花園湖行洪區(qū)啟用條件與分洪效應(yīng)研究

張 明，王玲玲，張鳳山，張成瀟，伍夢天，唐洪武，朱 海

(1.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京 210098； 2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

行洪區(qū)是淮河防洪體系的重要組成部分，在淮河流域防洪體系中具有重要作用[1]。在《淮河干流行蓄洪區(qū)調(diào)整規(guī)劃》中，花園湖行洪區(qū)由扒口行洪調(diào)整為由進(jìn)洪閘、退洪閘門控制，是蚌埠以下段唯一保留的行洪區(qū)[2]。然而花園湖近60 a未曾啟用過，在未來大洪水中其作用與效應(yīng)到底如何，需進(jìn)行深入研究，這對于保證蚌埠以下段淮河干流行洪安全極為重要。

針對行洪區(qū)分洪效應(yīng)的問題，前人已經(jīng)開展了大量研究工作。美國陸軍工程兵團(tuán)[3](USACE)在密西西比河上游綜合規(guī)劃(UMRCP)報告中系統(tǒng)闡述了綜合性防洪措施，包括多項非工程措施，如汛情預(yù)警、應(yīng)急機(jī)制和洪水保險等；Liu等[4]建立了賈口洼蓄滯洪區(qū)的一二維耦合模型并計算洪水風(fēng)險要素[5]；李義天等[6]從理論上分析了行洪區(qū)行洪效果的影響因素，并運用概化河段單一行洪區(qū)模型計算分析了在不同類型洪水條件下扒口行洪口門的啟用順序?qū)Ω闪魉坏挠绊?；要威[7]研究了淮河中游王家壩—蚌埠段在1954年洪水情況下，行蓄洪區(qū)聯(lián)合運用時開啟方式的選擇問題；虞邦義等[8]等采用水動力數(shù)學(xué)模型及物理模型等手段，對淮河干流正陽關(guān)至浮山段仍保留的行洪區(qū)行洪能力進(jìn)行計算與試驗驗證，確定了規(guī)劃條件下行洪區(qū)的泄流能力；何琦[9]在2003年通過數(shù)據(jù)分析的方式對比了蒙洼蓄洪區(qū)在不同頻率洪水下啟用對干流水位的影響。

行洪區(qū)啟用頻率低，過去多以扒口行洪方式為主，前人的研究成果也多集中在針對扒口行洪，如何選擇口門位置[10-11]、口門打開時機(jī)和方式、行洪區(qū)在不同頻率洪水下開啟的效果[9]、行蓄洪區(qū)聯(lián)合調(diào)度[7]等?；▓@湖行洪區(qū)的行洪過程是由進(jìn)洪閘、退洪閘門控制，其進(jìn)洪閘、退洪閘的開啟時機(jī)與調(diào)控方式?jīng)Q定了分洪效果及行洪區(qū)內(nèi)的洪水行進(jìn)過程。本文采用數(shù)值模擬方法，建立淮河干流吳家渡至浮山段一二維耦合模型，在2007年型百年一遇洪水工況下，系統(tǒng)研究花園湖行洪區(qū)進(jìn)退洪閘門啟用順序、行洪區(qū)調(diào)蓄水量、淹沒范圍、口門流速，以及對淮河干流水位流量的影響等問題，以期能為花園湖行洪區(qū)調(diào)度原則的確定及類似行洪區(qū)的運用管理提供科學(xué)支撐。

1 模 型 建 立

1.1 花園湖工程概況

圖1 模型計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分Fig.1 Computational domain and grids

花園湖位于淮河南岸臨淮關(guān)至小溪鎮(zhèn)間，行洪區(qū)總面積218.3 km2，常年蓄水區(qū)(湖心區(qū))東西長12 km，中部狹窄處寬僅2 km(圖1)，湖底高程為11.50 m?；▓@湖行洪區(qū)進(jìn)洪閘布置在徐家村段堤防上，退洪閘位于申家湖站西側(cè)淮河彎道處[9]；進(jìn)洪閘、退洪閘孔數(shù)均為27孔，每個閘孔寬12 m、高8 m、設(shè)計流量3 500 m3/s，進(jìn)洪閘底高程為14.5 m，退洪閘底高程為14 m。進(jìn)洪閘上游約5 km處的臨淮關(guān)站水位達(dá)到20.70 m時，進(jìn)洪閘開啟進(jìn)洪，退洪閘開啟反向進(jìn)洪，待行洪區(qū)蓄水位與淮河干流側(cè)基本持平時，花園湖開始行洪。

