巢湖流域水動(dòng)力模型及防洪方案調(diào)算

田 娟，朱 青

(安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

1 概述

巢湖流域位于安徽省中部，屬長(zhǎng)江下游左岸水系，流域總面積13544.7km2，其中閘上面積9185.6km2，占流域總面積的67.8%。巢湖流域三面環(huán)山且臨近長(zhǎng)江的的特殊地理位置，加之氣候條件多變，江湖遭遇關(guān)系復(fù)雜。解放以來，巢湖流域發(fā)生洪澇災(zāi)害有18年，其中較為嚴(yán)重的年份有10年，約4～7年一遇，加之巢湖周邊及圩區(qū)地勢(shì)較低，極易發(fā)生洪澇災(zāi)害。

在歷次的防洪規(guī)劃編制中，受計(jì)算手段的限制，洪水分析和洪水調(diào)算均采用人為經(jīng)驗(yàn)的概化辦法，在巢湖閘上閘下洪量分配、蓄洪泄洪關(guān)系處理、超標(biāo)洪水合理安排等細(xì)節(jié)方面明顯不足。為支撐新一輪防洪治理，本文基于MIKE 11模型軟件，構(gòu)建了巢湖流域水動(dòng)力模型，形成支流-湖區(qū)-蓄洪區(qū)-泄洪通道等多維模型，對(duì)流域的蓄洪工程、泄洪工程進(jìn)行聯(lián)合調(diào)算。水動(dòng)力模型能夠清晰地了解到流域內(nèi)建筑物、河道各節(jié)點(diǎn)的水位-流量過程，根據(jù)調(diào)算成果，總結(jié)巢湖不同江湖遭遇下典型年的“蓄、泄”規(guī)律，掌握不同江湖遭遇下“卡脖子”的水利工程，對(duì)不足的防洪工程進(jìn)行有針對(duì)性的方案擬定，從而不斷優(yōu)化和完善巢湖流域的防洪布局。

2 巢湖流域水動(dòng)力模型概化

2.1 模型概化

巢湖流域模型的目的是進(jìn)行工程方案調(diào)算，新增的防洪工程主要集中在湖區(qū)周邊的蓄洪區(qū)、巢湖閘下自排通道、沿江泵站等，調(diào)節(jié)計(jì)算的區(qū)域以閘下為主，故巢湖流域模型將閘上巢湖湖區(qū)概化為1個(gè)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)入流采用巢湖閘上模型計(jì)算分析得到的頻率洪水(200年一遇、100年一遇、50年一遇及20年一遇)。閘下構(gòu)建NAM模型及一維水動(dòng)力模型，閘下用NAM水文模型進(jìn)行產(chǎn)匯流模擬，模擬出的洪水過程作為內(nèi)邊界條件加載入各河道進(jìn)行水動(dòng)力模擬計(jì)算。

巢湖流域洪水模型中的河道、圩區(qū)及建筑物概化如下：

(1)河道：按照河道實(shí)際位置輸入清溪河、裕溪河、牛屯河、西河、花渡河、永安河、兆河及縣河等8條河道；圩區(qū)、蓄洪區(qū)與河道通過構(gòu)建虛擬河道連接。

(2)湖區(qū)及圩區(qū)庫(kù)容：在河道及虛擬河道相應(yīng)位置輸入湖區(qū)及圩區(qū)庫(kù)容曲線。

(3)蓄洪區(qū)：閘上8個(gè)蓄洪區(qū)概化為一個(gè)總的蓄洪區(qū)，連接到巢湖湖區(qū)；閘下蓄洪區(qū)根據(jù)實(shí)際位置連接到相應(yīng)的河道上。

(4)圩區(qū)：萬畝以上大圩直接輸入模型中，萬畝以下中圩及小圩按照圩區(qū)位置進(jìn)行分片概化。

(5)節(jié)制閘：按照節(jié)制閘實(shí)際位置輸入巢湖閘、銅城閘、裕溪閘、新橋閘、黃雒閘、黃灣閘、兆河閘、東大圩閘、鳳凰頸閘、新鳳凰頸閘等10座節(jié)制閘。

