王露露，張 震

(安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230088)

安徽省淮河干流行蓄洪區(qū)眾多，經(jīng)調(diào)整建設(shè)后，現(xiàn)有15處，總面積2 459 km2[1-2]。自新中國(guó)成立以來，淮河流域洪澇災(zāi)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?，F(xiàn)有的行蓄洪區(qū)共啟用273次[3]，其中以南照集至正陽(yáng)關(guān)段行蓄洪區(qū)運(yùn)用較為頻繁?；春痈闪髂险涡行詈閰^(qū)中南潤(rùn)段、邱家湖及姜唐湖3處行蓄洪區(qū)啟用標(biāo)準(zhǔn)低，進(jìn)洪最頻繁，其中南潤(rùn)段蓄洪區(qū)共進(jìn)洪14次，邱家湖蓄洪區(qū)進(jìn)洪16次，連圩前的姜家湖、唐垛湖行洪區(qū)均進(jìn)洪13次，連圩后的姜唐湖行洪區(qū)于2007年也相應(yīng)進(jìn)洪[4]?；锤赡险涡行詈閰^(qū)中城西湖、城東湖2處蓄洪區(qū)啟用標(biāo)準(zhǔn)高，較少啟用，其中城東湖蓄洪區(qū)進(jìn)洪6次，城西湖蓄洪區(qū)進(jìn)洪3次，其中2次為堤防決口進(jìn)洪，非主動(dòng)分洪[4]?；春痈闪髂险占琳?yáng)關(guān)段行蓄洪區(qū)位置見圖1。

圖1 淮河南照集至正陽(yáng)關(guān)段行蓄洪區(qū)位置示意

歷年來行蓄洪區(qū)運(yùn)用對(duì)削減淮河干流洪峰具有重大作用，為流域防洪減災(zāi)作出了巨大貢獻(xiàn)。但歷史洪水中因調(diào)度運(yùn)用不及時(shí)、口門炸潰斷面不足等原因，導(dǎo)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(shí)際運(yùn)用效果不理想[4-5]。隨著治淮工程建設(shè)的逐步完善，大部分行蓄洪區(qū)口門處已建設(shè)了分洪閘，且行蓄洪區(qū)內(nèi)建設(shè)了莊臺(tái)、保莊圩等安置區(qū)內(nèi)人口[6-8 ]，行蓄洪區(qū)已有條件進(jìn)行更為有效的調(diào)度運(yùn)用。但受行蓄洪區(qū)運(yùn)用效果不明確等因素限制，在實(shí)際防汛調(diào)度中如何準(zhǔn)確判斷和決策是否啟用及何時(shí)啟用行蓄洪區(qū)，依然是個(gè)難題。

為提高淮河行蓄洪區(qū)調(diào)度運(yùn)用的及時(shí)性、有效性、科學(xué)性，本文以運(yùn)用最為頻繁的淮河干流南照集至正陽(yáng)關(guān)段南潤(rùn)段、邱家湖及姜唐湖3處低標(biāo)準(zhǔn)行蓄洪區(qū)為研究對(duì)象，基于MIKE 11構(gòu)建淮干南正段河道及行蓄洪區(qū)一維水動(dòng)力學(xué)模型，分析在現(xiàn)狀工況下各行蓄洪區(qū)按規(guī)定調(diào)度條件單獨(dú)及聯(lián)合運(yùn)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(shí)際調(diào)度情況運(yùn)用的效果進(jìn)行對(duì)比，分析主要影響因素。

1 模型原理

MIKE 11水動(dòng)力計(jì)算模型是基于垂向積分的物質(zhì)和動(dòng)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(diǎn)隱式差分格式求解，公式如下：

(1)

(2)

式中x、t——計(jì)算點(diǎn)空間和時(shí)間的坐標(biāo)；A——斷面過流面積；Q——斷面流量；h——水位；q——旁側(cè)入流流量；C——謝才系數(shù)；R——水力半徑；α——?jiǎng)恿啃Ｕ禂?shù)；g——重力加速度。

