賁 鵬，虞邦義，倪 晉，陸海田

(安徽省(水利部淮河水利委員會(huì))水利科學(xué)研究院 水利水資源安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230000)

淮河干流行蓄洪區(qū)分布在河道兩側(cè)，位于崗地或淮北大堤與河槽之間，是淮河干流泄洪通道的一部分，也是淮河防洪體系中不可或缺的組成部分[1]，其調(diào)度運(yùn)用也是最復(fù)雜最棘手的問題，風(fēng)險(xiǎn)大、爭(zhēng)議多。

近年來，針對(duì)行蓄洪區(qū)啟用時(shí)機(jī)、方式和分洪影響等方面研究較多。如虞邦義等[2]對(duì)行洪區(qū)的行洪能力進(jìn)行了研究，并詳細(xì)分析了影響行洪區(qū)能力的主要因素；夏冬梅等[3]研究了行洪區(qū)進(jìn)退洪閘調(diào)度過程，提出行洪區(qū)啟用5個(gè)階段的蓄泄特征；何用等[4]研究了淮河中游行蓄洪區(qū)開啟方式和口門位置對(duì)分洪效果的影響；譚維炎、胡四一等[5-6]建立了長(zhǎng)江干流、洞庭湖河網(wǎng)以及蓄洪圩垸模型，研究了防洪措施蓄泄效果和工程優(yōu)化調(diào)度模式；倪晉仁等[7]建立了洪湖分蓄洪區(qū)模型，研究了洪湖分蓄洪區(qū)分洪過程和效果；艾小榆等[8]針對(duì)潖江蓄滯洪區(qū)調(diào)度運(yùn)用方案，對(duì)適當(dāng)延遲蓄洪區(qū)啟用時(shí)間的效果進(jìn)行了評(píng)估；劉玉年、賁鵬等[9-11]采用一維、二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型對(duì)淮河中游王家壩至浮山段河道整治工程減災(zāi)效益進(jìn)行了評(píng)估。盡管研究成果較多，但關(guān)于淮河中游多行蓄洪區(qū)、分洪河道、大型水利樞紐等聯(lián)合調(diào)度的研究較少，尤其是中常洪水調(diào)度問題。而且在淮河中游實(shí)施大規(guī)模治理后，流域防洪格局發(fā)生了較大變化，對(duì)新形勢(shì)下各類防洪措施的協(xié)同調(diào)度尚無系統(tǒng)研究，工程效果無定量評(píng)估。所以研究淮河中游中小洪水演變規(guī)律，優(yōu)化干支流河道、行蓄洪區(qū)以及分洪河道等防洪工程聯(lián)合調(diào)度是必要的。

本文基于一維、二維耦合水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，在現(xiàn)狀工況和規(guī)劃工況兩種條件下，模擬了2003年型淮河洪水過程，分析了行蓄洪區(qū)與分洪河道聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用效果，優(yōu)化了行蓄洪區(qū)啟用數(shù)量、順序及組合方式，提出了2003年型洪水下淮河中游行蓄洪區(qū)和分洪河道的聯(lián)合調(diào)度方案。分析成果為淮河中常洪水(10～20 a一遇洪水，需要啟用行蓄洪區(qū)等防洪措施)調(diào)度提供了預(yù)案，對(duì)流域洪水調(diào)度具有借鑒意義。

1 研究區(qū)概況

淮河中游防洪減災(zāi)體系主要由水庫、臨淮崗洪水控制工程、河道堤防、行蓄洪區(qū)、分洪河道、調(diào)蓄湖泊等組成，洪水調(diào)度主要是由上述部分組成的聯(lián)合調(diào)度，其中行蓄洪區(qū)和分洪河道的調(diào)度尤為關(guān)鍵，是淮河中游洪水調(diào)度的重點(diǎn)和難點(diǎn)。截至2010年，淮河干流有行蓄洪區(qū)21處，其中蓄洪區(qū)4處，行洪區(qū)17處，淮河干流洪河口至浮山段行蓄洪區(qū)、人工河道及主要支流分布如圖1所示。目前，淮河干流部分行洪區(qū)采用口門行洪(破堤行洪)，還難以對(duì)其做到及時(shí)有效運(yùn)用，需要進(jìn)行調(diào)整。按規(guī)劃調(diào)整后，淮河干流行洪區(qū)減少至6處，各行洪區(qū)均建閘控制，啟用標(biāo)準(zhǔn)將提高[1]。