(6)泵站：按照泵站實(shí)際位置輸入鳳凰頸排灌站、鳳凰頸新站、神塘河站及規(guī)劃新建的裕溪泵站4座泵站。

(7)進(jìn)洪閘：蓄洪區(qū)及小圩進(jìn)洪方式概化為閘門形式，閘門均位于連接蓄洪區(qū)和圩區(qū)的虛擬河道上。

2.2 邊界條件

(1)上邊界巢湖入流洪水過程。對(duì)調(diào)算的2020年及1991年2個(gè)典型年入湖洪水過程進(jìn)行頻率年縮放，得到200年、100年一遇、50年一遇及20年一遇洪水過程。

(2)下邊界江水位過程。各頻率年下邊界均采用裕溪閘下及新橋閘下當(dāng)年實(shí)測(cè)長(zhǎng)江水位過程。

(3)節(jié)制閘的控制應(yīng)用條件。巢湖閘：當(dāng)巢湖水位超過8.5m且閘上水位大于閘下水位時(shí)，閘門打開；裕溪閘：當(dāng)裕溪閘上水位超過8.5m且閘上水位大于閘下水位時(shí)，閘門打開；鳳凰頸新閘、鳳凰頸閘：當(dāng)兩閘閘上水位超過8.5m，且閘上水位大于閘下水位時(shí)，閘門打開；銅城閘：當(dāng)銅城閘上水位超過8.5m且閘上水位大于閘下水位時(shí)，閘門打開，閘下水位控制不超過12.65m；新橋閘：當(dāng)新橋閘上水位超過7.5m且閘上水位大于閘下水位時(shí)，閘門打開；黃雒閘：當(dāng)閘上水位大于閘下水位，西河來水能自排入裕溪河時(shí)，閘門打開。

(4)兆河閘調(diào)度運(yùn)用規(guī)則調(diào)整。西兆河片有東大圩蓄洪區(qū)，12.5m水位對(duì)應(yīng)庫(kù)容2.89億m3，已建鳳凰頸排灌站及在建鳳凰頸新站和神塘河站等泵站總流量486m3/s，外排規(guī)模明顯增強(qiáng)，防洪能力明顯改善。為充分利用沿江泵站及蓄洪區(qū)作用和減輕巢湖防洪壓力，本次規(guī)劃考慮巢湖在高水位(水位>12.0m)期間不再承擔(dān)分泄西兆河洪水，而在西兆河防洪壓力較輕或水位較低(缺口水位<10.5m)且巢湖水位較高(水位>12.0m)并繼續(xù)上漲期間，可以相機(jī)打開兆河閘分泄巢湖洪水，利用沿江泵站代排巢湖洪水。

(5)泵站的控制應(yīng)用條件。鳳凰頸排灌站：當(dāng)無為站水位超過10.0m，且不能自排時(shí)，泵站打開，泵站最大抽排流量240m3/s；鳳凰頸新站：當(dāng)無為站水位超過10.0m，且不能自排時(shí)，泵站打開，泵站最大抽排流量150m3/s；神塘河站：當(dāng)無為站水位超過10.0m，泵站打開，泵站最大抽排流量96m3/s。

(6)小圩(5000畝以下)進(jìn)洪水位。巢湖閘上片：根據(jù)超額洪量分析計(jì)算，閘上典型年20年一遇還存在超額洪量，小圩主要分蓄20年一遇的超額洪量，小圩破圩水位應(yīng)低于巢湖20年一遇設(shè)計(jì)洪水位12.5m，小圩破圩水位確定為12.4m；裕溪河及牛屯河屬于巢湖閘上的排洪通道，閘下小圩進(jìn)洪水位考慮過巢湖閘過閘落差，按照巢湖閘下節(jié)點(diǎn)控制，為12.2m；巢湖閘下片：根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)算水位表，西兆河片20年一遇水位遠(yuǎn)超12.0m，小圩主要削減20年一遇的洪峰流量，故破圩水位低于20年一遇洪水位12.0m，小圩破圩水位在東大圩進(jìn)洪前進(jìn)洪(進(jìn)洪水位11.9m)，小圩進(jìn)洪水位確定為11.7m，

