淮河上游擬建水庫洪水調(diào)度方式與防洪庫容優(yōu)化研究

成晨光 劉德波 孫 熙 李 琳 鄭二偉

（河南省水利勘測設(shè)計(jì)研究有限公司 鄭州 450000）

1 引言

淮河淮濱以上流域面積16005km2，流域西起桐柏山、伏牛山，南以大別山與長江流域分界，西部、南部為山區(qū)、丘陵區(qū)，其余為平原。流域位于南北氣候過渡地帶，季風(fēng)影響明顯，洪水都為暴雨所致，且降雨時(shí)空分布不均，暴雨大都發(fā)生在6～8月，以7月份為最多，淮南山區(qū)常是暴雨中心所在地，淮南支流相繼匯入淮河干流，支流下游及淮干防洪壓力較大。

經(jīng)過幾十年治理，流域內(nèi)已建成南灣、石山口、五岳、潑河四座大型水庫，對控制山區(qū)性洪水發(fā)揮了重要作用，在建的淮干出山店水庫即將投入運(yùn)行，五座水庫控制山丘區(qū)流域面積4630km2，占淮濱以上總流域面積的28.93%，總庫容35.17 億m3，其中防洪庫容16.57 億m3。但仍有竹竿河、潢河上游山區(qū)洪水未得到控制，淮干淮濱防洪標(biāo)準(zhǔn)不足20年一遇。

根據(jù)《淮河流域防洪規(guī)劃》：①為保證淮河流域中下游防洪安全，上游淮濱站～王家壩的允許排洪流量為7000m3/s，淮河干流上游修建出山店水庫，支流竹竿河修建張灣水庫、潢河修建袁灣水庫、潢河支流晏家河修建晏河水庫，水庫建成后，可使準(zhǔn)河干流淮濱20年一遇設(shè)計(jì)流量控制在7000m3/s 以內(nèi)，減少下游濛洼滯洪區(qū)的進(jìn)洪量；②現(xiàn)狀淮濱站10年一遇設(shè)計(jì)洪峰7210m3/s，即現(xiàn)狀淮濱站的防洪標(biāo)準(zhǔn)不足10年一遇，出山店水庫基本建成投入運(yùn)行后，可使淮濱站防洪標(biāo)準(zhǔn)提高至約15年一遇，規(guī)劃利用張灣、袁灣、晏河三座水庫控制所在流域山區(qū)洪水，提高下游防洪能力是必要的；③為合理確定各水庫防洪庫容，盡可能減小水庫淹沒影響，尋求合理可行的防洪調(diào)度方式和經(jīng)濟(jì)的水庫規(guī)模，需結(jié)合三座水庫建設(shè)條件以及山區(qū)水庫距離防洪控制斷面淮濱站距離較遠(yuǎn)的現(xiàn)狀，對防洪調(diào)度規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化研究。

規(guī)劃的張灣水庫壩址位于淮河支流竹竿河上游、河南省信陽市羅山縣竹竿鋪鎮(zhèn)上游10km 處，控制流域面積1520km2；袁灣水庫壩址位于潢河上游光山縣潑陂河鎮(zhèn)和晏河鎮(zhèn)交界處的袁灣村附近，控制流域面積480km2；晏河水庫壩址位于潢河左岸支流晏家河上游，光山縣晏河鎮(zhèn)與新縣吳陳河鎮(zhèn)的交界處，控制流域面積277km2。

2 設(shè)計(jì)洪水及地區(qū)組成

表1 馬斯京跟法河道演進(jìn)各河段基本參數(shù)表

2.1 設(shè)計(jì)洪水

根據(jù)淮濱以上防洪要求，設(shè)計(jì)水庫包括出山店、張灣、袁灣、晏河水庫，淮濱以上設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成的分區(qū)分別為水庫以上及區(qū)間。

各水庫設(shè)計(jì)洪水依據(jù)相近水文站的實(shí)測資料計(jì)算；淮濱站設(shè)計(jì)洪水，根據(jù)本站實(shí)測洪水系列計(jì)算；出張?jiān)獭磪^(qū)間設(shè)計(jì)洪水，用淮濱站洪水過程減去上游各水庫洪水演進(jìn)至淮濱站的洪水過程，統(tǒng)計(jì)峰量值排頻計(jì)算。水庫至控制斷面洪水演進(jìn)采用參數(shù)見表1。

