平原河道閘壩群洪水資源聯(lián)合調(diào)度研究

張 濤，張靈真，喬友剛，任傳棟

（山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，濟(jì)南 250013）

我國北方干旱地區(qū)平原河道多具有防洪除澇、輸水灌溉、生態(tài)蓄水等多種功能作用，由于平原區(qū)地勢(shì)平坦、人口分布密集，以及土地開發(fā)程度高等原因，不易興建水庫攔蓄工程，洪水資源利用主要以攔河閘壩蓄水利用為主；由于河道徑流主要集中在汛期，通常洪水歷時(shí)短、峰高量大，面臨著洪水資源利用難度大，而又存在非汛期缺水?dāng)嗔?、生態(tài)惡化等問題。目前針對(duì)水庫單庫及庫群的洪水資源優(yōu)化調(diào)度取得了較多的研究成果［1，2］；對(duì)于河道閘壩群聯(lián)合調(diào)度，張永勇［3］等采用SWAT 水文模型研究了淮河流域閘壩間水量水質(zhì)調(diào)度，左其亭［4］等以淮河流域沙潁河為對(duì)象提出了閘壩群實(shí)時(shí)防污調(diào)控優(yōu)化模型，水力計(jì)算常采用一維非恒定流模型［5-7］，能較好地用于復(fù)雜河網(wǎng)水系的水動(dòng)力模擬。本文以山東省魯北平原河道徒駭河為例，根據(jù)洪水規(guī)律及水利工程特點(diǎn)，研究水閘、橡膠壩梯級(jí)閘壩聯(lián)合蓄水調(diào)度，在滿足防洪除澇安全、生態(tài)流量要求、洪水利用率限制等約束條件下，盡量攔蓄洪水資源，增加河道內(nèi)生態(tài)用水，以及向河道外沿線區(qū)域提供農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境等用水，為地區(qū)可持續(xù)發(fā)展提供資源支撐。

1 流域基本情況

（1）流域概況。徒駭河是海河流域南部一條具有防洪、除澇、灌溉等功能的大型河道，南依黃河、金堤河大堤，北接馬頰河、德惠新河流域。該河起源于河南省南樂縣，于山東省沾化縣入渤海，河道全長(zhǎng)436.35 km，流域面積13 918.7 km2，其中山東省境內(nèi)河道長(zhǎng)406 km，流域面積13 312.7 km2。徒駭河流域面積在300 km2以上的有趙牛新河、老趙牛河、土馬沙河、秦口河、新金線河、趙王河、上四新河、西新河、七里河、葦河、沙河等11條（見圖1）。

圖1 河道閘壩示意圖Fig.1 Schematic diagram of river gate and dam

（2）水文水資源。根據(jù)徒駭河流域雨量站1951-2013年共63年的降水資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，流域多年平均年降水量581.1 mm，流域天然徑流量5.92 億m3。實(shí)測(cè)徑流量年內(nèi)分配與降水量年內(nèi)分配一致，都集中于汛期6-9月，根據(jù)控制站分析，汛期多年平均徑流量占多年平均徑流量的67.0%（劉橋閘）～80.5%（堡集閘）。

（3）干流調(diào)蓄工程。徒駭河干流山東省境內(nèi)有閘壩19 座，設(shè)計(jì)總蓄水量1.59 億m3，扣除閘壩間的重復(fù)庫容，閘壩有效總庫容為1.067 億m3。

徒駭河流域人口密集，是魯北引黃灌溉農(nóng)業(yè)大區(qū)，水資源十分缺乏［8］，區(qū)內(nèi)地下水開發(fā)現(xiàn)狀已接近地下水用水總量控制指標(biāo)上限，局部地區(qū)存在地下水超采現(xiàn)象，城鎮(zhèn)生活、工業(yè)擠占農(nóng)業(yè)、生態(tài)用水問題較為突出。

2 河道閘壩群聯(lián)合蓄水調(diào)度模型

2.1 洪水調(diào)度特點(diǎn)