2 模型構(gòu)建

本文的研究對(duì)象是淮河干流運(yùn)用最為頻繁的南潤(rùn)段、邱家湖、姜唐湖3處低標(biāo)準(zhǔn)行蓄洪區(qū)，為排除城西湖、城東湖2處高標(biāo)準(zhǔn)蓄洪區(qū)運(yùn)用的干擾，洪水量級(jí)選擇20年一遇的中等常遇洪水，構(gòu)建淮河干流南照集至正陽(yáng)關(guān)段河道及南潤(rùn)段、邱家湖、姜唐湖3處行蓄洪區(qū)的一維水動(dòng)力學(xué)模型[9-10]。

2.1 河網(wǎng)及行蓄洪區(qū)概化

構(gòu)建干流河道一維河道模型，長(zhǎng)73.1 km，各斷面間距按500 m左右控制，共141個(gè)斷面。支流潁河、淠河入流采用在干流河道直接加點(diǎn)源的方式加入。南潤(rùn)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(jìn)行概化，概化的一維河道分別長(zhǎng)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(shè)和姜唐湖行洪區(qū)聯(lián)圩，2004年后淮干臨淮崗至正陽(yáng)關(guān)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(yáng)關(guān)，2004年前后工情變化大，因此本次選擇發(fā)生時(shí)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(jìn)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(rùn)河集站實(shí)測(cè)流量過程，最大流量為7 520 m3/s；下游出流邊界采用正陽(yáng)關(guān)站的水位～流量關(guān)系；支流淠河、潁河來水分別采用橫排頭樞紐、阜陽(yáng)閘實(shí)測(cè)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(shè)置

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

歷史工況按當(dāng)年實(shí)際調(diào)度情況運(yùn)用：河道斷面還原到2007年工況。南潤(rùn)段、邱家湖2007年尚未建設(shè)進(jìn)、退洪閘，實(shí)際為在堤防上炸口進(jìn)洪，口門進(jìn)洪過程采用已有分析還原成果[11]；姜唐湖2007年已建設(shè)了進(jìn)、退洪閘，采用閘門實(shí)測(cè)進(jìn)洪流量；各行蓄洪區(qū)均按當(dāng)年實(shí)際啟用時(shí)間及過程運(yùn)用?；春痈闪髋R淮崗樞紐2007年已建成，按閘門實(shí)際尺寸參數(shù)在模型中設(shè)置結(jié)構(gòu)物，調(diào)度條件為敞泄。

現(xiàn)狀工況按規(guī)定調(diào)度條件運(yùn)用：河道斷面采用現(xiàn)狀實(shí)測(cè)斷面；南潤(rùn)段、邱家湖、姜唐湖現(xiàn)狀均建設(shè)了進(jìn)、退洪閘，按閘門實(shí)際尺寸參數(shù)在模型中設(shè)置結(jié)構(gòu)物控制進(jìn)洪過程[12]，進(jìn)、退洪閘調(diào)度條件根據(jù)《淮河洪水調(diào)度方案》(國(guó)汛〔2016〕14號(hào))設(shè)置。臨淮崗樞紐設(shè)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(diào)度條件運(yùn)用的概化設(shè)置見表1。

表1 各控制建筑物按規(guī)定調(diào)度條件運(yùn)用概化設(shè)置

3 模型驗(yàn)證

《淮河中游河道水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型研究與應(yīng)用》[13]中對(duì)淮河干流王家壩至小柳巷段一維河道水動(dòng)力學(xué)模型糙率取值進(jìn)行了率定與驗(yàn)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(yùn)用效果分析對(duì)模型的精確性、合理性需求，對(duì)構(gòu)建的淮河干流南照集至正陽(yáng)關(guān)段一維水動(dòng)力模型在吸收已有成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。由于2004年前后河道工況變化較大，模型驗(yàn)證采用2005年(2場(chǎng))、2007年(1場(chǎng))3場(chǎng)次洪水過程，河道地形數(shù)據(jù)及工程等還原至當(dāng)年，上、下游及支流邊界條件采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

