基于水動力模型的花園湖行洪區(qū)優(yōu)化調(diào)度研究

馬嬌嬌，李瑞杰，宋昊明，譚炳卿，李 奎

（1.中工武大設(shè)計研究有限公司安徽分公司，安徽合肥230000；2.中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司，安徽合肥230601；3.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥230009）

淮河干流行蓄洪區(qū)在防洪體系中發(fā)揮著重要作用，運(yùn)用后能夠有效降低河道洪水位、減輕上下河段防洪壓力。但隨著區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口密度增加，淮河干流行蓄洪區(qū)在歷年的洪水調(diào)度中運(yùn)用困難，大多數(shù)行蓄洪區(qū)都存在超指標(biāo)運(yùn)用或超指標(biāo)仍未啟用的情況，一定程度上影響了行蓄洪時機(jī)。為充分發(fā)揮行蓄洪區(qū)的作用，2008年開始實施《淮河行蓄洪區(qū)調(diào)整規(guī)劃（修訂）》。其中淮河干流蚌埠至浮山段原有4處行洪區(qū)進(jìn)行調(diào)整：方邱湖改為防洪保護(hù)區(qū)，區(qū)內(nèi)開挖分洪道；臨北段退堤后改為防洪保護(hù)區(qū)；香浮段局部退堤后改為防洪保護(hù)區(qū)；花園湖局部退堤并建進(jìn)、退水閘，改為有閘控制的行洪區(qū)。蚌埠至浮山段河道及行洪區(qū)平面示意見圖1。通過規(guī)劃調(diào)整，減少了淮河干流上的行洪區(qū)，擴(kuò)大了河道灘槽泄量，提高行洪區(qū)啟用標(biāo)準(zhǔn)，保證行洪區(qū)行洪效果。調(diào)整規(guī)劃中部分工程已實施完成，為更好地發(fā)揮行蓄洪效果，研究制定規(guī)劃實施后花園湖行洪區(qū)調(diào)度運(yùn)用方案具有重要意義。

圖1 蚌埠至浮山段河道及行洪區(qū)

1 洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型

淮河中游河勢較為復(fù)雜，有單一河道、行洪區(qū)和湖泊。水動力模型研究范圍為淮河干流蚌埠至浮山段，規(guī)劃實施后該河段包括花園湖行洪區(qū)，整個河段形成由河道和行洪區(qū)組成的復(fù)雜河網(wǎng)水系。干流河道建立河網(wǎng)一維模型，行洪區(qū)建立平面二維模型，通過對一、二維模型的耦合，將干流河道與行洪區(qū)進(jìn)行連接，對干流河道向行洪區(qū)分洪及行洪區(qū)向河道退水的洪水演進(jìn)情況進(jìn)行模擬，建立行洪區(qū)不同啟用條件下的水位—流量關(guān)系，從而對調(diào)整規(guī)劃實施后行洪區(qū)啟用條件進(jìn)行合理性分析及優(yōu)化。

1.1 河道一維水動力模型

1.1.1 模型構(gòu)建

一維河網(wǎng)模型以蚌埠至浮山段河道為計算范圍，經(jīng)概化后河網(wǎng)總長93.3 km，斷面數(shù)據(jù)采用吳家渡至浮山段規(guī)劃河道斷面資料，共設(shè)置斷面443個，斷面間距為200～450 m。計算邊界選取吳家渡為上邊界，并且給定吳家渡1954年型100 a一遇還原洪水流量過程線；浮山為下邊界，同時給定浮山站歷年實測水位—流量關(guān)系，當(dāng)淮河干流流量為13 000 m3/s時，浮山達(dá)到設(shè)計水位18.5 m。

行洪區(qū)進(jìn)、退洪閘閘門處分別設(shè)置2個分叉河道，用于模擬干流河道向行洪區(qū)內(nèi)進(jìn)洪以及行洪區(qū)向干流河道退洪的過程。閘門類型設(shè)置為底流，并且均以“時間”作為閘門控制方式，給定一個時間序列。此種方式能夠較好地控制閘門開啟的時間及速度，更加精確地模擬閘門的進(jìn)洪及退洪情況。

該河段沿程分布的水文站見圖2，圖中使用1954北京平面坐標(biāo)系（下同）。

圖2 淮河干流蚌埠—浮山段水文站分布

1.1.2 參數(shù)確定

模型參數(shù)的選取直接影響模型的模擬精度，河道糙率是建立水動力模型的重要參數(shù)，對計算結(jié)果影響較大，需以實測水文數(shù)據(jù)進(jìn)行率定驗證。模型參數(shù)選取參考相關(guān)研究成果［1］，并以典型年2007年實測洪水過程進(jìn)行驗證計算。通過選取沿程4個測站的計算水位過程線，與實測水位過程進(jìn)行比較，以進(jìn)一步確定糙率取值。選取糙率值見表1，驗證計算的部分結(jié)果見圖3。