(7)中圩(5000畝以上)進(jìn)洪水位。巢湖閘上：主要分蓄50年～100年一遇的超額洪量，中圩破圩水位應(yīng)低于巢湖50年一遇設(shè)計(jì)洪水位12.75m，中圩破圩水位確定為12.6m；巢湖閘下：通過小圩削峰后，西兆河片20年一遇水位滿足要求，還需要通過新增圩口削峰才能滿足50年和100年一遇的洪水位，新增破圩水位應(yīng)低于西兆河50年一遇設(shè)計(jì)洪水位12.65m，新增圩口破圩水位確定為12.5m。

(8)蓄洪區(qū)進(jìn)洪水位。巢湖閘上：蓄洪區(qū)主要分蓄50～100年一遇的超額洪量，原則上當(dāng)巢湖接近或達(dá)到50年一遇水位12.75m時(shí)，蓄洪區(qū)陸續(xù)運(yùn)用；巢湖閘下：當(dāng)缺口水位達(dá)到11.9m時(shí)，東大圩蓄洪區(qū)啟動(dòng)進(jìn)洪，西河上游、兆河根據(jù)缺口站水位，西河中下游根據(jù)無為站水位進(jìn)行調(diào)控。

(9)蓄洪區(qū)進(jìn)洪閘規(guī)模?？紤]到防洪標(biāo)準(zhǔn)和蓄洪效果等因素，采用小圩先進(jìn)洪，其次是中圩，最后是蓄洪區(qū)的進(jìn)洪順序。根據(jù)調(diào)洪演算，巢湖最高洪水位一般由最大3d洪水過程貢獻(xiàn)為主，為及時(shí)分泄關(guān)鍵時(shí)段超額洪量和有效控制關(guān)鍵時(shí)段水位上漲，蓄洪區(qū)進(jìn)洪閘規(guī)模按3d進(jìn)滿確定。

(10)巢湖起調(diào)水位。模型調(diào)算時(shí)段為6月1日—8月31日共3個(gè)月時(shí)間，覆蓋了各典型年洪水過程。根據(jù)《巢湖防汛抗旱調(diào)度暫定規(guī)定》，6月1汛初巢湖水位應(yīng)控制在8.5m及以下。根據(jù)近20年實(shí)測(cè)資料，為抗旱和航運(yùn)等考慮，6月初巢湖水位呈抬高趨勢(shì)，近年一般在9.0m左右，1991、1998、2016、2020等典型年6月1日實(shí)測(cè)水位見表1。理論上巢湖起調(diào)水位越低，巢湖調(diào)蓄能力越強(qiáng)，但實(shí)際上起調(diào)水位較低也會(huì)減少入江搶排水量或加大對(duì)江泵站規(guī)模，各典型年情況不盡相同?？紤]到洪水預(yù)報(bào)水平和留有安全余地，在發(fā)生大水年時(shí)綜合確定本次起調(diào)水位為9.0m。

表1 各典型年6月1日實(shí)測(cè)水位表

(11)河道糙率。根據(jù)《<巢湖流域防洪治理規(guī)劃>水文水動(dòng)力專題研究報(bào)告》，巢湖閘下河道糙率均采用0.03。

3 巢湖閘上防洪方案擬定

3.1 巢湖閘上超額洪量

巢湖閘上防洪方案的擬定涉及到巢湖閘上、裕溪河及牛屯河排洪通道所在流域范圍。巢湖閘上超額洪量指在現(xiàn)狀工況下超出巢湖湖區(qū)蓄洪能力和巢湖閘下泄能力的致災(zāi)洪量，妥善安排超額洪量是防洪治理的重點(diǎn)任務(wù)，也是規(guī)劃方案的比較基礎(chǔ)。在現(xiàn)狀工況下，如允許突破巢湖湖區(qū)20年一遇、50年一遇和100年一遇設(shè)計(jì)洪水位，則不會(huì)產(chǎn)生超額洪量，但是水位會(huì)大大高于其設(shè)計(jì)水位，其中2020年型和1991年型100年一遇設(shè)計(jì)洪水位將分別達(dá)到14.98、14.30m，50年一遇設(shè)計(jì)洪水位也將分別達(dá)到14.24、13.58m。