各分區(qū)20年一遇設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果見表2。

2.2 典型洪水選取

從實(shí)際洪水系列中選取1954年、1956年、1960年、1968年、1983年、2002年6 場較 大 洪 水典型。其中1954年為全流域暴雨，形成多峰型洪水過程，量大而集中；1956年降雨主要發(fā)生在出張?jiān)獭磪^(qū)間，形成單峰、尖瘦型洪水過程；1960年、1968年為全流域暴雨，形成單峰、尖瘦型洪水過程；1983年降雨主要在淮南支流，形成單峰、量大的洪水過程；2002年降雨主要在淮干出山店水庫上游，形成稍矮胖、雙峰型洪水過程，包含了淮濱以上洪水組成的主要類型。

2.3 洪水地區(qū)組成方法

此次采用同頻率洪水組成法和典型洪水組成法兩種方法。同頻率洪水組成法考慮兩種組合：一是淮濱與出山店、張灣、袁灣、晏河～淮濱區(qū)間同頻率，水庫以上相應(yīng)；二是淮濱與水庫以上同頻率，出山店、張灣、袁灣、晏河～淮濱區(qū)間相應(yīng)。前者以未控區(qū)間來水為主，上游水庫攔蓄的洪水較小，水庫調(diào)蓄對下游設(shè)計(jì)斷面的設(shè)計(jì)洪水影響較小，對淮濱防洪最不利；后者對淮濱防洪最有利、對水庫防洪最不利；典型洪水組成法按設(shè)計(jì)斷面淮濱的3 天洪量的倍比，放大各區(qū)典型洪水過程。

表2 各分區(qū)20年一遇設(shè)計(jì)洪水特征值表

3 水庫防洪調(diào)度方式的擬定

防洪調(diào)度方式的可操作性和防洪效果至關(guān)重要，如何確定滿足淮濱防洪任務(wù)（20年一遇控制在7000m3/s）的調(diào)度方式和相對經(jīng)濟(jì)的水庫防洪庫容是該研究的關(guān)鍵。

對于承擔(dān)下游防洪任務(wù)的水庫，一般有固定泄量調(diào)度和補(bǔ)償調(diào)度兩種方式。其中，補(bǔ)償調(diào)度方式分為預(yù)報(bào)補(bǔ)償調(diào)度方式和經(jīng)驗(yàn)性補(bǔ)償調(diào)度方式，目前淮河流域淮濱以上水雨情測報(bào)系統(tǒng)尚不完善，流域面積較大、流域內(nèi)中小型水庫眾多，洪水預(yù)報(bào)方案及精度還有待研究，因此工程規(guī)劃設(shè)計(jì)階段不考慮預(yù)報(bào)補(bǔ)償調(diào)度方式。此次研究根據(jù)淮河淮濱站以上流域特點(diǎn)，擬建水庫分別選取固定泄量、分級(jí)控泄、錯(cuò)峰調(diào)度方式，就防洪調(diào)度方式及防洪庫容的經(jīng)濟(jì)合理性進(jìn)行研究。

4 防洪調(diào)度方式分析及水庫防洪庫容的確定

根據(jù)防洪要求，出山店、張灣、袁灣、晏河水庫建成后，保證淮濱站20年一遇設(shè)計(jì)流量不超7000m3/s，即Q三庫響應(yīng)+Q出山店響應(yīng)+Q區(qū)間≤7000m3/s（將水庫出庫演進(jìn)至淮濱斷面的洪水稱為響應(yīng)洪水）。其中Q區(qū)間=5520m3/s，Q出山店響應(yīng)=1200m3/s，故Q三庫響應(yīng)≤280m3/s，即三座水庫防洪調(diào)度的任務(wù)是將響應(yīng)洪水與淮濱洪峰疊加的流量控制在280m3/s 之內(nèi)。

4.1 調(diào)度方式及指標(biāo)分析

4.1.1 固定泄量法

水庫固定泄量法調(diào)度方式示意圖見圖1，圖為淮濱洪水過程線與水庫出入庫洪水過程線、水庫出入庫洪水演進(jìn)至淮濱響應(yīng)洪水過程線的相對關(guān)系；Q限表示淮濱的允許流量，即7000m3/s；Q固表示水庫的固定泄量；Δt1表示水庫與淮濱洪水的峰現(xiàn)時(shí)間差，當(dāng)水庫洪水與區(qū)間洪水同步時(shí)，Δt1與水庫至淮濱斷面的演進(jìn)時(shí)間基本相同；Δt2表示淮濱超Q限的時(shí)長；W蓄表示固定泄量法水庫攔蓄洪量；W超限表示防洪控制斷面超限的洪量；W有效表示通過水庫攔蓄洪水對下游防洪控制斷面洪水的有效削減量。

三座水庫控泄流量初步按削峰率一致分配，張灣、袁灣、晏河控泄量分別為150m3/s、80m3/s、50m3/s。水庫防洪庫容及水庫調(diào)蓄后淮濱流量見表3。