表1 蚌埠至浮山各河段糙率取值

由圖3可知，沿程各測站水位計算值與實測值過程線的趨勢是一致的，能夠較好地反映2007年的洪水演進(jìn)過程，模型的模擬精度較高，能夠滿足計算需求。

圖3 2007年沿程測站水位實測值與計算值對比

1.2 花園湖行洪區(qū)二維水動力模型

二維水動力模型構(gòu)建主要是mesh文件的生成及花園湖參數(shù)、模擬時間和初始條件的確定。根據(jù)花園湖地形資料，由網(wǎng)格生成器生成花園湖mesh文件，網(wǎng)格邊長設(shè)置為100～200 m，共有約10 000個網(wǎng)格節(jié)點，能夠滿足模擬計算的需要。模擬時間步長60 s，時間步數(shù)86 400，計算時段與一維模型設(shè)置一致。初始條件中水面高程設(shè)置應(yīng)與一維模型中進(jìn)、退洪閘斷面高程及初始水位相協(xié)調(diào)。行洪區(qū)二維網(wǎng)格地形圖見圖4。

二維水動力模型的主要參數(shù)是花園湖行洪區(qū)糙率，由于該行洪區(qū)1956年以后未啟用過，缺乏實測水文資料，因此根據(jù)相關(guān)研究成果［1］以及本研究對花園湖二維模型的模擬計算，確定其糙率為0.04。

圖4 花園湖行洪區(qū)網(wǎng)格地形

1.3 Mike Flood模型耦合

通過對干流河道建立一維模型、花園湖行洪區(qū)建立二維模型，進(jìn)而用Mike Flood將一、二維模型進(jìn)行耦合，連接方式采用標(biāo)準(zhǔn)連接，將一系列二維網(wǎng)格單元連接到一維模型中，既能夠提高模擬精度和可靠性，又可以發(fā)揮一維模型快速方便的特點。一、二維模型耦合概化見圖5。

圖5 研究區(qū)地形及河網(wǎng)一、二維耦合概化

2 規(guī)劃實施后花園湖行洪區(qū)優(yōu)化調(diào)度研究

2.1 調(diào)度方案選取

行洪區(qū)啟用時機(jī)與方式對于其附近河道的水位、流量有較大的影響。花園湖行洪區(qū)的運(yùn)用把控制站臨淮關(guān)水位作為啟用條件，為了對規(guī)劃提出的啟用條件進(jìn)行合理性分析以及進(jìn)一步優(yōu)化，采用3種啟用水位，分別是規(guī)劃提出的21.1 m以及21.1 m±0.5 m；采用2種啟用方式，模擬不同啟用條件下的洪水演進(jìn)過程。其中“先開啟進(jìn)洪閘，再開啟退洪閘”的方式是進(jìn)洪閘開啟后，待行洪區(qū)內(nèi)退洪閘處水位與退洪閘附近的干流河道水位一致時再開啟退洪閘。不同組合情況下的花園湖行洪區(qū)調(diào)度方案見表2。

表2 花園湖行洪區(qū)調(diào)度方案

2.2 不同運(yùn)用方案效果分析

在遭遇100 a一遇洪水情況下，按照不同啟用時機(jī)及啟用方式模擬河道及花園湖行洪區(qū)的洪水演進(jìn)過程，對不同啟用條件下行洪效果進(jìn)行分析。各站計算水位過程線見圖6～圖8，行洪區(qū)啟用后沿程測站計算峰值水位見表3。

表3 規(guī)劃條件下行洪區(qū)不同調(diào)度方案計算峰值水位 m

由表3計算結(jié)果可以看出，方案三以臨淮關(guān)水位到達(dá)21.60 m作為行洪區(qū)啟用條件，開始進(jìn)洪時，臨淮關(guān)水位已接近洪峰，削峰效果比其他兩種方案弱，洪峰水位較高。而采用方案一、二的啟用條件對干流河道洪峰影響相同，其原因是方案一、二兩種不同的啟用條件對應(yīng)進(jìn)洪閘啟用的時間分別是7月11日8：00、7月12日14：00，時間較為接近，兩種不同啟用時機(jī)對洪水過程的影響僅在行洪區(qū)啟用初期差異較大，對洪峰水位的影響逐漸趨于相同。由于閘門啟用方式相對于啟用時機(jī)，對河道水位影響較小，且不同啟用方式之間的差異在閘門啟用初期較為明顯，因此在方案一和方案二啟用條件下兩種啟用方式沿程測站的洪峰水位相同。