圖1 淮河中游洪河口至小柳巷段河道示意Fig.1 Schematic diagram of the middle reaches of Huaihe River from Honghekou to Xiaoliuxiang

2 2003年淮河洪水概況

淮河上游山區(qū)河道比降大，洪水匯流速度快。中游河道比降變緩，一般僅為0.03‰，洪水下泄緩慢，河床泄量小，高水位持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，干流兩岸經(jīng)?！瓣P(guān)門淹”。 淮河左岸支流多數(shù)為平原河道，洪水過程平緩?；春佑野吨Я鳛樯角饏^(qū)河流，河道比降大，易形成尖瘦型洪水過程。

2000年之后，淮河流域進(jìn)入了一個(gè)洪水多發(fā)期，2003，2005，2007年淮河中游均發(fā)生超保證水位洪水。2003年，淮河上游、史灌河、淠河、洪汝河、沙潁河和渦河等均發(fā)生洪水，干支流洪水并發(fā)[12-13]，淮河干流全線超過警戒水位，王家壩至魯臺(tái)子段超保證水位，部分河段超歷史最高水位?；春痈闪鲗?shí)際調(diào)度啟用了邱家湖、唐垛湖、上六坊堤、下六坊堤、石姚段、洛河洼和荊山湖等行洪區(qū)，蒙洼和城東湖蓄洪區(qū)，以及茨淮新河、懷洪新河來蓄滯和分泄洪水。防洪工程調(diào)度有效地減輕了洪水災(zāi)害，但嚴(yán)重的洪澇仍造成沿淮385萬hm2農(nóng)田被淹，受災(zāi)人口3 730萬人，直接經(jīng)濟(jì)損失286億元[14]。2003年洪水頻率為10～20 a一遇，與1991，2007年洪水頻率相當(dāng)，在中常洪水中具有較強(qiáng)的代表性。研究2003年型洪水調(diào)度，對(duì)淮河中游中常洪水調(diào)度具有指導(dǎo)意義。

3 水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)介

基于淮河中游河道和洪水特征，建立洪河口至小柳巷段河道一維、二維耦合水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型[15]。

3.1 控制方程組

3.1.1一維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型

一維水動(dòng)力模型的控制方程為Saint Venant方程組，采用Abbott六點(diǎn)隱格式進(jìn)行求解[16]。

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

式中：Q為流量；Z為水位；t為時(shí)間；A為過水?dāng)嗝娴拿娣e；B為水面寬度；q*為旁側(cè)入流流量；K為流量模數(shù)。

3.1.2二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型

對(duì)用Navier-Stokes方程沿水深進(jìn)行積分，可得平面二維淺水水流控制方程。模型采用模型非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，利用有限體積法對(duì)方程進(jìn)行求解[17]。

連續(xù)方程：

(3)

動(dòng)量方程：

(4)

(5)

式中：h，ξ分別為水深和水位；u，v分別為x，y方向的垂向平均流速；q為源或匯的流量；Ex和Ey分別為x，y方向的水流紊動(dòng)黏性系數(shù)；τbx和τby為x，y方向的底部摩阻；f為科氏力，f=2ωsinφ，ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，φ為計(jì)算水域的地理緯度；τsx和τsy分別為風(fēng)對(duì)自由表面x，y方向的剪切力。

3.2 計(jì)算條件及參數(shù)

