沂沭河上游水庫群補償調度能力研究

張鳳翔，馬 瑩，趙艷紅，鐘平安

(1.淮河水利委員會沂沭泗水利管理局，江蘇 徐州 221018；2.河海大學水文水資源學院，江蘇南京 210098)

0 引 言

沂河、沭河均為山區性河道，洪水峰高流急，上游水庫的調度運用對沂沭河防洪安全影響較大。由于沂沭河控制斷面的洪水由區間來水和水庫放水兩部分組成，且區間來水是不可控的。因此，通過上游水庫群補償調度，可使得各水庫泄流和區間來水過程在防洪控制斷面疊加所形成的洪峰最小。國汛[2005]8號《沂沭泗河洪水調度方案》對沂沭泗河大型水庫的運用作了原則性規定，要求跋山、岸堤、許家崖、青峰嶺、陡山等水庫在沂沭河汛情緊張時，盡量為下游河道錯峰[1]。然而，對沂沭河上游水庫是否具有錯峰能力以及如何開展錯峰調度研究甚少，沂沭河上游水庫也均未實施錯峰補償調度。本文將沂沭河分成沂河與沭河兩部分進行研究，選取沂河臨沂站以上許家崖、岸堤、跋山、唐村、田莊5座大型水庫，沭河大官莊樞紐以上青峰嶺、陡山、沙溝、小仕陽4座大型水庫為研究對象，對水庫群基于汛限水位的補償能力進行分析，為水庫優化調度提供理論支撐。

1 沂沭河情況簡介

沂河、沭河是淮河流域沂沭泗水系的2條主要河道，均發源于淮河流域東北部的沂蒙山區，兩河相距20 km，平行南下。河流上游山區峰高坡陡，每逢暴雨，山洪暴發，沿程疊加，峰高流急，極易形成災害。沂沭河流域氣候特征介于黃淮之間，暴雨成因主要是黃淮氣旋、臺風及南北切變，長歷時降雨多數由切變線和低渦接連出現造成，降雨年際變化大，年內分布不均衡，洪水多發生在7月～9月[2]。

目前，沂沭河防洪工程體系主要由水庫、河湖堤防、控制性水閘、分洪河道及洪水應急處理區等組成，骨干河道中下游防洪標準基本達到50年一遇。沂河臨沂斷面以上有許家崖、岸堤、跋山、唐村、田莊等5座大型水庫。沭河大官莊斷面以上有青峰嶺水庫、陡山水庫、沙溝水庫、小仕陽水庫四座大型水庫。水庫基本情況見表1。

表1 沂沭河上游大型水庫基本情況

表2 沂河水庫調蓄作用分析成果

注：表中括號內數字為峰現時間。

2 水庫消峰效果分析

沂沭河水系興建了大量水庫、閘壩等工程，改變了水流的自然條件，實測洪水資料不能反映天然情況。本文采用馬斯京根法進行河道洪水演算[3]，對沂河臨沂、沭河大官莊天然洪水進行還原。通過對控制斷面洪水的還原可計算出水庫對各場次洪水的調蓄作用大小，一定程度上反映了水庫對以往洪水的錯峰補償效果。計算結果見表2、3。由于所研究的水庫興建于1959年以后，所以對1963年、1974年、1993年3年的洪水進行分析。

由表2可知，水庫對沂河臨沂斷面的削峰作用明顯。由表3可知，1963年、1974年水庫對大官莊斷面的削峰作用明顯；1993年由于水庫來水較小，大官莊洪峰主要由區間洪水形成，水庫對大官莊站的削峰作用不明顯。

本文采用洪峰貢獻率[4]來對比水庫的調蓄作用。洪峰貢獻率為洪峰出現時，水庫放水的流量占總洪峰流量的比例。有水庫狀態下的洪峰貢獻率相對于無水庫狀態下的洪峰貢獻率越小，說明水庫對洪水的調蓄作用越大，削峰補償的效果越好。各水庫洪峰貢獻率見表4、5。

表3 沭河水庫調蓄作用分析成果

注：表中括號內數字為峰現時間。

表4 沂河水庫調蓄作用對比

表5 沭河水庫調蓄作用對比

由表4、5可知，沂河岸堤水庫、跋山水庫調蓄作用較大，許家崖水庫調蓄作用相對較小，唐村水庫調蓄作用較差。沭河青峰嶺水庫、小仕陽水庫調蓄作用較大，陡山水庫調蓄作用相對較小。沂河和沭河的區間流量占總洪峰流量的比例很大。其中，臨沂所占比重45.24%～98.54%，大官莊所占比重45.50%～100.00%。