調(diào)算結(jié)果分析：①三座水庫防洪庫容分別為4.81 億m3、1.72 億m3、0.98 億m3；②綜合考慮水庫興利目標(biāo)、移民征遷投資等因素，采用固定泄量法調(diào)度方式，水庫防洪庫容最大，對上游主要城鎮(zhèn)以及高速、鐵路等重要設(shè)施造成淹沒影響最大。

4.1.2 分級(jí)控泄

通過分級(jí)控泄調(diào)度減少無效防洪庫容，即當(dāng)淮濱流量較小時(shí)，水庫可適時(shí)加大泄量。水庫分級(jí)控泄調(diào)度方式示意見圖2。圖中T始表示開始減小控泄量的時(shí)間；T止表示淮濱洪水回落至Q始后水庫開始加大泄量的時(shí)間；Q1表示水庫分級(jí)控泄的較小控泄量，張灣、袁灣、晏河分別為150m3/s、80m3/s、50m3/s；Q2表示較大控泄量，考慮水庫下泄洪水在洪水傳播過程中的坦化作用，應(yīng)在不影響防洪效果的前提下適當(dāng)加大，經(jīng)分析計(jì)算，張灣、袁灣、晏河對應(yīng)的Q2取800m3/s、400m3/s、400m3/s；起蓄流量Q始表示開始減小泄量時(shí)淮濱斷面的流量；Δt3表示淮濱洪水從Q始至洪峰的漲峰歷時(shí)，為保證與淮濱洪峰疊加得流量是水庫較小的控泄量，并考慮水庫下泄洪水在演進(jìn)過程中的坦化作用，Δt3大于洪水從壩址至防洪控制點(diǎn)的傳播時(shí)間。張灣水庫至淮濱站的洪水演進(jìn)時(shí)間為33h，袁灣、晏河水庫至淮濱站的洪水演進(jìn)時(shí)間為39h，經(jīng)過對不同Q始擬定方案對不同典型過程計(jì)算分析，張灣水庫需在淮濱流量大于2000m3/s 時(shí)減小控泄量，袁灣、晏河水庫需在淮濱流量大于1000m3/s 時(shí)減小控泄量。

圖1 固定泄量法調(diào)度方式示意圖

圖2 分級(jí)控泄調(diào)度方式示意圖

根據(jù)以上分析初擬三座水庫防洪調(diào)度方式如下：

張灣水庫：淮濱＜2000m3/s，控泄800m3/s；淮濱＞2000m3/s，控泄150m3/s。

袁灣水庫：淮濱＜1000m3/s，控泄400m3/s；淮濱＞1000m3/s，控泄80m3/s。

晏河水庫：淮濱＜1000m3/s，控泄400m3/s；淮濱＞1000m3/s，控泄50m3/s。

調(diào)算水庫防洪庫容及水庫調(diào)蓄后淮濱流量成果見表3，調(diào)算結(jié)果分析：三座水庫防洪庫容分別為4.21 億m3、1.72 億m3、0.93 億m3，與固定泄量法相比，分級(jí)控泄調(diào)度方式降低防洪庫容的作用較小，主要原因是水庫可加大泄量補(bǔ)償湊泄的時(shí)間有限。

4.1.3 錯(cuò)峰調(diào)度

錯(cuò)峰調(diào)度可以有效地減小水庫的防洪庫容，水庫錯(cuò)峰調(diào)度方式示意圖見圖3，圖中符號(hào)意義與前述一致，Q1為水庫錯(cuò)峰期下泄流量，取值常較小甚至為0，Q2為非錯(cuò)峰期下泄流量。

考慮張灣、袁灣、晏河三座水庫特點(diǎn)：①張灣水庫控制流域面積大，壩址以上洪水對淮濱洪水的峰量貢獻(xiàn)最大，錯(cuò)峰補(bǔ)償調(diào)度意義較大，可在淮濱洪峰相應(yīng)時(shí)段盡量少泄，其余時(shí)段適當(dāng)加大泄量；②袁灣、晏河水庫距離淮濱斷面較遠(yuǎn)（洪水傳播時(shí)間為39h），且考慮下游龍山樞紐也有一定調(diào)節(jié)作用，兩庫防洪調(diào)度方式盡量簡便有效，仍采用固定控泄。

張灣水庫錯(cuò)峰調(diào)度關(guān)鍵在于確定T始、T止、Q1、Q2四個(gè)參數(shù)：

（1）T始的取值

T始的確定與分級(jí)控泄調(diào)度方式一致，即在淮濱流量達(dá)到2000m3/s 時(shí)，開始錯(cuò)峰。

（2）T止的取值

圖3 錯(cuò)峰調(diào)度方式示意圖

經(jīng)過不同典型洪水的計(jì)算分析，淮濱洪水過程線超7000m3/s 的時(shí)段長Δt2＜2d，且張灣水庫錯(cuò)峰2天可滿足所有典型年的錯(cuò)峰要求，T止-T始時(shí)段長取2 天。