在現(xiàn)狀工況下，如維持不突破現(xiàn)狀巢湖設(shè)計(jì)洪水位，則出現(xiàn)大量超額洪量，該超額洪量則是確定新增工程規(guī)模的基礎(chǔ)。在計(jì)算超額洪量時(shí)，除1991年江湖洪水不遭遇型、2020年江湖洪水完全遭遇型外，還增加了近年發(fā)生的2016年半遭遇型，計(jì)算結(jié)果見表2。

從表2可知，在相同來水條件下，3個(gè)大水年中，2020典型年巢湖閘上超額洪量最大，1991年次之，2016年最小，說明半遭遇型不起控制作用，與江湖洪水遭遇分析結(jié)論一致。2020年型50年一遇和100年一遇超額洪量分別達(dá)到19.6億、19.8億m3，說明2020年江湖洪水遭遇更為惡劣，巢湖下泄洪量較同頻率的1991年、2016年多了5億～9億m3左右，故在巢湖閘上形成了更多的超額洪量。

3.2 巢湖閘上防洪方案擬定

由于江湖洪水遭遇復(fù)雜多變，需對(duì)巢湖閘上洪水進(jìn)行蓄、泄關(guān)系的綜合分析，尋找適應(yīng)不同江湖遭遇的圩口蓄洪、河道泄洪、泵站排洪等組合方案。從控制洪水和安全防汛考慮，可選擇實(shí)際洪水量較大或江湖遭遇較極端的1991年和2020年作為后續(xù)方案調(diào)算的典型年，其中前者屬江湖洪水不遭遇年份，后者屬江湖洪水完全遭遇年份，都具有很好的代表性。

(1)1991年型。典型年1991年型屬江湖洪水不遭遇年份，巢湖水位均高于長(zhǎng)江水位，如泄洪通道規(guī)模滿足要求，洪水可順暢下泄入江，不需研究排洪泵站方案。1991年型100年一遇洪水超額洪量為14.5億m3，其超額洪量安排主要比較不同蓄洪容積(蓄)與巢湖閘下泄規(guī)模，含泄洪通道河道和節(jié)制閘規(guī)模(泄)，擬定不同的蓄洪容積對(duì)應(yīng)的河道自排規(guī)模，尋找蓄洪容積與河道自排規(guī)模之間的變化規(guī)律，找到最佳的蓄洪和排洪組合。

(2)2020年型。2020年型屬江湖洪水完全遭遇年份，長(zhǎng)江水位漲得快，長(zhǎng)時(shí)間處于高水位，來水受到長(zhǎng)江洪水位頂托難以下泄形成關(guān)門淹。2020年型100年一遇洪水超額洪量為19.8億m3，其超額洪量安排主要比較不同蓄洪容積(蓄)與排洪泵站規(guī)模(泄)，擬定不同的蓄洪容積對(duì)應(yīng)的抽排規(guī)模，尋找蓄洪容積與抽排規(guī)模之間的變化規(guī)律，找到最佳的蓄洪和抽排洪組合。

表2 巢湖閘上各典型年不同重現(xiàn)期超額洪量成果表 單位：億m3

4 巢湖閘上防洪方案調(diào)算

4.1 1991典型年方案

蓄洪容積越小，外排河道的規(guī)模越大，擬定不同的蓄洪容積和河道規(guī)模進(jìn)行調(diào)算。牛屯河位于下游，自排條件更好，擴(kuò)大裕溪河上段(蟹子口以上19km)及牛屯河河道斷面，設(shè)計(jì)斷面以裕溪河上段和牛屯河的水面比降接近為原則，同時(shí)對(duì)河道上的節(jié)制閘進(jìn)行擴(kuò)建。為控制巢湖忠廟100年一遇洪水位為13.36m，擬定不同的蓄、泄規(guī)模進(jìn)行調(diào)算，1991年型的蓄泄關(guān)系見表3、如圖1所示。