1.2 控制方程及離散格式

針對研究對象，建立一二維耦合模型：淮河干流吳家渡—浮山段以一維模型模擬[12]，花園湖行洪區(qū)以二維模型模擬[13-14]。一維河道總長約92 km，剖分成370個河段。以Saint-Venant方程組[15]描述其水動力分布規(guī)律，采用Abbott-Ionescu六點隱格式[16]對方程進(jìn)行離散，并用追趕法進(jìn)行求解[17]?；▓@湖行洪區(qū)非恒定流過程以水深平均N-S方程模擬。 二維計算區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)為2 131，平均網(wǎng)格尺寸約為350 m，對進(jìn)洪閘、退洪閘附近加密至200 m左右，如圖1所示?？刂品匠滩捎枚ATVD格式進(jìn)行離散求解。

一二維模型在耦合邊界處實現(xiàn)水力要素的傳遞，耦合連接采用MIKE FLOOD標(biāo)準(zhǔn)連接形式，考慮耦合邊界處的水量平衡，根據(jù)二維網(wǎng)格單元水深計算分配系數(shù)，采用加權(quán)平均的方式將通過一維邊界的水量傳入二維區(qū)域中[18]。

1.3 邊界條件與設(shè)計工況參數(shù)

模型邊界條件設(shè)置為上游吳家渡站流量過程，下游為淮河干流入湖前重要水位站浮山站水位過程；行洪設(shè)計流量采用淮河干流2007年型百年一遇工況。在淮河干流行洪區(qū)調(diào)整規(guī)劃中，花園湖設(shè)計行洪流量為3 500 m3/s，進(jìn)洪閘、退洪閘行洪控制水位均為臨淮關(guān)站水位20.70 m。為了研究不同閘門開啟方式對降低淮河干流水位的作用，設(shè)置如表1所示的4種工況，其中，閘門晚開的條件是指當(dāng)臨淮關(guān)站水位達(dá)到20.92 m時才啟用。

表1 花園湖行洪區(qū)分洪工況設(shè)置Table 1 Cases of operation methods in Garden Lake flood diversion area m

2 模型率定與驗證

2007年淮河流域暴雨具有時間間隔短、降雨歷時長、籠罩范圍廣、強(qiáng)暴雨頻發(fā)和降雨總量大等特點[19]，選取2007年典型洪水過程作為率定工況，計算時段為2007年6月28日至2007年8月27日。選取淮河干流中游重要控制站臨淮關(guān)站和五河站的水位過程進(jìn)行模型參數(shù)率定。一維河道糙率吳家渡至臨淮關(guān)段取值為0.036，臨淮關(guān)至浮山段取值為0.029。水位率定結(jié)果如圖2所示，模型計算的水位過程與實測過程一致性吻合良好，洪峰水位差在±0.05 m范圍內(nèi)，臨淮關(guān)、五河水位過程的NSE系數(shù)[20]分別達(dá)到0.991、0.993，峰值水位偏差均小于1%，表明模型計算結(jié)果與實測值吻合程度較好。

圖2 水位率定結(jié)果Fig.2 Calibration results of water level

由于花園湖行洪區(qū)近60 a來沒有啟用記錄，因此無法采用實測資料率定行洪區(qū)糙率。本文根據(jù)下墊面條件并借鑒虞邦義等[8]、張震等[21]相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行糙率取值，最終確定花園湖行洪區(qū)糙率為0.05。

采用2003年實測洪水資料對模型計算的沿程各測站水位及流量進(jìn)行驗證，結(jié)果表明，各測站計算水位、流量過程與實測過程一致性良好，具有較高的精度，可為花園湖行洪區(qū)的分洪效應(yīng)計算提供良好的計算平臺。