（1）河道功能多樣性。平原河道通常承擔(dān)防洪、除澇、輸水、灌溉等多種功能，同時(shí)還承擔(dān)河道自身生態(tài)補(bǔ)水功能，用水戶包括河道外沿線的農(nóng)業(yè)、生活、工業(yè)及生態(tài)用水。

（2）閘壩管理復(fù)雜性。大中型河道梯級(jí)閘壩管理權(quán)限分屬通常較復(fù)雜，一般閘壩通常由縣級(jí)水利單位管轄，大型閘壩、邊界閘壩由地市或省級(jí)水利部門管轄，閘壩群調(diào)度存在調(diào)度不通暢、管理不協(xié)調(diào)問題，因此，流域洪水資源利用需要統(tǒng)管協(xié)調(diào)，爭(zhēng)取全局最大利益。

（3）洪水調(diào)度時(shí)效性。在保證防洪安全的前提下攔蓄洪水徑流，由于北方季節(jié)性河道汛期洪水通常歷時(shí)較短，同時(shí)受徑流過程、工程調(diào)度等因素的不確定性影響，實(shí)時(shí)調(diào)度注重時(shí)效性。

2.2 調(diào)度運(yùn)用原則

在保證河道及流域防洪安全的基礎(chǔ)上，實(shí)施閘壩群聯(lián)合調(diào)度，盡可能攔蓄洪水資源，提高區(qū)域水資源調(diào)配能力。

（1）洪水預(yù)報(bào)。結(jié)合水文氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)判定未來降雨及洪水發(fā)展趨勢(shì)，決定是否需要蓄水，避免再次遭遇大洪水而進(jìn)行反復(fù)的閘門控制。合理選擇預(yù)蓄時(shí)機(jī)，避免過早或過晚蓄水。近年來該區(qū)域24 h 晴雨氣象預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率在88%左右［9］，短時(shí)臨近暴雨預(yù)警準(zhǔn)確率達(dá)89%左右，為調(diào)度決策、操作實(shí)施等提供了準(zhǔn)備時(shí)間。

（2）洪水調(diào)度原則。在洪峰之前的漲洪階段閘壩應(yīng)全部敞泄，保持行洪通暢。在洪峰之后的退洪階段，分為行洪敞泄、蓄洪控泄兩個(gè)階段，在退洪初期當(dāng)流量高于警戒流量時(shí)，閘壩宜全部敞泄；在退洪中期或末期，流量低于警戒流量時(shí)，可啟用閘壩蓄水并滿足下泄生態(tài)基流要求，當(dāng)閘上水位達(dá)到設(shè)計(jì)蓄水位時(shí)，則按洪水來多少泄多少控制。

（3）閘壩群蓄水秩序。遵循“上游先蓄、下游后蓄”的閘壩群上下游蓄水原則，上游、中游閘壩在基本滿足下泄生態(tài)水量的前提下，在退水階段多攔蓄雨洪資源，避免洪水末期由于流量過小難以蓄滿水量，浪費(fèi)洪水資源；下游閘壩在退水初期及中期階段宜保持行洪通暢以下泄洪水，在退水末期階段盡可能攔蓄洪水。

2.3 約束條件

（1）蓄洪控制水位Zi。在保證河道防洪安全的前提下，避免聯(lián)合蓄水可能給河道帶來不確定性洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，第i個(gè)閘壩的蓄洪控制水位按蓄水位與除澇水位的小值控制：

式中：hi，蓄為閘壩設(shè)計(jì)蓄水位；hi，澇為閘壩設(shè)計(jì)除澇水位。

（2）蓄水時(shí)機(jī)Ti，蓄?？紤]洪水過程不確定性，在退洪階段當(dāng)來水流量Qi(t)低于警戒流量考慮啟動(dòng)閘壩蓄水：

式中：Ti，峰為峰現(xiàn)時(shí)間；ΔT為峰后滯時(shí)，考慮洪水過程不確定性影響，需在洪峰過后某一時(shí)段后啟用蓄水；Qi，警為警戒流量，一般取除澇流量。

