崗樞紐設置同歷史工況。干流及行蓄洪區(qū)各控制建筑物按規(guī)定調度條件運用的概化設置見表1。

表1 各控制建筑物按規(guī)定調度條件運用概化設置

3 模型驗證

《淮河中游河道水動力數(shù)學模型研究與應用》[13]中對淮河干流王家壩至小柳巷段一維河道水動力學模型糙率取值進行了率定與驗證，主河槽和灘地糙率取值分別為0.024～0.028、0.036～0.045[13-14]；考慮本次行蓄洪區(qū)運用效果分析對模型的精確性、合理性需求，對構建的淮河干流南照集至正陽關段一維水動力模型在吸收已有成果的基礎上，進行進一步驗證。由于2004年前后河道工況變化較大，模型驗證采用2005年(2場)、2007年(1場)3場次洪水過程，河道地形數(shù)據(jù)及工程等還原至當年，上、下游及支流邊界條件采用實測數(shù)據(jù)。

以水文情報預報規(guī)范[15]對驗證成果分析，2007年大洪水年份，峰值誤差較小，水位確定性系數(shù)DC≥0.90，QR≥85.0，驗證精度等級為甲級；2005年中洪水年份，峰值誤差不大，水位確定性系數(shù)0.90≥DC≥0.70，QR≥85.0，驗證精度等級為乙級；即驗證精度較高，模型概化合理。模型精度評價見表2。

表2 淮河干流南照集至正陽關段模型精度評價

注：洪水場次①指2005.07.06至2005.07.23；②指2005.08.24至2005.09.13；③指2007.07.03至2007.07.10

4 行蓄洪區(qū)運用效果分析

4.1 行蓄洪區(qū)按規(guī)定調度條件單獨運用效果分析

為明確各行蓄洪區(qū)運用對淮干水位的最大影響程度和影響范圍，對現(xiàn)狀工況下各行蓄洪區(qū)按規(guī)定調度條件單獨運用后淮干主要控制節(jié)點水位變化情況進行分析。

南潤段在控制站南照集洪峰到達前26 h啟用，蓄洪量0.64億m3，全部蓄滿；潤河集洪峰水位降幅0.18 m、最大水位降幅0.28 m，正陽關洪峰水位降幅0.17 m、最大水位降幅0.26 m。邱家湖在控制站潤河集洪峰到達前19 h啟用，蓄洪量1.7 億m3，全部蓄滿；潤河集洪峰水位降幅0.24 m、最大水位降幅0.34 m，正陽關洪峰水位降幅0.49 m、最大水位降幅0.50 m。姜唐湖在控制站潤河集洪峰到達前19 h啟用，蓄洪量6.18億m3，未完全蓄滿；潤河集洪峰水位降幅0.31 m、最大水位降幅0.75 m，正陽關洪峰水位降幅0.90 m、最大水位降幅1.52 m。

按照規(guī)定調度條件，各行蓄洪區(qū)啟用時間均在控制站洪峰到達前1 d左右，能夠顯著降低下游洪峰水位，運用效果較好。其中南潤段運用降低潤河集洪峰水位最顯著，降幅最大可達0.18 m；邱家湖、姜唐湖運用降低正陽關洪峰水位最顯著，降幅最大分別可達0.49、0.90 m。各行蓄洪區(qū)單獨運用降低淮干水位效果見圖3。

a)南潤段單獨運用降低潤河集水位效果

b)邱家湖單獨運用降低正陽關水位效果

c)姜唐湖單獨運用降低正陽關水位效果圖3 各行蓄洪區(qū)按規(guī)定調度條件單獨運用效果

4.2 行蓄洪區(qū)按規(guī)定調度條件聯(lián)合運用效果分析

現(xiàn)狀工況下，行蓄洪區(qū)按規(guī)定調度條件聯(lián)合運用，南潤段于南照集洪峰前26 h啟用，進洪量分別為0.61億m3；邱家湖、姜唐湖分別于潤河集洪峰前6、1 h啟用，進洪量分別為1.36億、5.95億m3。行蓄洪區(qū)運用后，潤河集洪峰水位降幅0.31 m，最大水位降幅0.96 m；正陽關洪峰水位降幅0.55 m，最大水位降幅2.11 m。行蓄洪區(qū)聯(lián)合調度，各湖區(qū)進洪過程見圖4，降低淮干水位效果見圖5。