3 花園湖行洪區(qū)啟用過程中的水動力分析

3.1 花園湖行洪區(qū)啟用后淮河干流水位流量變化規(guī)律

花園湖行洪區(qū)啟用(工況一)和未啟用(工況四)2種情況下淮河干流臨淮關(guān)和浮山百年一遇最大30 d(2007-07-06—2007-08-05)水位和流量過程如圖3所示?；▓@湖行洪區(qū)的啟用對其上下游洪水演進(jìn)顯現(xiàn)出不同的作用，即上游以削峰為主，下游以錯峰為主。在行洪區(qū)啟用后，上游臨淮關(guān)站的水位得到明顯降低，洪峰時刻的水位下降0.53 m，特別是在行洪區(qū)啟用初期(2007-07-08—2007-07-13)水位降幅超過1 m；但行洪區(qū)對上游站點的流量過程影響并不顯著；而下游浮山站受行洪區(qū)的蓄滯作用影響，前期水位流量大幅度減小；后期其水位和流量過程均有2 d左右的滯后，但水位峰值沒有明顯降低。

圖3 進(jìn)洪閘、退洪閘開啟時機(jī)對上下游節(jié)點的影響Fig.3 Discharge varying with time affected by sluice-controlled flood diversions area at upstream and downstream sluice gates

3.2 花園湖行洪區(qū)進(jìn)洪閘、退洪閘附近流速變化

圖4 行洪區(qū)啟用過程中進(jìn)洪閘、退洪閘處流速變化(以進(jìn)洪為正)Fig.4 Local velocity varying with time near upstream and downstream sluice gates during the operation

花園湖行洪區(qū)在進(jìn)洪閘、退洪閘門同時啟用的工況下，規(guī)定以流進(jìn)行洪區(qū)方向的流速為正，流出為負(fù)，進(jìn)洪閘、退洪閘處的流速變化如圖4所示。由圖4可知，在行洪區(qū)啟用初期，進(jìn)洪閘、退洪閘開閘進(jìn)洪，兩處流速均較大，特別是退洪閘處流速達(dá)到0.7 m/s；之后進(jìn)洪閘附近流速保持在0.4 m/s左右并有逐漸下降的趨勢；而隨著退洪閘反向進(jìn)洪的結(jié)束，其口門流速迅速下降至0 m/s，之后開始行洪，并在行洪過程中流速保持在0.3 m/s左右?？v觀整個行洪區(qū)啟用過程，行洪區(qū)中正負(fù)流速最大值均出現(xiàn)在退洪閘處，應(yīng)注意退洪閘口門附近的局部沖刷。

3.3 進(jìn)洪閘、退洪閘開啟順序?qū)樗葸M(jìn)的影響

為研究花園湖行洪區(qū)進(jìn)洪閘、退洪閘不同的開啟順序?qū)春痈闪魉蛔兓靶泻閰^(qū)調(diào)蓄水量、淹沒范圍的影響，取進(jìn)洪閘、退洪閘同時開啟、退洪閘晚開、進(jìn)洪閘晚開3種工況進(jìn)行計算分析。

圖5 進(jìn)洪閘、退洪閘開啟時機(jī)對淮河干流洪水演進(jìn)的影響Fig.5 Influences of operating time of upstream and downstream sluice gates on the evolution of flood of Huaihe mainstream

花園湖行洪區(qū)進(jìn)洪閘、退洪閘的不同開啟順序?qū)▓@湖上游臨淮關(guān)和下游浮山站的水位影響如圖5所示，可知在行洪區(qū)進(jìn)洪初期，不同的進(jìn)洪閘、退洪閘開啟順序會使得淮河干流洪水演進(jìn)呈現(xiàn)出明顯的差別。對于花園湖行洪區(qū)的上游站點臨淮關(guān)，工況一、工況二比工況三降低水位的效果更好，約低0.2 m，由于工況二退洪閘晚開，7月13日后水位比工況一上漲延遲了1 d，后又因為退洪閘在7月14日打開，臨淮關(guān)水位快速上升。對于下游站點，工況三由于退洪閘先開水位在初期迅速下降，工況二水位初期變化不大，在7月14日退洪閘打開后水位迅速上漲。