（3）蓄洪下泄流量qi(t)。蓄洪階段內(nèi)閘壩按生態(tài)流量控泄，蓄滿后按來多少泄多少控制，避免形成人造洪峰：

式中：hi(t)為t時(shí)刻河道水位；Qi，生河道閘壩斷面處的生態(tài)流量。

（4）洪水利用率?？紤]洪水期間的沖沙、沖淤、生態(tài)等需水要求，洪水資源利用率控制在合理范圍內(nèi)。參考相關(guān)成果，缺水地區(qū)水資源開發(fā)利用率維持在60%～70%［10］，本次洪水資源資源利用率上限取60%。

2.4 水力計(jì)算方法

（1）河道水力計(jì)算。采用圣維南方程［11］進(jìn)行河道一維非恒定流水力計(jì)算，其連續(xù)方程按照質(zhì)量守恒原理，運(yùn)動(dòng)方程按照動(dòng)量守恒原理。

式中：A為河道過水面積；Q為流量；u為側(cè)向流在河道方向的流速；t為時(shí)間；x為沿水流方向的水平坐標(biāo)；q為河道的側(cè)向流量；α為動(dòng)量修正系數(shù)；g為重力加速度；y為水位；Sf為摩阻坡降。

（2）閘壩過流計(jì)算。對(duì)于敞泄水閘及橡膠壩采用堰流公式［12，13］計(jì)算流量：

式中：m為流量系數(shù)；σc為側(cè)向收縮系數(shù)；σs為淹沒系數(shù)；B為堰頂寬度；H1為包括行近流速的堰前水頭。

對(duì)于控泄平板底孔閘門，淹沒狀態(tài)下的閘孔出流采用近似公式計(jì)算：

式中：μ為考慮閘門開度影響的有效流量系數(shù)；B為水閘過水總寬度；he為閘門開啟高度；H1為包括行近流速的閘前水頭；H2為閘下水頭，當(dāng)為自由出流時(shí)，H2=heε，其中ε為垂向收縮系數(shù)。

（3）閘壩水力迭代計(jì)算。當(dāng)水閘（橡膠壩）上游水位抬高至設(shè)計(jì)蓄水位時(shí)，則按來水流量下泄，并保證閘（壩）上水位不超過設(shè)計(jì)蓄水位，采用迭代法試算閘門開啟高度（壩袋擋水高度）。對(duì)于橡膠壩則適當(dāng)降低壩頂高程；對(duì)于底孔閘則加大閘門開啟高度，直至敞泄?fàn)顟B(tài)。根據(jù)壩址斷面流量及上游、下游河道水位，反算閘門開啟高度、壩袋擋水高度直至控制在誤差精度之內(nèi)。閘壩每次啟閉開度按0.005 m 試算，水位精度控制在0.005 m 內(nèi)，流量精度控制在0.05 m3/s 內(nèi)。根據(jù)閘壩上游回水水位及壩址來水、下泄流量，采用水量平衡原理計(jì)算閘壩攔蓄水量。

3 實(shí)例計(jì)算

3.1 洪水選擇

（1）典型洪水選擇。對(duì)堡集閘1971-2012年年最大洪峰進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，典型豐枯年份選擇偏豐年1973年7月、平水年1984年7月、偏枯年1985年7月洪水，洪峰分別為665、480、251 m3/s，經(jīng)驗(yàn)頻率分別為27.9%、48.8%、72.1%。

（2）區(qū)間洪水。對(duì)于閘壩群調(diào)度，上游閘壩調(diào)度影響到干流下游洪水，一般情況下對(duì)區(qū)間洪水影響較小，因此，以主要支流區(qū)間洪水作為洪水輸入。根據(jù)主要支流分布情況，本次洪水源匯節(jié)點(diǎn)設(shè)置9個(gè)支流源匯節(jié)點(diǎn)，自上游至下游依次為起點(diǎn)（樁號(hào)11+300）、新金線河（樁號(hào)74+950）、趙王河（樁號(hào)106+320）、西新河（樁號(hào)125+950）、七里河（樁號(hào)156+320）、趙牛新河（樁號(hào)195+180）、老趙牛河（樁號(hào)223+690）、大寺河（樁號(hào)265+470）、沙河（樁號(hào)346+460）。198407號(hào)區(qū)間洪水詳見圖2。

