張曉松，張 艷，王少波，黃菁菁，季建中

（1.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，225127，揚州；2.江蘇省泰州引江河管理處，225321，泰州）

江蘇黃墩湖滯洪區(qū)調(diào)度運用方案分析與探討

張曉松，張 艷1，王少波1，黃菁菁1，季建中2

（1.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，225127，揚州；2.江蘇省泰州引江河管理處，225321，泰州）

針對江蘇省黃墩湖滯洪區(qū)在沂沭泗流域防洪工程體系中的地位與作用，利用DHI開發(fā)的MIKE 21軟件建立駱馬湖二維水動力模型，分析研究黃墩湖滯洪區(qū)啟用標準以及調(diào)度運用方案。通過駱馬湖入湖洪水過程分析，掌握了駱馬湖入湖洪水特征和洪峰間隔。運用模型模擬了不同設計標準下駱馬湖水位變化過程，分析了黃墩湖滯洪區(qū)啟用標準，闡述了不同階段入湖洪峰對駱馬湖水位的影響程度，明確了黃墩湖滯洪區(qū)調(diào)度運用控制水位和各階段的預警時間，落實了調(diào)度運用各階段的主要工作內(nèi)容。研究成果可為駱馬湖防汛形勢預判和黃墩湖滯洪區(qū)滯洪調(diào)度運用提供參考。

黃墩湖；滯洪區(qū)；數(shù)學模型；入湖洪水；啟用標準；預警；調(diào)度水位；運用方案

歷史上黃墩湖、駱馬湖均為湖泊洼地。京杭運河開挖后，將這片洼地一分為二，河東為現(xiàn)在的駱馬湖，河西就是現(xiàn)在的黃墩湖。黃墩湖設置為滯洪區(qū)始于20世紀50年代，其功能是蓄滯駱馬湖上游超標準洪水，削減洪峰，減輕駱馬湖堤防及下游新沂河的防洪壓力。黃墩湖僅在1957年被迫滯洪一次，以后近60年內(nèi)尚未滯洪運用過，現(xiàn)行的調(diào)度運用方案較為籠統(tǒng)，缺乏針對性和可操作性，難以及時有效地啟用滯蓄洪水，保障駱馬湖的防洪安全。為此，通過建立駱馬湖二維水動力模型，分析研究黃墩湖滯洪區(qū)的啟用標準，細化、量化滯洪調(diào)度運用方案。

一、基本情況

黃墩湖滯洪區(qū)界于黃淮之間、駱馬湖西側，其滯洪范圍北以房亭河南堤為界，南至廢黃河北堤，東至駱馬湖二線堤防接中運河西堤，西至徐洪河東堤，總面積230 km2，最高滯洪水位26.0 m，相應滯洪庫容11.1億m3。滯洪區(qū)地處徐州、宿遷兩市邊界，分屬邳州、睢寧、宿遷湖濱新區(qū)三縣（市、區(qū)），2012年末人口約13.4萬人。區(qū)內(nèi)地面高程一般在21.5 m左右，最低處僅19.0 m。滯洪區(qū)屬黃淮沖積平原區(qū)，地勢低洼，西北高，東南低，大部分為平原坡地，約占89%。

黃墩湖滯洪區(qū)根據(jù)國家防總批復的《沂沭泗河洪水調(diào)度方案》“如預報駱馬湖水位超過26.0m，當駱馬湖水位達到25.5m時，啟用黃墩湖滯洪區(qū)滯洪，確保宿遷大控制安全”的規(guī)定及時啟用，采用滯洪閘進洪和臨時口門爆破分洪兩種方式，首先開啟滯洪閘（設計流量2000m3/s）分泄洪水；在發(fā)生特大洪水滯洪閘不能滿足分洪要求時，啟用臨時滯洪口門爆破滯洪。