3 洪水同步性分析

3.1 遭遇度模型構建

本文采用遭遇度來衡量水庫入庫演算到控制斷面所形成的洪峰與區間洪水演算到控制斷面所形成的洪峰相遇的同步程度。遭遇度是反映將一場洪水各控制點洪水經過洪水演算至同一控制斷面后，洪峰出現重疊情況的一個指標，具體計算如

(1)

式中，r為遭遇度，0

3.2 洪峰同步性分析

(1)沂河洪峰同步性分析。沂河洪峰同步性分析主要考慮岸堤、跋山、許家崖3座水庫入庫洪水演算到臨沂所形成的洪峰與臨沂以上區間洪水的洪峰遭遇度，以及各水庫洪峰之間的遭遇度。唐村水庫由于集水面積小，演算到臨沂的洪峰非常小，相比臨沂的洪峰流量可忽略不計，沂河洪峰同步性分析不予考慮。計算結果見表6。由表6可知，沂河1963年洪水、1993年洪水岸堤水庫與跋山水庫遭遇度均大于0.5，所以沂河應考慮將岸堤水庫、跋山水庫進行聯合調度，將2水庫洪水錯峰。沂河1963年洪水岸堤水庫、許家崖水庫與區間洪水遭遇度大于0.500，1974年洪水許家崖水庫與區間洪水遭遇度大于0.500，1993年洪水許家崖水庫與區間洪水遭遇度大于0.500，應考慮水庫與區間的錯峰。

表6 沂河上游水庫與控制節點洪峰遭遇度計算結果

注：岸堤、跋山、許家崖指的是岸堤、跋山、許家崖水庫入庫流量演算至臨沂的洪水過程；大區間指的是臨沂以上除了水庫集水面積外的大區間；臨沂天然洪水指的是無水庫情況下臨沂的天然洪水。

表8 沂沭河洪水遭遇度計算

(2)沭河洪峰同步性分析。沭河洪峰同步性分析主要考慮青峰嶺、小仕陽、陡山3座水庫入庫洪水演算到大官莊所形成的洪峰與大官莊以上區間洪水的洪峰遭遇度，以及各水庫洪峰之間的遭遇度。1993年小仕陽水庫來水很小，沭河洪峰同步性分析不予考慮。計算結果見表7。由表7可知，沭河1974年洪水青峰嶺水庫與小仕陽水庫遭遇度大于0.500，所以沭河應考慮將青峰嶺水庫與小仕陽水庫進行聯合調度，將兩水庫洪水錯峰。沭河1963年洪水青峰嶺水庫、小仕陽水庫與區間洪水遭遇度大于0.500，1974年洪水青峰嶺水庫、小仕陽水庫、陡山水庫與區間洪水遭遇度大于0.500，1993年洪水各水庫與區間洪水不遭遇，應考慮水庫與區間的錯峰。

表7 沭河各水庫與各控制節點洪峰遭遇度計算結果

注：青峰嶺、小仕陽、陡山指的是青峰嶺、小仕陽、陡山水庫入庫流量演算至大官莊的洪水過程；大區間指的是大官莊以上除了水庫集水面積外的大區間；大官莊天然洪水指的是無水庫情況下大官莊的的天然洪水。

(3)沂河、沭河洪峰遭遇度分析。沂河、沭河的洪峰同步性主要考慮臨沂洪峰與大官莊洪峰的同步性。計算結果見表8。由表8可知，沂河、沭河除1993年洪水遭遇度大于0.500外，其余6場洪水遭遇度均小于0.500，可知2條河流洪水洪峰遭遇的概率為較小(P=14.3%)。