圖2 198407號(hào)洪水區(qū)間洪水Fig.2 Region process on 198407 flood

3.2 約束參數(shù)

（1）梯級(jí)閘壩。沿線水閘14 座、橡膠壩5 座參與聯(lián)合調(diào)度，考慮蓄水位、除澇水位影響，洪水期間蓄水位不超過除澇水位，有效總庫容為1.017 億m3。

（2）生態(tài)流量。對(duì)王堤口閘、劉橋閘、宮家閘、堡集閘1970-2013年實(shí)測(cè)流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，汛期多年平均流量分別為6.3、16.0、26.4、49.3 m3/s。根據(jù)已知閘壩控制面積、平均流量，其他閘壩按照控制面積采用線性插值推求平均流量。河道生態(tài)流量采用tennant法［14，15］計(jì)算，洪水期間斷面生態(tài)流量按照汛期多年平均流量比例的30%～40%控制，各閘壩控制流量0.6～15 m3/s，水位、流量控制參數(shù)詳見表1。

表1 閘壩水位、生態(tài)流量控制參數(shù)及調(diào)算結(jié)果Tab.1 Adjust result and control parameters of water level and ecological flow

（3）蓄水時(shí)機(jī)。第一階段行洪控制，洪水洪峰前均按敞泄控制；第二階段蓄水控泄階段，在退水階段，且洪水流量小于除澇流量時(shí)開始蓄水；閘壩下泄流量不小于下游生態(tài)控制流量。

（4）河道斷面。徒駭河采用實(shí)測(cè)斷面資料，斷面間距500m左右；主河槽糙率為0.024，灘地糙率為0.04；河道末端起推水位按照入海河口潮水位控制。

3.3 調(diào)算結(jié)果

（1）調(diào)蓄過程分析。水閘、橡膠壩在滿足下泄生態(tài)基流的前提下，在退洪階段蓄水，河道斷面水位均不高于除澇水位，降低淹沒兩岸灘地風(fēng)險(xiǎn)。198407 典型洪水，昌東橡膠壩、宮家閘的閘下流量過程、閘上及閘下水位過程詳見圖3、4；溢流壩、底孔閘閘門控制過程詳見圖5。

圖3 198407號(hào)洪水典型溢流壩、底孔閘閘下流量過程Fig.3 Flow process under typical overflow dam and bottom sluice on 198407 flood

圖4 198407號(hào)洪水典型溢流壩、底孔閘閘上及閘下水位過程Fig.4 Level process above and below typical overflow dam and bottom sluice on 198407 flood

圖5 198407洪水典型溢流壩、底孔閘閘門控制過程Fig.5 Gate control process of typical overflow dam and bottom sluice on 198407 flood

調(diào)洪末時(shí)，1984年典型洪水徒駭河干流水面線詳見圖6。至洪水結(jié)束時(shí)，部分閘壩未蓄滿，原因一是洪水本身流量較小，不能滿足蓄水量要求，二是當(dāng)達(dá)到蓄水位時(shí)，由于下放生態(tài)基流，同時(shí)來水較小，導(dǎo)致閘上水位有所下降。偏枯年、平水年、豐水年典型洪水閘壩庫容利用率分別為81.0%、94.7%、95.9%，干流來水為平水年及豐水年場(chǎng)次洪水時(shí)，閘壩庫容利用率在95%左右。

圖6 198407號(hào)洪水河道水面線Fig.6 River level process on 198407 flood

昌東橡膠壩、宮家閘漲洪階段流量過程與天然流量過程基本一致，退水階段流量過程均有所減小，主要是本級(jí)及上游閘壩對(duì)退洪階段流量過程進(jìn)行了洪水調(diào)節(jié)。昌東橡膠壩在洪水第3日前后，最小下泄流量為生態(tài)控制流量3.8 m3/s，宮家閘在第5～7日前后，最小下泄流量為生態(tài)控制流量7.9 m3/s，其余時(shí)刻均大于生態(tài)控制流量。昌東壩、宮家閘天然洪水洪峰分別為93.9、226.9 m3/s，上游閘壩群聯(lián)合調(diào)度后的洪峰分別為90.3、215.5 m3/s，未形成人造洪峰，同時(shí)均略有減小。