根據(jù)蓄泄變化規(guī)律可知：

(1)當(dāng)蓄洪容積僅為4.0億m3時(shí)，即只有小圩潰破時(shí)或蓄洪區(qū)進(jìn)洪時(shí)，理論上巢湖閘需從16孔擴(kuò)至30孔，裕溪河上段(蟹子口以上19km)河道斷面從現(xiàn)狀100m拓寬至340m，牛屯河河道斷面從80m拓寬至240m，銅城閘、新橋閘及沿線橋梁等也均需大規(guī)模擴(kuò)建。

圖1 1991年型的蓄泄關(guān)系圖

(2)當(dāng)蓄洪容積僅為7.0億m3時(shí)，即小圩潰破和蓄洪區(qū)進(jìn)洪時(shí)，理論上巢湖閘需從16孔擴(kuò)至23孔，裕溪河上段(蟹子口以上19km)河道斷面從現(xiàn)狀100m拓寬至265m，牛屯河河道斷面從80m拓寬至175m，銅城閘、新橋閘及沿線橋梁等也均需小規(guī)模擴(kuò)建。

(3)當(dāng)蓄洪容積達(dá)到14.5億m3，折算面積為333km2時(shí)，能完全安排1991年型100一遇超額洪量，理論上巢湖閘、銅城閘及新橋閘泄洪規(guī)模和裕溪河上段、牛屯河河道斷面均可維持現(xiàn)狀。

表3 1991年型不同蓄洪容積與河道規(guī)模關(guān)系表

(4)從圖2可以看出，組合4(蓄洪容積7.0億m3，對(duì)應(yīng)裕溪河上段河底寬度265m)為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，1、2、3組合中，每增加1.0億m3的蓄洪容積，裕溪河上段河底寬度理論上可減少25m，在5、6、7、8組合中，隨著蓄洪容積的增大，河道斷面的減小幅度在變小，每增加1.0億m3的蓄洪容積，裕溪河上段河底寬度理論上減少20～15m，說明河道寬度和蓄洪容積的最佳組合理論上為1、2、3、4組合。

(5)當(dāng)牛屯河保持現(xiàn)狀時(shí)，即現(xiàn)狀河底設(shè)計(jì)寬度為80m，為控制巢湖忠廟100年水位為13.36m，需要蓄洪容積12.0億m3，對(duì)應(yīng)裕溪河上段河底寬度為180m，巢湖閘孔數(shù)為18孔，說明現(xiàn)狀裕溪河上段(現(xiàn)狀平均底寬100m)及巢湖閘規(guī)模(現(xiàn)狀16孔)與裕溪河下段(現(xiàn)狀平均底寬120m)及牛屯河現(xiàn)狀規(guī)模不匹配。

(6)調(diào)算結(jié)果表明：當(dāng)河道斷面斷面越大時(shí)，排水就越及時(shí)，高水位持續(xù)時(shí)間越短。

4.2 2020典型年方案

2020年巢湖洪水與長(zhǎng)江洪水惡劣遭遇，內(nèi)部洪水難以自排，形成嚴(yán)重關(guān)門淹，下泄的最佳途徑是新建對(duì)江排洪泵站，抽排內(nèi)部來水。蓄洪容積越小，排江泵站的規(guī)模越大，假設(shè)在維持現(xiàn)狀排洪通道的基礎(chǔ)上，擬定不同的蓄洪容積和排洪泵站規(guī)模進(jìn)行調(diào)算。通過調(diào)節(jié)計(jì)算，各蓄洪容積對(duì)應(yīng)的泵站規(guī)模見表4。蓄洪容積與泵站流量變化規(guī)律如圖2所示。

根據(jù)蓄泄變化規(guī)律可知：

(1)在維持現(xiàn)狀泄洪通道工況下，當(dāng)蓄洪容積僅為7.0億m3時(shí)，即小圩潰破和蓄洪區(qū)進(jìn)洪時(shí)，理論上排洪泵站規(guī)模需1200m3/s。