以水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范[15]對(duì)驗(yàn)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(yàn)證精度等級(jí)為甲級(jí)；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(yàn)證精度等級(jí)為乙級(jí)；即驗(yàn)證精度較高，模型概化合理。模型精度評(píng)價(jià)見表2。

表2 淮河干流南照集至正陽(yáng)關(guān)段模型精度評(píng)價(jià)

注：洪水場(chǎng)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(yùn)用效果分析

4.1 行蓄洪區(qū)按規(guī)定調(diào)度條件單獨(dú)運(yùn)用效果分析

為明確各行蓄洪區(qū)運(yùn)用對(duì)淮干水位的最大影響程度和影響范圍，對(duì)現(xiàn)狀工況下各行蓄洪區(qū)按規(guī)定調(diào)度條件單獨(dú)運(yùn)用后淮干主要控制節(jié)點(diǎn)水位變化情況進(jìn)行分析。

南潤(rùn)段在控制站南照集洪峰到達(dá)前26 h啟用，蓄洪量0.64億m3，全部蓄滿；潤(rùn)河集洪峰水位降幅0.18 m、最大水位降幅0.28 m，正陽(yáng)關(guān)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(rùn)河集洪峰到達(dá)前19 h啟用，蓄洪量1.7 億m3，全部蓄滿；潤(rùn)河集洪峰水位降幅0.24 m、最大水位降幅0.34 m，正陽(yáng)關(guān)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(rùn)河集洪峰到達(dá)前19 h啟用，蓄洪量6.18億m3，未完全蓄滿；潤(rùn)河集洪峰水位降幅0.31 m、最大水位降幅0.75 m，正陽(yáng)關(guān)洪峰水位降幅0.90 m、最大水位降幅1.52 m。

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

a)南潤(rùn)段單獨(dú)運(yùn)用降低潤(rùn)河集水位效果

b)邱家湖單獨(dú)運(yùn)用降低正陽(yáng)關(guān)水位效果

c)姜唐湖單獨(dú)運(yùn)用降低正陽(yáng)關(guān)水位效果圖3 各行蓄洪區(qū)按規(guī)定調(diào)度條件單獨(dú)運(yùn)用效果

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

現(xiàn)狀工況下，行蓄洪區(qū)按規(guī)定調(diào)度條件聯(lián)合運(yùn)用，南潤(rùn)段于南照集洪峰前26 h啟用，進(jìn)洪量分別為0.61億m3；邱家湖、姜唐湖分別于潤(rùn)河集洪峰前6、1 h啟用，進(jìn)洪量分別為1.36億、5.95億m3。行蓄洪區(qū)運(yùn)用后，潤(rùn)河集洪峰水位降幅0.31 m，最大水位降幅0.96 m；正陽(yáng)關(guān)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(diào)度，各湖區(qū)進(jìn)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(diào)度各行蓄洪區(qū)進(jìn)洪過程

a)行蓄洪區(qū)聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用降低潤(rùn)河集水位效果

b)行蓄洪區(qū)聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用降低正陽(yáng)關(guān)水位效果圖5 行蓄洪區(qū)按規(guī)定調(diào)度條件聯(lián)合運(yùn)用效果

南潤(rùn)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(kù)容均較大，但由于啟用時(shí)間基本在洪峰到達(dá)時(shí)，對(duì)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(yùn)用效果分析