（3）Q1的取值

Q1的確定首先要滿足淮濱防洪要求，即：

Q1+Q袁灣固定控泄+Q晏河固定控泄≤Q限-Q區(qū)間-Q出山店響應(yīng)=280m3/s

考慮袁灣、晏河水庫淹沒影響限制條件，要求固定控泄量滿足：

Q袁灣固定控泄≥120m3/s

Q晏河固定控泄≥80m3/s

相應(yīng)的張灣水庫Q1應(yīng)滿足：

0 ≤Q1≤80m3/s

若張灣水庫Q1取0，即采取閉閘錯(cuò)峰調(diào)度方式，同樣對上游城鎮(zhèn)造成較大淹沒，綜合考慮三座水庫的規(guī)模限制，Q1取80m3/s。

（4）Q2的取值

考慮水庫下泄洪水在演進(jìn)過程中的坦化作用，Q2應(yīng)在保證張灣水庫出庫相應(yīng)洪水與淮濱洪峰疊加的流量為80m3/s 的前提下適當(dāng)加大，經(jīng)調(diào)算，Q2取300m3/s。

綜上所述三座水庫防洪調(diào)度方式為：

張灣水庫：當(dāng)淮濱流量突破2000m3/s 時(shí)，且流量持續(xù)上漲，控泄80m3/s 持續(xù)2 天；其余時(shí)段控泄300m3/s。

袁灣水庫：固定控泄120m3/s。

晏河水庫：固定控泄80m3/s。

各庫防洪庫容及淮濱流量成果見表3。

4.2 防洪調(diào)度方式及防洪庫容的比選

固定泄量法操作簡單，需要的防洪庫容較大，水庫淹沒影響較大。

分級(jí)控泄理論上可以減小水庫的防洪庫容，結(jié)合淮河上游山區(qū)水庫距離防洪控制斷面距離較遠(yuǎn)、洪水傳播時(shí)間較長的實(shí)際特點(diǎn)，需要按較小控泄量的時(shí)段較長，水庫可加大泄量補(bǔ)償湊泄的時(shí)段較短，分級(jí)控泄減小水庫防洪庫容的作用有限。

經(jīng)判別指標(biāo)和調(diào)算成果的分析比較，本研究提出張灣水庫錯(cuò)峰，袁灣、晏河水庫固定控泄的防洪調(diào)度方式：①三座水庫的防洪庫容分別為3.71 億m3、1.41 億m3、0.75 億m3，較前兩種方式有明顯的減小，水庫規(guī)模更經(jīng)濟(jì)；②調(diào)度方式以淮濱站已出現(xiàn)的水情作為判別指標(biāo)，可操作性強(qiáng)；③隨著水文預(yù)報(bào)、防洪調(diào)度技術(shù)的不斷成熟，錯(cuò)峰調(diào)度逐步具有可行性。

表3 水庫防洪庫容及水庫調(diào)蓄后淮濱流量表

5 結(jié)論與展望

（1）本文在分析洪水組成、建庫條件的基礎(chǔ)上，以滿足流域防洪要求和較小的征地移民影響為目標(biāo)，對距離控制斷面較遠(yuǎn)的擬建水庫（群）洪水調(diào)度方式進(jìn)行研究，擬定以淮濱控制斷面流量為判別條件的不同泄量方式組合，優(yōu)化防洪調(diào)度方式。

（2）通過本流域研究分析，對于水庫距離防洪控制斷面較遠(yuǎn)的流域，采用錯(cuò)峰調(diào)度可以減小水庫無效防洪庫容。

（3）水庫距離防洪控制斷面越近，對下游防洪貢獻(xiàn)越大；水庫距離防洪控制斷面的距離越遠(yuǎn)，河道槽蓄能力對洪水坦化作用較大，對下游防洪貢獻(xiàn)越小；淮河淮濱站以上擬建的張灣、袁灣、晏河三座水庫距離淮濱斷面較遠(yuǎn)，對于水庫入庫洪水的削峰率達(dá)到96.6%，實(shí)際削峰7990m3/s，但對于淮濱站的削峰率僅有17.2%，實(shí)際削峰1660m3/s，這也是本流域的實(shí)際特點(diǎn)。

此次初擬的防洪調(diào)度方式以淮濱斷面流量為判別條件，從上下游全局綜合考慮，結(jié)合防洪目標(biāo)，為提高實(shí)時(shí)調(diào)度的科學(xué)性，可進(jìn)一步附加降雨、入庫流量等作為判別指標(biāo)，進(jìn)一步研究完善■