二、駱馬湖以上設計洪水

1.暴雨特征及成因

沂沭泗流域暴雨具有明顯的季節(jié)性，6—9月為暴雨季節(jié)，其中以7月份為最多，暴雨中心出現(xiàn)的地點，常受地形及天氣系統(tǒng)的影響，具有一定的規(guī)律性。由流域暴雨頻次資料分析，沭河的莒縣、南四湖湖東的滕縣、湖西的菏澤市常為暴雨中心，其次是沂河的臨沂市。流域一次暴雨過程為2～3天，兩次切變線系統(tǒng)過程之間距最短為18 h。造成暴雨天氣系統(tǒng)，主要是黃淮氣旋、臺風、南北切變，其次是暖切變。黃淮氣旋多發(fā)生在6—9月，其中7月份為最多。大范圍、長歷時降水多數(shù)由切變線和低渦接連出現(xiàn)造成；臺風則主要影響沂沭河及南四湖湖東的山丘區(qū)，其特點是范圍小、強度大、歷時短。暴雨移動方向由西向東較多，降雨一般自南向北遞減，沿海多于內(nèi)陸，山地多于平原；年際降水變化較大，最大和最小年降雨量相差達4.5倍（沂河臨沂站）。

2.洪水特征

沂沭泗河水系的洪水多發(fā)生在7—8月，其洪水主要由沂沭河、南四湖以及運河水系（邳蒼區(qū)間）三部分組成。由于各區(qū)自然地理條件的不同及暴雨特征性的差異，致使各區(qū)洪水特征不一。沂、沭河上中游為沂蒙山區(qū)，洪水來勢兇猛，陡漲陡落，峰高量大是沂沭泗流域的主要洪水來源區(qū)，往往暴雨后幾小時河道控制站便可能出現(xiàn)洪峰。南四湖湖東地區(qū)，河流大都為山溪性，源短流急，水勢暴漲暴落；湖西地區(qū)河流均為坡水河道，泄水能力極低，洪水變化平緩。邳蒼區(qū)的上游地區(qū)，洪水陡漲陡落，徑流系數(shù)較大，而中下游地區(qū)洪水變化平緩，徑流系數(shù)較小。南四湖、駱馬湖為沂沭泗河水系兩大調(diào)蓄湖泊，尤其是南四湖，對洪水的調(diào)蓄作用更為突出。1949年后，隨著大量水利工程的興建，沂沭泗河水系的洪水受人為調(diào)度的影響，洪水特性變化較大。

江蘇省位于沂沭泗河水系下游的坡地平原，河道水淺流緩，蓄泄條件較差，洪澇矛盾突出。沂沭河洪水是江蘇境內(nèi)沂沭泗流域的主要洪水來源。

3.設計洪水過程

駱馬湖洪水由沂沭河、南四湖、邳蒼三地區(qū)洪水組成，洪量是由沂沭河、南四湖、邳蒼三地區(qū)的逐日水量相加，取其最大的7天、15天、30天洪量而得。駱馬湖設計洪量成果見表1。

表1 駱馬湖設計洪量成果

根據(jù)駱馬湖30天洪量統(tǒng)計分析，多年平均洪量地區(qū)組成是沂沭河占35.4%、南四湖占38.3%、邳蒼占26.3%。本文選取沂沭河發(fā)生與駱馬湖同頻率洪水，南四湖和邳蒼為相應洪水的最不利地區(qū)組合，以1957年7月6日—8月4日的洪水為典型過程線，分時段同頻率控制放大法計算駱馬湖以上不同頻率的設計洪水過程線，見圖1。

由圖1可以直觀反映，駱馬湖入湖洪水過程由三波遞增的洪峰組成，其中第一、二波洪峰間隔為66 h，第二、三波洪峰間隔為90 h。

三、黃墩湖滯洪區(qū)啟用標準研究

利用丹麥水力研究所（DHI）開發(fā)的MIKE系列軟件建立二維水動力模型，模擬駱馬湖遭遇不同標準洪水時的水位變化過程，分析研究黃墩湖滯洪區(qū)的啟用標準。

1.二維水動力模型控制方程及求解方法

動量方程：

式中，t為時間；h為總水深 （m）；η 為水位（m）；u、v 分別為 x、y 方向的流速（m/s）；pa為當?shù)卮髿鈮?（pa）；ρ、ρ0分別為水的密度和參考密度（kg/m3）；f=2Ωsinφ 為科氏力參數(shù) （Ω=0.729×104s-1)為地球自轉角速率，φ為地理緯度 ）；Sxx、Sxy、Syx、Syy為 輻 射 應 力 分 量 ；

（1）模型控制方程組

平面二維水動力模型（MIKE21）控制方程組是基于右手笛卡爾直角坐標系垂向積分的連續(xù)方程和動量方程組成。

連續(xù)方程：Txx、Txy、Tyx、Tyy為水平黏性應力項；S 為源匯項；us、vs為源匯項流速（m/s）；分別為垂向平均流速（m/s）；τxx、τxy分別為x、y 向表面剪應力；τbx、τby分別為 x、y向河床剪應力。