3.2.1計(jì)算范圍與邊界

計(jì)算區(qū)域包括洪河口至小柳巷段淮河干流、支流、行蓄洪區(qū)及生產(chǎn)圩區(qū)。淮河干支流采用一維模型計(jì)算；行蓄洪區(qū)和生產(chǎn)圩區(qū)采用平面二維模型計(jì)算。模型入流邊界包括：淮河干流洪河口、洪河分洪道地理城、史河蔣家集、沙潁河阜陽閘、渦河蒙城閘分別給定實(shí)測(cè)流量過程，其他支流給定其入淮河口流量過程。出流邊界包括：懷洪新河何巷閘給定實(shí)測(cè)出流過程，淮河干流浮山給定實(shí)測(cè)水位過程。

3.2.2模型主要參數(shù)

為了滿足計(jì)算時(shí)間和精度的要求，一維模型空間步長(zhǎng)取100～500 m，二維模型空間步長(zhǎng)取100～300 m，局部地形進(jìn)行加密處理；時(shí)間步長(zhǎng)為3 s。河道主槽糙率為0.021～0.026，河道灘地糙率為0.032～0.040，行洪區(qū)及生產(chǎn)圩區(qū)糙率為0.037 5～0.050 0，沿程糙率如表1所列。

表1 不同河段糙率取值Tab.1 Roughness value of different river sections

4 模型驗(yàn)證

2005年和2008年淮河洪水，淮河干支流行蓄洪區(qū)和分洪河道均未啟用，可以用來驗(yàn)證河道主槽和灘地糙率；2003年和2007年淮河洪水為中常洪水，可以對(duì)分洪河道、行蓄洪區(qū)、生產(chǎn)圩區(qū)等糙率及模型連接等進(jìn)行驗(yàn)證。水位驗(yàn)證的主要站點(diǎn)為王家壩、潤(rùn)河集、正陽關(guān)、田家庵、吳家渡等25個(gè)水位點(diǎn)；流量驗(yàn)證的主要站點(diǎn)為潤(rùn)河集、魯臺(tái)子、吳家渡、小柳巷等。水位和流量主要驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較如表2～3所列，部分測(cè)站2003年和2007年計(jì)算洪水過程與實(shí)測(cè)洪水過程比較如圖2～3所示。

圖2 2003年測(cè)站水位過程比較Fig.2 Comparison of water level processes of stations in 2003

表2 洪峰流量驗(yàn)證結(jié)果Tab.2 Verification results of flood peak flow

各測(cè)站計(jì)算水位過程與實(shí)測(cè)過程一致性良好，沿程各站洪峰計(jì)算與實(shí)測(cè)水位差值基本在5～10 cm以內(nèi)，洪峰計(jì)算與實(shí)測(cè)流量差值基本在5%以內(nèi)。因此，模型較好地模擬了洪河口至小柳巷段水流運(yùn)動(dòng)情況，模型概化合理，率定參數(shù)準(zhǔn)確，計(jì)算精度較高，可以滿足洪水調(diào)度的需要。

5 調(diào)度方案計(jì)算與分析

調(diào)度計(jì)算分析主要有現(xiàn)狀和規(guī)劃兩種工況?，F(xiàn)狀工況是指采用2013年的最新河道地形資料，并考慮此期間已實(shí)施的石姚段和洛河洼行洪區(qū)退建等治理工程；規(guī)劃工況是指在現(xiàn)狀河道地形的基礎(chǔ)上，正陽關(guān)至小柳巷段行蓄洪區(qū)調(diào)整與河道整治工程全部實(shí)施完成[1]。

5.1 邊界條件

2003年洪水調(diào)度計(jì)算的模型邊界：淮河干流、支流和人工新河的入流邊界均見3.2節(jié)，采用實(shí)測(cè)或還原資料；出流邊界浮山給定水位流量關(guān)系。