3.3 沂河、沭河洪水量級同步性分析

洪水量級的大小通過徑流深反映[5]。沂河、沭河洪水量級同步性分析選取臨沂和大官莊兩個控制斷面7場歷史大洪水數據，洪量均取2日洪量。計算結果見表9。

表9 沂沭河洪水量級計算結果 mm

由表9可知，除1974年以外，沂河臨沂站來水均遠大于沭河大官莊站來水；因此，沂河的防洪任務重于沭河，應著重考慮沂河上游水庫對臨沂站的錯峰補償調度。

表10 沂河各場次洪水水庫補償調度結果

4 水庫群補償能力分析

4.1 補償調度模型建立

補償調度的目標為在保證水庫最高水位與調度期末水位約束的前提下，使防洪控制斷面的最大過水流量最小[6]。如圖1所示，水庫A至防洪區B的區間入流為QB(t)，B處的安全泄量為qB，為保證B處的防洪安全，則水庫A放水應滿足：qA(t)≤qB-Q區(t-τ)，τ為區間來水匯集到B的匯流時間與水庫放水傳播到B的傳播時間之差。

當τ>0或τ+t預≥0時(t預為洪水預報的預見期)，可以實施完全補償調節，使B斷面泄量控制為qB；當τ<0或τ+t預≤0時，可以結合預報預見期實施錯峰調度。

圖1 水庫群補償調度示意

約束條件：

(1)水庫最高水位約束為Zt≤Zm(t)，Zt為t時刻水庫水位，Zm(t)為t時刻容許最高水位。

(2)調度期末水位約束為Zend=Ze，Zend為調度期末計算的庫水位，Ze為調度期末的控制水位。

(3)水庫泄流能力約束為qt≤q(Zt)，qt為t時刻的下泄量，q(Zt)為t時刻相應于水位Zt的下泄能力。

(4)出庫變幅約束為|qt-qt-1|≤qm|qt-qt-1|為相鄰時段出庫流量的變幅，qm為相鄰時段出庫流量變幅的容許值。

4.2 基于汛限水位起調的補償調度

選取1963年、1974年、1993年典型洪水計算水庫補償潛力，將所有水庫的起調水位統一設為汛限水位，把水庫的防洪高水位設為控制水位，只要水庫調度期最高水位不超過防洪高水位，水庫不放水，盡可能為區間洪水錯峰。根據補償調度模型對選取年洪水進行錯峰調度。計算結果見表10、11。

由表10、11可知，除1963071821號洪水岸堤水庫、跋山水庫、小仕陽水庫放水，1974081306號洪水跋山水庫、青峰嶺水庫、小仕陽水庫、陡山水庫放水，1993080419號洪水許家崖水庫放水外，其余洪水各水庫均可不放水。對于水庫放水的情況，可進行水庫錯峰調度，使得水庫放水在臨沂、大官莊處的峰現時間與區間洪水在臨沂、大官莊處的峰現時間錯開。

表11 沭河各場洪水各水庫補償調度結果

沂河臨沂站、沭河大官莊站洪峰出現時，各水庫基于汛限水位補償調度放水的流量見表12、13。

表12 沂河上游水庫錯峰補償調度效果分析

由表12、13可知：對于沂河臨沂站天然洪水不超過12 500 m3/s、沭河大官莊站天然洪水不超過2 000 m3/s的情況，各水庫起調水位只要為汛限水位，水庫在不放水的情況下洪水期的最高水位也不會超過防洪高水位，各水庫可攔蓄洪水期來水為下游河道控制斷面錯峰。對于臨沂站天然洪水超過12 500 m3/s，大官莊站天然洪水超過2 000 m3/s的情況，通過補償調度，各水庫出庫洪峰與控制斷面洪峰錯開，對控制斷面的削峰效果很明顯。

表13 沭河上游水庫錯峰補償調度效果分析

5 結論與建議

(1)沂河水庫群對臨沂斷面削峰作用明顯，岸堤水庫、跋山水庫補償能力較大，許家崖水庫也具有一定的補償能力，唐村水庫由于本身集水面積較小且防洪庫容較小所以基本上不具有補償能力。建議沂河水庫群聯合調度只考慮岸堤、跋山、許家崖3座水庫的聯合調度。

(2)沭河水庫群對大官莊斷面削峰作用明顯，青峰嶺水庫、陡山水庫補償能力較大，小仕陽水庫具有一定的補償能力，建議沭河水庫群聯合調度考慮青峰嶺、小仕陽、陡山3座水庫的聯合調度。

(3)本文水庫群補償能力分析是基于汛限水位作為起調水位進行分析，未考慮水庫預泄。隨著水文氣象預報水平的不斷提高和水雨情遙測系統的不斷完善，可在汛限水位的基礎上考慮預報預泄的水庫群補償調度，在洪水到來之前通過水庫預泄騰庫迎接洪水，降低水庫的起調水位。