2.3 調(diào)度運(yùn)用方案的優(yōu)化研究

2.3.1 啟用方式分析

根據(jù)模擬計算結(jié)果，按照臨淮關(guān)水位達(dá)20.6、21.1 m時啟用花園湖行洪區(qū)，兩種啟用方式對沿程測站洪峰水位的影響相同，故進(jìn)一步分析各站洪峰水位歷時情況，以確定閘門最佳啟用方式。按照規(guī)劃提出的啟用水位即臨淮關(guān)水位達(dá)21.1 m時啟用，由圖9～圖11可以看出，以進(jìn)、退洪閘同時啟用的方案開啟閘門時沿程各站洪峰水位的歷時較短。同樣，按照臨淮關(guān)水位達(dá)20.6 m時啟用行洪區(qū)，經(jīng)分析采用進(jìn)、退洪閘同時開啟的方式時各站洪峰水位的歷時較短。而按照臨淮關(guān)水位達(dá)21.6 m時啟用花園湖，方案一相對于方案二，沿程各站洪峰水位較低。因此，在遭遇100 a一遇洪水時，淮河干流臨淮關(guān)水位到達(dá)規(guī)定啟用水位時，花園湖行洪區(qū)應(yīng)當(dāng)綜合考慮進(jìn)、退洪閘同時開啟的閘門調(diào)度方式，此方式行洪效果相對較好。

圖6 1954年型100 a一遇洪水各站計算水位過程線（方案一）

圖7 1954年型100 a一遇洪水各站計算水位過程線（方案二）

圖8 1954年型100 a一遇洪水各站計算水位過程線（方案三）

圖9 規(guī)劃條件下不同啟用方式吳家渡水位過程線

圖10 規(guī)劃條件下不同啟用方式臨淮關(guān)水位過程線

圖11 規(guī)劃條件下不同啟用方式浮山水位過程線

2.3.2 啟用時機(jī)分析

以方案三臨淮關(guān)水位達(dá)21.60 m作為行洪區(qū)啟用條件，行洪區(qū)運(yùn)用后干流河道各站洪峰水位相對較高。采用方案一、二的啟用條件對干流河道洪峰的影響相同，進(jìn)一步分析兩種不同啟用水位下各測站高水位歷時情況，對行洪區(qū)啟用時機(jī)進(jìn)一步優(yōu)化。吳家渡選取21.70 m和22.10 m作為超高水位歷時分析的水位，臨淮關(guān)選取20.30 m和20.90 m，浮山選取18.10 m和18.30 m。根據(jù)上述分析，以進(jìn)、退洪閘同時啟用的方式進(jìn)行閘門的調(diào)度運(yùn)用。

表4為各站超高水位歷時情況，在遭遇100 a一遇洪水時，按進(jìn)、退洪閘同時開啟的方式啟用花園湖行洪區(qū)，方案一相對于方案二超高水位歷時較短，行洪效果相對較好。

表4 規(guī)劃條件下行洪區(qū)不同調(diào)度方案各站超高水位歷時情況

3 結(jié) 語

對淮河干流河道建立一維模型，花園湖行洪區(qū)建立二維模型，通過耦合連接模擬100 a一遇洪水行洪區(qū)不同啟用條件下的洪水過程。在規(guī)劃河道條件下，利用典型年實測洪水過程對一維模型參數(shù)進(jìn)行率定驗證，模擬精度較高，模型可用于較復(fù)雜的洪水模擬計算。

研究結(jié)果表明，在規(guī)劃條件下，遭遇100 a一遇洪水時，花園湖行洪區(qū)按照臨淮關(guān)水位達(dá)20.60 m時啟用，并且以進(jìn)、退洪閘同時開啟的閘門調(diào)度方式運(yùn)用，行洪效果相對較好，能夠較好地發(fā)揮行洪區(qū)的作用。但本次調(diào)度方案的優(yōu)化研究未綜合考慮行洪區(qū)啟用后造成的經(jīng)濟(jì)損失、人員撤退轉(zhuǎn)移等，在制定行蓄洪區(qū)調(diào)度運(yùn)用方案時，應(yīng)當(dāng)充分考慮各方因素，處理好防洪與行蓄洪區(qū)發(fā)展的關(guān)系，使行蓄洪區(qū)受洪澇災(zāi)害的損失減少到最小。