淮河中游2003年型洪水調度探討

賁 鵬，虞邦義，倪 晉，陸海田

(安徽省(水利部淮河水利委員會)水利科學研究院 水利水資源安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230000)

淮河干流行蓄洪區分布在河道兩側，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]，其調度運用也是最復雜最棘手的問題，風險大、爭議多。

近年來，針對行蓄洪區啟用時機、方式和分洪影響等方面研究較多。如虞邦義等[2]對行洪區的行洪能力進行了研究，并詳細分析了影響行洪區能力的主要因素；夏冬梅等[3]研究了行洪區進退洪閘調度過程，提出行洪區啟用5個階段的蓄泄特征；何用等[4]研究了淮河中游行蓄洪區開啟方式和口門位置對分洪效果的影響；譚維炎、胡四一等[5-6]建立了長江干流、洞庭湖河網以及蓄洪圩垸模型，研究了防洪措施蓄泄效果和工程優化調度模式；倪晉仁等[7]建立了洪湖分蓄洪區模型，研究了洪湖分蓄洪區分洪過程和效果；艾小榆等[8]針對潖江蓄滯洪區調度運用方案，對適當延遲蓄洪區啟用時間的效果進行了評估；劉玉年、賁鵬等[9-11]采用一維、二維水動力數學模型對淮河中游王家壩至浮山段河道整治工程減災效益進行了評估。盡管研究成果較多，但關于淮河中游多行蓄洪區、分洪河道、大型水利樞紐等聯合調度的研究較少，尤其是中常洪水調度問題。而且在淮河中游實施大規模治理后，流域防洪格局發生了較大變化，對新形勢下各類防洪措施的協同調度尚無系統研究，工程效果無定量評估。所以研究淮河中游中小洪水演變規律，優化干支流河道、行蓄洪區以及分洪河道等防洪工程聯合調度是必要的。

本文基于一維、二維耦合水動力數學模型，在現狀工況和規劃工況兩種條件下，模擬了2003年型淮河洪水過程，分析了行蓄洪區與分洪河道聯合調度運用效果，優化了行蓄洪區啟用數量、順序及組合方式，提出了2003年型洪水下淮河中游行蓄洪區和分洪河道的聯合調度方案。分析成果為淮河中常洪水(10～20 a一遇洪水，需要啟用行蓄洪區等防洪措施)調度提供了預案，對流域洪水調度具有借鑒意義。

1 研究區概況

淮河中游防洪減災體系主要由水庫、臨淮崗洪水控制工程、河道堤防、行蓄洪區、分洪河道、調蓄湖泊等組成，洪水調度主要是由上述部分組成的聯合調度，其中行蓄洪區和分洪河道的調度尤為關鍵，是淮河中游洪水調度的重點和難點。截至2010年，淮河干流有行蓄洪區21處，其中蓄洪區4處，行洪區17處，淮河干流洪河口至浮山段行蓄洪區、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采用口門行洪(破堤行洪)，還難以對其做到及時有效運用，需要進行調整。按規劃調整后，淮河干流行洪區減少至6處，各行洪區均建閘控制，啟用標準將提高[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，高水位持續時間長，干流兩岸經常“關門淹”。 淮河左岸支流多數為平原河道，洪水過程平緩。淮河右岸支流為山丘區河流，河道比降大，易形成尖瘦型洪水過程。

2000年之后，淮河流域進入了一個洪水多發期，2003，2005，2007年淮河中游均發生超保證水位洪水。2003年，淮河上游、史灌河、淠河、洪汝河、沙潁河和渦河等均發生洪水，干支流洪水并發[12-13]，淮河干流全線超過警戒水位，王家壩至魯臺子段超保證水位，部分河段超歷史最高水位。淮河干流實際調度啟用了邱家湖、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，蒙洼和城東湖蓄洪區，以及茨淮新河、懷洪新河來蓄滯和分泄洪水。防洪工程調度有效地減輕了洪水災害，但嚴重的洪澇仍造成沿淮385萬hm2農田被淹，受災人口3 730萬人，直接經濟損失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，在中常洪水中具有較強的代表性。研究2003年型洪水調度，對淮河中游中常洪水調度具有指導意義。