5.2 調(diào)度原則探討

本段河道支流多且入?yún)R流量大，不同河段洪量差別大，各分洪措施對(duì)上下游河道影響程度和范圍有限，相鄰行蓄洪區(qū)分洪效果也不相同，不同河段洪水調(diào)度具有不同特點(diǎn)。根據(jù)干支流不同河段洪水演進(jìn)規(guī)律及匯流特性，研究了單個(gè)行蓄洪區(qū)和分洪河道分洪對(duì)上下游河道洪水影響值與范圍，以及行蓄洪區(qū)在防洪布局中定位和重要性差別。結(jié)合2003年洪水調(diào)度方案結(jié)果，初步提出淮河中游行蓄洪區(qū)和分洪河道的總體調(diào)度原則如下：針對(duì)不同超保證水位河段，依次啟用本河段、上游河段和下游河段的分洪措施；并結(jié)合先分洪，后行洪，再蓄洪實(shí)施調(diào)度；行洪區(qū)適當(dāng)提前分洪更有利于洪水下泄。

表3 水位驗(yàn)證結(jié)果Tab.3 Verification results of water level m

圖3 2007年測(cè)站水位過程比較Fig.3 Comparison of water level processes of stations in 2007

5.3 基于現(xiàn)狀條件的調(diào)度分析

在現(xiàn)狀河道地形條件下，若不啟用行蓄洪區(qū)和分洪河道，淮河干流沿程全部超保證水位。根據(jù)上述調(diào)度原則，初步擬定調(diào)度方案1：?jiǎn)⒂么幕葱潞雍蛻押樾潞樱跫覊沃翝?rùn)河集段啟用蒙洼蓄洪區(qū)，潤(rùn)河集至正陽關(guān)段啟用姜唐湖行洪區(qū)，正陽關(guān)至蚌埠段啟用上下六方堤和荊山湖行洪區(qū)。根據(jù)以上調(diào)度計(jì)算結(jié)果確定是否啟用其他行蓄洪區(qū)，進(jìn)而擬定不同的調(diào)度方案，計(jì)算成果如表4所列。

表4 2003年洪水調(diào)度方案下峰值水位Tab.4 Highest water levels of flood regulation in 2003

注：王家壩、潤(rùn)河集、正陽關(guān)、田家庵、吳家渡保證水位分別為29.20，26.95，26.40，24.55，22.48 m；()為超保證水位歷時(shí)，h。

表4表明：方案4和方案5對(duì)淮河干流沿程水位的調(diào)度效果相當(dāng)，優(yōu)于方案2和方案3，其中正陽關(guān)下泄流量過程如圖4所示，水位過程如圖5所示。方案4為二次啟用蒙洼蓄洪區(qū)，在各方案中啟用行蓄洪區(qū)的數(shù)量最少，但是導(dǎo)致蒙洼蓄洪區(qū)蓄滿，若王家壩再次出現(xiàn)超保證水位的洪水過程，其他行蓄洪區(qū)無法快速有效地降低王家壩水位；方案5啟用南潤(rùn)段和邱家湖蓄洪區(qū)，啟用行蓄洪區(qū)的數(shù)量最多，但是這兩個(gè)蓄洪區(qū)的庫容均較小，并且保留了蒙洼、城東湖蓄洪區(qū)部分庫容，從而可以更好的防御下一場(chǎng)次洪水。

圖4 正陽關(guān)下泄流量過程Fig.4 Discharge process of Zhengyangguan

圖5 正陽關(guān)水位過程Fig.5 Water level processes of Zhengyangguan

2003年洪水實(shí)際調(diào)度和模擬調(diào)度方案2至方案5啟用的行蓄洪區(qū)和分洪河道數(shù)量相當(dāng)，均有效降低了淮河干流水位和減少了高水位歷時(shí)。但模擬調(diào)度方案的沿程計(jì)算水位均低于實(shí)測(cè)水位，且在保證水位以下，高水位歷時(shí)也顯著少于實(shí)際調(diào)度，其原因是：① 2003年洪水實(shí)際調(diào)度中，各行洪區(qū)均為破堤行洪，口門寬度小，實(shí)際行洪效果差，而方案調(diào)度的各分洪措施均擬定為及時(shí)充分行洪；② 近年淮河干流河道治理工程降低了河道水位，主要工程包括臨淮崗洪水控制工程、洛河洼和石姚段行洪區(qū)調(diào)整等。