圖4 按規(guī)定條件聯(lián)合調度各行蓄洪區(qū)進洪過程

a)行蓄洪區(qū)聯(lián)合調度運用降低潤河集水位效果

b)行蓄洪區(qū)聯(lián)合調度運用降低正陽關水位效果圖5 行蓄洪區(qū)按規(guī)定調度條件聯(lián)合運用效果

南潤段、邱家湖先啟用，基本蓄滿，有效降低洪峰水位；雖然姜唐湖分洪流量及庫容均較大，但由于啟用時間基本在洪峰到達時，對洪峰水位降低效果不顯著，主要降低洪峰后水位。

4.3 行蓄洪區(qū)不同條件運用效果分析

為明確歷史上發(fā)生2007年洪水時各行蓄洪區(qū)運用分別對洪峰的實際削減作用，對各行蓄洪區(qū)按歷史實際運用時間及分洪過程單獨運用后淮干洪峰水位降幅進行分析；并與各行蓄洪區(qū)按規(guī)定調度條件單獨運用洪峰水位降幅進行對比，分析影響行蓄洪區(qū)運用效果的因素。

南潤段、邱家湖按照歷史實際調度情況運用，分別可降低潤河集洪峰水位0.07 m，降低正陽關洪峰水位0.11 m；與按規(guī)定調度條件運用相比，潤河集、正陽關洪峰水位降幅分別減少0.11、0.38 m，運用效果較差。主要由于2007年兩湖超過規(guī)定運用水位而未及時啟用，啟用時洪峰已接近相應控制站；且當年兩湖進退洪閘均未建成，需在蓄洪堤上炸開口門分洪，最大分洪流量僅300 m3/s，遠未能達到設計進洪流量，因此洪峰水位降幅未能達到最大。

姜唐湖按歷史實際調度情況單獨運用，最大可降低正陽關洪峰水位0.26 m；與按規(guī)定調度條件運用相比，正陽關洪峰水位降幅減少0.64 m。2007年姜唐湖進、退洪閘已建成，實際進洪流量2 200 m3/s，接近設計進洪流量；但由于姜唐湖運用時洪峰已接近其控制站潤河集，且分洪時間較短，待水位降低至控制水位以下便關閘停止進洪，實際蓄洪量僅占總庫容的30%，未能完全運用姜唐湖的蓄洪能力，因此洪峰水位降幅未能達到最大。

歷史實際發(fā)生2007年洪水時，由于行蓄洪區(qū)啟用損失大、影響大，決策困難，均未能及時運用，且分洪設施尚不完善，因此行蓄洪區(qū)運用后淮干水位降幅僅為0.07～0.26 m，均未能達到最優(yōu)效果。各行蓄洪區(qū)不同條件單獨運用相應淮干主要控制站洪峰水位降幅見表3。

表3 各行蓄洪區(qū)不同條件單獨運用各站水位降幅

5 結語

行蓄洪區(qū)運用效果受啟用時機及分洪能力影響顯著，歷史實際發(fā)生洪水時常由于不能在洪峰到達前及時啟用，以及口門進洪流量小等原因，導致行蓄洪區(qū)運用效果不理想。目前正陽關以上行蓄洪區(qū)均已建設了進、退洪閘，進洪過程可控且分洪能力顯著提高。若淮干發(fā)生20年一遇洪水，各行蓄洪區(qū)按規(guī)定在洪峰到達前1 d左右及時啟用，則可顯著降低其下游淮干水位，其中南潤段運用可降低潤河集洪峰水位達0.18 m，邱家湖、姜唐湖運用分別可降低正陽關水位達0.49、0.90 m。行蓄洪區(qū)按規(guī)定聯(lián)合調度，南潤段、邱家湖于洪峰到達前先啟用可顯著降低淮干洪峰水位，其中潤河集洪峰水位可降低0.31 m，正陽關洪峰水位可降低0.55 m；姜唐湖后啟用，削峰作用較小。