為明確歷史上發(fā)生2007年洪水時(shí)各行蓄洪區(qū)運(yùn)用分別對(duì)洪峰的實(shí)際削減作用，對(duì)各行蓄洪區(qū)按歷史實(shí)際運(yùn)用時(shí)間及分洪過程單獨(dú)運(yùn)用后淮干洪峰水位降幅進(jìn)行分析；并與各行蓄洪區(qū)按規(guī)定調(diào)度條件單獨(dú)運(yùn)用洪峰水位降幅進(jìn)行對(duì)比，分析影響行蓄洪區(qū)運(yùn)用效果的因素。

南潤(rùn)段、邱家湖按照歷史實(shí)際調(diào)度情況運(yùn)用，分別可降低潤(rùn)河集洪峰水位0.07 m，降低正陽(yáng)關(guān)洪峰水位0.11 m；與按規(guī)定調(diào)度條件運(yùn)用相比，潤(rùn)河集、正陽(yáng)關(guān)洪峰水位降幅分別減少0.11、0.38 m，運(yùn)用效果較差。主要由于2007年兩湖超過規(guī)定運(yùn)用水位而未及時(shí)啟用，啟用時(shí)洪峰已接近相應(yīng)控制站；且當(dāng)年兩湖進(jìn)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?jī)H300 m3/s，遠(yuǎn)未能達(dá)到設(shè)計(jì)進(jìn)洪流量，因此洪峰水位降幅未能達(dá)到最大。

姜唐湖按歷史實(shí)際調(diào)度情況單獨(dú)運(yùn)用，最大可降低正陽(yáng)關(guān)洪峰水位0.26 m；與按規(guī)定調(diào)度條件運(yùn)用相比，正陽(yáng)關(guān)洪峰水位降幅減少0.64 m。2007年姜唐湖進(jìn)、退洪閘已建成，實(shí)際進(jìn)洪流量2 200 m3/s，接近設(shè)計(jì)進(jìn)洪流量；但由于姜唐湖運(yùn)用時(shí)洪峰已接近其控制站潤(rùn)河集，且分洪時(shí)間較短，待水位降低至控制水位以下便關(guān)閘停止進(jìn)洪，實(shí)際蓄洪量?jī)H占總庫(kù)容的30%，未能完全運(yùn)用姜唐湖的蓄洪能力，因此洪峰水位降幅未能達(dá)到最大。

歷史實(shí)際發(fā)生2007年洪水時(shí)，由于行蓄洪區(qū)啟用損失大、影響大，決策困難，均未能及時(shí)運(yùn)用，且分洪設(shè)施尚不完善，因此行蓄洪區(qū)運(yùn)用后淮干水位降幅僅為0.07～0.26 m，均未能達(dá)到最優(yōu)效果。各行蓄洪區(qū)不同條件單獨(dú)運(yùn)用相應(yīng)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(dú)運(yùn)用各站水位降幅

5 結(jié)語

行蓄洪區(qū)運(yùn)用效果受啟用時(shí)機(jī)及分洪能力影響顯著，歷史實(shí)際發(fā)生洪水時(shí)常由于不能在洪峰到達(dá)前及時(shí)啟用，以及口門進(jìn)洪流量小等原因，導(dǎo)致行蓄洪區(qū)運(yùn)用效果不理想。目前正陽(yáng)關(guān)以上行蓄洪區(qū)均已建設(shè)了進(jìn)、退洪閘，進(jìn)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(dá)前1 d左右及時(shí)啟用，則可顯著降低其下游淮干水位，其中南潤(rùn)段運(yùn)用可降低潤(rùn)河集洪峰水位達(dá)0.18 m，邱家湖、姜唐湖運(yùn)用分別可降低正陽(yáng)關(guān)水位達(dá)0.49、0.90 m。行蓄洪區(qū)按規(guī)定聯(lián)合調(diào)度，南潤(rùn)段、邱家湖于洪峰到達(dá)前先啟用可顯著降低淮干洪峰水位，其中潤(rùn)河集洪峰水位可降低0.31 m，正陽(yáng)關(guān)洪峰水位可降低0.55 m；姜唐湖后啟用，削峰作用較小。