（2）數(shù)值解法

利用MIKE 21建立駱馬湖二維數(shù)學模型分析研究不同標準下水位變化過程。MIKE 21方程組采用ADI方法（交替方向隱式法）進行離散并求解，方法基于非結構網(wǎng)格把二維問題中跨單元邊界的水量、動量等通量的計算轉化為求解局部一維黎曼問題。

2.模型網(wǎng)格劃分

使用MIKE 21網(wǎng)格生成器（Mesh Generator）對駱馬湖進行三角形網(wǎng)格劃分，采用嵌套網(wǎng)格技術對區(qū)域地形變化較大的地方進行網(wǎng)格加密處理，項目研究區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格數(shù)量為350 197個，結點數(shù)量為189 973個，并對劃分后的計算網(wǎng)格進行光滑處理。

3.模擬計算成果

駱馬湖匯集沂河及中運河來水，經(jīng)嶂山閘控制由新沂河入海，經(jīng)宿遷閘控制入下游的中運河。駱馬湖洪水調(diào)度國家防總批復的調(diào)度方案進行調(diào)度，具體洪水調(diào)度原則：①當駱馬湖水位達到22.5 m并繼續(xù)上漲時，嶂山閘泄洪，或相機利用皂河閘、宿遷閘泄洪；如預報駱馬湖水位不超過23.5 m，照顧黃墩湖地區(qū)排澇。②預報駱馬湖水位超過23.5 m，駱馬湖提前預泄。預報駱馬湖水位不超過24.5 m，嶂山閘泄洪控制新沂河沭陽站洪峰流量不超過5 000 m3/s，同時相機利用皂河閘、宿遷閘泄洪。③預報駱馬湖水位超過24.5 m，嶂山閘泄洪控制新沂河沭陽站洪峰流量不超過6 000 m3/s；同時相機利用皂河閘、宿遷閘泄洪。④當駱馬湖水位超過24.5 m并預報繼續(xù)上漲時，退守宿遷大控制；嶂山閘泄洪控制新沂河沭陽站洪峰流量不超過7 800 m3/s；視下游水情，控制宿遷閘泄洪不超過1 000 m3/s；徐洪河相機分洪。⑤如預報駱馬湖水位超過26.0 m，當駱馬湖水位達到25.5 m時，啟用黃墩湖滯洪區(qū)滯洪，確保宿遷大控制安全。

根據(jù)駱馬湖洪水調(diào)度原則，模擬駱馬湖水位變化過程，駱馬湖遭遇50年一遇洪水時，駱馬湖的最高水位24.66 m，無需啟用黃墩湖滯洪區(qū)；駱馬湖遭遇100年一遇洪水時，則需啟用黃墩湖滯洪區(qū)。因此，黃墩湖滯洪區(qū)的啟用標準介于50年一遇至100年一遇之間。計算成果見表2。

表2 駱馬湖模擬水位計算成果

四、黃墩湖滯洪區(qū)調(diào)度運用研究

黃墩湖滯洪區(qū)根據(jù)駱馬湖水位情況及時啟用分滯超標準洪水，現(xiàn)行黃墩湖滯洪區(qū)調(diào)度運用方案較為籠統(tǒng)，及時啟用難度較大，操作性也不強，且預警時間也不充足。為此，從駱馬湖入湖洪水過程著手，分析研究駱馬湖三波入湖洪峰對水位的影響程度，從而細化黃墩湖滯洪區(qū)的調(diào)度運用控制水位，落實調(diào)度運用各階段的主要工作內(nèi)容，量化各階段的預警時間等。

圖1 駱馬湖設計入湖洪水過程線示意圖

1.駱馬湖入湖洪峰對水位的影響研究

大，為此，利用建立的駱馬湖二維水動力模型，分析量化駱馬湖三波入湖洪峰對水位的影響程度。駱馬湖入湖洪水與水位漲落過程見圖2和圖3。

從圖2可以看出，駱馬湖100年一遇入湖洪水過程中，第一波洪峰將駱馬湖水位提高至23.4 m左右，第二波洪峰將駱馬湖水位提高至24.5 m左右，第三波洪峰則將駱馬湖水位提高至25.5 m以上，需啟用黃墩湖滯洪區(qū)滯蓄洪水。也就是說在駱馬湖入湖第一波洪峰到達后約168 h（7 d），駱馬湖就達到了向黃墩湖滯洪區(qū)分洪的水位要求，僅需開啟滯洪閘分洪。