5.4 基于規(guī)劃條件的調(diào)度分析

表5表明：在規(guī)劃地形條件下，淮河中游若遇2003年洪水，僅需要啟用蒙洼蓄洪區(qū)和姜唐湖行洪區(qū)就可以使王家壩、正陽關(guān)、田家庵和吳家渡低于保證水位，但是潤(rùn)河集水位仍然超保證水位0.58 m，若要使其低于保證水位，仍需要啟用南潤(rùn)段、邱家湖甚至城西湖蓄洪區(qū)。

表5 規(guī)劃條件下2003年型洪水調(diào)度計(jì)算成果Tab.5 Calculation results of flood regulation in 2003 under planning conditions

注：()為超保證水位歷時(shí)，h。

由圖6和圖7可以看出：規(guī)劃條件下不啟用行蓄洪區(qū)和分洪河道方案，正陽關(guān)計(jì)算流量大于實(shí)測(cè)流量，計(jì)算水位低于實(shí)測(cè)水位，說明淮河干流行洪區(qū)調(diào)整與建設(shè)工程顯著提高了河道行洪能力，大幅降低了水位。在僅河道灘槽下泄洪水的情況下，正陽關(guān)規(guī)劃計(jì)算水位較現(xiàn)狀計(jì)算值下降了1.11 m，工程效益明顯。

圖6 正陽關(guān)下泄流量過程Fig.6 Discharge processes of Zhengyangguan

圖7 正陽關(guān)水位過程Fig.7 Water level processes of Zhengyangguan

6 結(jié)論與展望

基于河道水流運(yùn)動(dòng)特征，建立了洪河口至小柳巷段河道一、二維耦合水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，并對(duì)模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證。探討了淮河中游行蓄洪區(qū)和分洪河道的調(diào)度原則，針對(duì)2003年型洪水，在現(xiàn)狀和規(guī)劃工況條件下，對(duì)淮河中游行蓄洪區(qū)和分洪河道進(jìn)行了聯(lián)合調(diào)度計(jì)算，得出以下主要結(jié)論。

(1) 在現(xiàn)狀條件下，方案5啟用了蒙洼、南潤(rùn)段和邱家湖蓄洪區(qū)，姜唐湖、上下六方堤和荊山湖行洪區(qū)，以及茨淮新河和懷洪新河，與實(shí)際調(diào)度啟用行蓄洪區(qū)和分洪河道數(shù)量相當(dāng)。但是方案5的洪峰水位更低、高水位歷時(shí)更短、調(diào)度效果更好，表明2003年洪水調(diào)度具有一定的優(yōu)化空間。

(2) 在規(guī)劃條件下，僅啟用蒙洼蓄洪區(qū)和姜唐湖行洪區(qū)，就可以使除潤(rùn)河集以外其他測(cè)站水位低于保證水位，說明淮河干流行蓄洪區(qū)調(diào)整和河道整治工程效果是顯著的。

(3) 基于先分洪，后行洪，再蓄洪調(diào)度思路，針對(duì)不同超保證水位河段，依次啟用本河段、上游河段和下游河段的分洪措施，調(diào)度效果較優(yōu)，且行洪區(qū)適當(dāng)提前分洪更有利于洪水下泄。

本文所探討的行蓄洪區(qū)和分洪河道洪水調(diào)度原則在2003年洪水模擬調(diào)度中取得了較好的效果，鑒于淮河中游地區(qū)洪水組成的復(fù)雜性，該原則的普遍適應(yīng)性需要采用更多場(chǎng)次洪水進(jìn)行檢驗(yàn)和優(yōu)化。