花園湖行洪區(qū)進(jìn)洪閘、退洪閘按不同順序開啟時行洪區(qū)總調(diào)蓄水量的變化過程如圖6(a)所示。在行洪區(qū)啟用初期，進(jìn)洪閘晚開情況下(工況三)總調(diào)蓄水量上升速率最快，進(jìn)洪閘、退洪閘同時開啟(工況一)次之，退洪閘晚開時(工況二)最慢；當(dāng)行洪區(qū)發(fā)揮行洪功能時，進(jìn)洪閘或退洪閘晚開的工況下總調(diào)蓄水量的最大值較同時開啟工況均有提高，退洪閘晚開時，總調(diào)蓄水量最高達(dá)13.5億m3，比工況一和工況三分別高出1.3億m3和0.9億m3。3種工況下丁字形湖區(qū)中心處的水位過程如圖6(b)所示，在行洪初期，進(jìn)洪閘、退洪閘的開啟時機(jī)對行洪區(qū)內(nèi)水位增長速率和峰值水位影響不大，僅水位起漲時刻有所不同。上述計算結(jié)果表明，盡管在行洪階段進(jìn)退洪閘門的開啟順序?qū)λ坏挠绊懖淮?，但退洪閘晚開可以有效提高行洪區(qū)調(diào)蓄超額洪水的能力。

圖6 分洪閘開啟時機(jī)對行洪區(qū)調(diào)蓄水量及湖心水位的影響Fig.6 Influences of operating time of sluice gates on both capacity of flood area and water level in the center of the lake

圖7 分洪閘開啟時機(jī)對行洪區(qū)淹沒面積的影響Fig.7 Influences of operating time of sluice gates on the flooded area

由模型能得出各時刻淹沒范圍示意圖。圖7為利用該方法求得的花園湖行洪區(qū)淹沒面積在不同工況下的演變過程。由圖7可知，行洪區(qū)啟用后，不同分洪閘開啟時機(jī)下行洪區(qū)的淹沒速率有明顯不同，其中，進(jìn)洪閘晚開情況下(工況三)淹沒速率最快，進(jìn)洪閘、退洪閘同時開啟(工況一)次之，退洪閘晚開時(工況二)最慢；進(jìn)一步分析可得，3個工況下行洪區(qū)淹沒面積達(dá)到其總面積90%的所需時間分別為84 h、102 h、72 h。因此，針對淮河百年一遇洪水，退洪閘適當(dāng)晚開不會增大淮河干流的最高水位，但可以有效減緩花園湖行洪區(qū)的淹沒進(jìn)程，有利于該行洪區(qū)內(nèi)居民的避洪撤退。

4 結(jié) 論

a. 花園湖行洪區(qū)的啟用可以有效降低淮河干流上游站點的水位，同時推遲下游站點水位和流量的峰現(xiàn)時刻，并在進(jìn)洪初期明顯降低下游河段的流量和水位，即花園湖行洪區(qū)的作用表現(xiàn)為對其上游的淮河主干水流以削峰為主，其下游的淮河干流水位以錯峰為主。

b. 當(dāng)進(jìn)洪閘、退洪閘同時開啟時，花園湖行洪區(qū)中正負(fù)流速極值均出現(xiàn)在退洪閘處，特別是在退洪閘反向進(jìn)洪初期，退洪閘處流速是行洪時流速的2倍，可達(dá)0.7 m/s，應(yīng)注意水閘口門局部的沖刷。

c. 在2007年型百年一遇洪水工況下，退洪閘適當(dāng)晚開不會增大淮河干流的最高水位，還可有效減緩花園湖行洪區(qū)的淹沒進(jìn)程，可為防洪搶險提供更多時間，有利于提高淮河干流調(diào)蓄洪水的能力以及區(qū)內(nèi)群眾避洪撤退的部署。