（2）水量分析。經(jīng)模型調(diào)算，典型場(chǎng)次洪水調(diào)算指標(biāo)詳見表2。

表2 典型洪水調(diào)算結(jié)果Tab.2 Typical flood adjust result

平水年198407 號(hào)洪水，洪水總量為1.564 億m3，其中退洪階段洪量為1.323 億m3，閘壩調(diào)蓄水量為0.804 億m3，洪水資源利用率為51.4%。3場(chǎng)典型洪水調(diào)算洪水期間，洪水資源利用率均不超過60%，枯水年198507號(hào)洪水的洪水資源利用率為最大為58.6%，豐水年197307號(hào)洪水的洪水利用率為最小為36.1%，可見，隨著洪水量級(jí)越來越大，洪水利用率呈降低趨勢(shì)。

（3）模擬與實(shí)測(cè)蓄水對(duì)比。通過實(shí)施聯(lián)合調(diào)蓄，198507 號(hào)洪水、198407 號(hào)洪水、197307 號(hào)洪水，劉橋閘、宮家閘、堡集閘3座水閘增加總調(diào)蓄水量分別為717、972、1 125 萬m3。隨著洪水量級(jí)加大，調(diào)蓄水量隨之加大；當(dāng)來水為平水年及豐水年份時(shí)，干流閘壩模擬的調(diào)蓄水量基本一致，可見，平水年份的閘壩群基本能達(dá)到蓄滿狀態(tài)。對(duì)于平水年場(chǎng)次洪水而言，本次模擬調(diào)度的調(diào)蓄水量相對(duì)于實(shí)際蓄水量增加了2 倍左右，本次調(diào)度注重了洪水資源化利用，通過實(shí)施閘壩群聯(lián)合調(diào)度，及時(shí)蓄水以減少棄水。在具體調(diào)度中，需要上下游各市縣協(xié)同合作，借助預(yù)報(bào)手段盡量精準(zhǔn)調(diào)度，尋求整體興利效益最大化。

表3 洪水末時(shí)模擬與實(shí)測(cè)閘壩蓄水位對(duì)照Tab.3 Comparison between simulated and measured water level at last stage flood

3.4 風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

閘壩洪水資源利用存在兩種風(fēng)險(xiǎn)，一是人造洪水風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)全部落閘或部分開啟蓄水，一方面當(dāng)上游有較大來水時(shí)，需要開閘泄水，給下游造成人為洪水；另一方面由于閘上水位高，當(dāng)上游洪水來水較大時(shí)，泄水不及時(shí)，則可能導(dǎo)致上游洪水漫灘，造成洪災(zāi)淹沒損失。二是蓄水不足風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)落閘過晚，洪水來水較小，蓄水量不能達(dá)到設(shè)計(jì)蓄水要求，不能充分利用洪水資源。閘壩聯(lián)合蓄水受干支流洪水過程影響密切，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)代氣象預(yù)報(bào)技術(shù)，提前預(yù)判流域干流、支流洪水發(fā)展形勢(shì)，統(tǒng)籌做好閘壩群防洪調(diào)度與興利調(diào)度。

4 結(jié) 語

在滿足防洪、生態(tài)流量等約束條件下，擬定水閘、橡膠壩調(diào)度規(guī)則，考慮區(qū)間洪水源匯影響，采用一維水動(dòng)力學(xué)法對(duì)典型洪水進(jìn)行動(dòng)態(tài)演進(jìn)模擬，實(shí)現(xiàn)徒駭河閘壩群聯(lián)合蓄水調(diào)度，提高整體興利效益。隨著洪水量級(jí)越來越大，閘壩蓄滿率越高，同時(shí)洪水利用率呈降低趨勢(shì)；同時(shí)應(yīng)避免下游人造洪水風(fēng)險(xiǎn)及蓄水不足風(fēng)險(xiǎn)。本文是在已知洪水條件下進(jìn)行閘壩聯(lián)合調(diào)度，下一步研究結(jié)合水文氣象預(yù)報(bào)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度，并加強(qiáng)上下游的協(xié)同合作，提高聯(lián)合調(diào)度的可操作性。