從圖3可以看出，駱馬湖200年一遇入湖洪水過程中，第一波洪峰將駱馬湖水位提高至24.1 m左右，第二波洪峰將駱馬湖水位提高至25.5 m左右，第三波洪峰將駱馬湖水位提高至26.0 m以上，需啟用黃墩湖滯洪區(qū)滯蓄洪水。也就是說在駱馬湖入湖第一波洪峰到達后約 78 h（3.25 d），駱馬湖就達到了向黃墩湖滯洪區(qū)分洪的水位要求，此時僅需開啟滯洪閘分洪；156 h（6.5 d）后則需啟用兩個臨時爆破口門，炸堤輔助分洪。

駱馬湖以上洪水具有峰高量大、源短流急、預見期短的特征，加之駱馬湖調(diào)洪庫容相對較小，僅約9.13億m3，入湖洪峰對駱馬湖水位的影響較

2.調(diào)度運用方案研究

根據(jù)上述分析研究成果，細化黃墩湖滯洪區(qū)的調(diào)度運用方案。成果見表3和表 4。

表3 黃墩湖滯洪區(qū)調(diào)度運用方案（100年一遇標準）

表4 黃墩湖滯洪區(qū)調(diào)度運用方案（200年一遇標準）

圖2 駱馬湖水位模擬過程示意圖（遭遇100年一遇入湖洪水）

圖3 駱馬湖水位模擬過程示意圖（遭遇200年一遇入湖洪水）

五、結 語

①黃墩湖滯洪區(qū)是沂沭泗流域防洪工程體系的重要組成部分，在防御流域超標準洪水方面具有十分重要的作用，其現(xiàn)狀啟用標準介于50年一遇至100年一遇之間。

②駱馬湖入湖洪水過程累計三波洪峰，總體呈遞增趨勢，其中第一、二波洪峰間隔時間為66 h，第二、三波洪峰間隔時間為90 h，可為駱馬湖防汛形勢的預判和及時做出決策提供參考。

③利用DHI開發(fā)的MIKE 21軟件建立駱馬湖二維水動力模型，較好地模擬了駱馬湖水位漲落過程，研究得出駱馬湖入湖第三波洪峰對水位的影響最大，是黃墩湖滯洪區(qū)是否啟用的重要控制時段。同時根據(jù)研究成果，細化黃墩湖滯洪區(qū)100年一遇和200年一遇標準洪水下的調(diào)度運用控制水位，明確調(diào)度運用各階段的工作內(nèi)容和預警時間，可為黃墩湖滯洪區(qū)的調(diào)度運用決策提供參考。

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Analysis and discussion on scheduling and application scheme of Huangdun Lake flood detention area in Jiangsu Province

Zhang Xiaosong,Zhang Yan,Wang Shaobo,Huang Jingjing,Ji Jianzhong

In order to analyze the opening criterion and scheduling the use of programs of Huangdun Lake detention area,we take advantages of MIKE21 developed by DHI to establish two dimensional hydrodynamic model of Luoma Lake,in consideration of the position and function of Huangdun Lake in the flood control engineering system of Yishusi Watershed.Through analyzing the processofflood into Luoma Lake,the characteristics of flood and the peak interval of Luoma Lake are mastered.The model was used to simulate the changes of water level in Luoma Lake under different design standards,analyze the opening criterion of Huangdun Lake detention area,elaborate the influence of flood peak on the water level of Luoma Lake at different stages,definite the warning time of controlling the water level and the processes,and commit the main working contents of the implementation in different stages.The research can provide a reference for the prejudgment of flood prevention situation in Luoma Lake and the use of Huangdun Lake flood detention area.

Huangdun Lake;flood detention zone;mathematical model;the flood into the lake;opening standard;early warning;dispatching water level;application scheme

TV873

B < class="emphasis_bold">文章編號：1

1000-1123（2017）20-0022-04

2017-09-08

張曉松，高級工程師，主要從事水利規(guī)劃與設計方面的研究工作。

江蘇省水利科技重點項目（2014003）。

責任編輯 張金慧