(2)在維持現(xiàn)狀泄洪通道工況下，當(dāng)蓄洪容積達(dá)到19.8億m3時(shí)，即小圩不潰破和蓄洪區(qū)不進(jìn)洪，排洪泵站規(guī)模降至0。

(3)從圖2可以看出，在維持現(xiàn)狀泄洪通道工況下，隨著泵站流量的增大，減小的蓄洪容積也越來越大，當(dāng)流量600～900m3/s時(shí)，每增加100m3/s的泵站，減少的蓄洪容積最多，為1.3億～1.5億m3，故組合7—10(對(duì)應(yīng)泵站流量600～900m3/s)為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，從理論上講，組合7—10為最佳組合。

4.3 綜合方案

1991年型和2020年型蓄泄關(guān)系中，有一個(gè)重疊的因素為蓄洪容積，綜合1991年型與2020年型蓄泄變化關(guān)系，如圖3所示，合理的蓄洪容積范圍為7.0億～12.0億m3，當(dāng)蓄洪容積小于7.0億m3時(shí)，新增的泵站規(guī)模和河道規(guī)模均太大，當(dāng)蓄洪容積大于12.0億m3時(shí)，則沒有充分利用現(xiàn)狀河道的下泄能力。

表4 2020年型蓄洪容積及對(duì)應(yīng)的排江泵站規(guī)模表

圖2 2020年型蓄洪容積與泵站流量變化規(guī)律圖

1991年型對(duì)河道進(jìn)行拓寬后，對(duì)2020年型下泄流量也有增加，因牛屯河自排早，增加的下泄流量?jī)?yōu)先從牛屯河排出。在1991典型年中，充分發(fā)揮和提升裕溪河、牛屯河自流搶排能力基礎(chǔ)上，對(duì)2020年型蓄洪容積7.0億～12.0億m3重新調(diào)算，調(diào)算結(jié)果見表5，蓄洪容積7.0億～12.0億m3對(duì)應(yīng)的泵站流量為650～800m3/s，從調(diào)算結(jié)果來看，對(duì)比表4，擴(kuò)大排洪通道對(duì)減小泵站規(guī)模明顯，排洪通道規(guī)模越大，泵站減少流量越多。

5個(gè)綜合方案組合工程規(guī)模見表5，這5個(gè)方案對(duì)安排巢湖閘上任意典型年的超額洪量，降低巢湖水位的效果是一樣的，《巢湖流域防洪治理規(guī)劃》中可結(jié)合實(shí)際情況和近遠(yuǎn)期工程安排來進(jìn)行方案組合。

表5 綜合方案工程規(guī)模表

5 結(jié)論

本文基于MIKE 11模型軟件，構(gòu)建了巢湖流域一維水文水動(dòng)力模型，可用于巢湖流域閘上、閘下防洪方案調(diào)算。巢湖閘上是安徽省省會(huì)合肥所在地，巢湖閘上的超額洪量直接影響了巢湖的洪水位，進(jìn)而影響南淝河等各支流的洪水位，從而影響到合肥市的安全。本文以閘上為重點(diǎn)進(jìn)行方案調(diào)算，模型調(diào)算了1991年和2020年2個(gè)典型年，1991年屬江湖洪水不遭遇年份，2020年屬江湖洪水完全遭遇年份，具有很好的代表性。通過調(diào)算，找出不同江湖遭遇年型巢湖的“蓄、泄”關(guān)系，通過該關(guān)系確定合理的工程規(guī)模，其中裕溪河上段河道底寬為180～265m，牛屯河河底寬為80(現(xiàn)狀)～175m，巢湖閘為18～23孔，銅城閘11～12孔，新橋閘9～12孔，新建裕溪泵站規(guī)模為650～800m3/s，《巢湖流域防洪治理規(guī)劃》中可結(jié)合實(shí)際情況和近遠(yuǎn)期工程安排來進(jìn)行方案組合。

圖3 1991年型與2020年型蓄泄變化關(guān)系圖