3 水動力數學模型簡介

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、二維耦合水動力數學模型[15]。

3.1 控制方程組

3.1.1一維水動力數學模型

一維水動力模型的控制方程為Saint Venant方程組，采用Abbott六點隱格式進行求解[16]。

連續方程：

(1)

動量方程：

(2)

式中：Q為流量；Z為水位；t為時間；A為過水斷面的面積；B為水面寬度；q*為旁側入流流量；K為流量模數。

3.1.2二維水動力數學模型

對用Navier-Stokes方程沿水深進行積分，可得平面二維淺水水流控制方程。模型采用模型非結構網格，利用有限體積法對方程進行求解[17]。

連續方程：

(3)

動量方程：

(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方向的水流紊動黏性系數；τbx和τby為x，y方向的底部摩阻；f為科氏力，f=2ωsinφ，ω為地球自轉角速度，φ為計算水域的地理緯度；τsx和τsy分別為風對自由表面x，y方向的剪切力。

3.2 計算條件及參數

3.2.1計算范圍與邊界

計算區域包括洪河口至小柳巷段淮河干流、支流、行蓄洪區及生產圩區。淮河干支流采用一維模型計算；行蓄洪區和生產圩區采用平面二維模型計算。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測流量過程，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測出流過程，淮河干流浮山給定實測水位過程。

3.2.2模型主要參數

為了滿足計算時間和精度的要求，一維模型空間步長取100～500 m，二維模型空間步長取100～300 m，局部地形進行加密處理；時間步長為3 s。河道主槽糙率為0.021～0.026，河道灘地糙率為0.032～0.040，行洪區及生產圩區糙率為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 模型驗證

2005年和2008年淮河洪水，淮河干支流行蓄洪區和分洪河道均未啟用，可以用來驗證河道主槽和灘地糙率；2003年和2007年淮河洪水為中常洪水，可以對分洪河道、行蓄洪區、生產圩區等糙率及模型連接等進行驗證。水位驗證的主要站點為王家壩、潤河集、正陽關、田家庵、吳家渡等25個水位點；流量驗證的主要站點為潤河集、魯臺子、吳家渡、小柳巷等。水位和流量主要驗證節點的計算值與實測值比較如表2～3所列，部分測站2003年和2007年計算洪水過程與實測洪水過程比較如圖2～3所示。

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

表2 洪峰流量驗證結果Tab.2 Verification results of flood peak flow

各測站計算水位過程與實測過程一致性良好，沿程各站洪峰計算與實測水位差值基本在5～10 cm以內，洪峰計算與實測流量差值基本在5%以內。因此，模型較好地模擬了洪河口至小柳巷段水流運動情況，模型概化合理，率定參數準確，計算精度較高，可以滿足洪水調度的需要。

5 調度方案計算與分析

調度計算分析主要有現狀和規劃兩種工況。現狀工況是指采用2013年的最新河道地形資料，并考慮此期間已實施的石姚段和洛河洼行洪區退建等治理工程；規劃工況是指在現狀河道地形的基礎上，正陽關至小柳巷段行蓄洪區調整與河道整治工程全部實施完成[1]。

5.1 邊界條件

2003年洪水調度計算的模型邊界：淮河干流、支流和人工新河的入流邊界均見3.2節，采用實測或還原資料；出流邊界浮山給定水位流量關系。

5.2 調度原則探討

本段河道支流多且入匯流量大，不同河段洪量差別大，各分洪措施對上下游河道影響程度和范圍有限，相鄰行蓄洪區分洪效果也不相同，不同河段洪水調度具有不同特點。根據干支流不同河段洪水演進規律及匯流特性，研究了單個行蓄洪區和分洪河道分洪對上下游河道洪水影響值與范圍，以及行蓄洪區在防洪布局中定位和重要性差別。結合2003年洪水調度方案結果，初步提出淮河中游行蓄洪區和分洪河道的總體調度原則如下：針對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；并結合先分洪，后行洪，再蓄洪實施調度；行洪區適當提前分洪更有利于洪水下泄。

表3 水位驗證結果Tab.3 Verification results of water level m

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

5.3 基于現狀條件的調度分析

在現狀河道地形條件下，若不啟用行蓄洪區和分洪河道，淮河干流沿程全部超保證水位。根據上述調度原則，初步擬定調度方案1：啟用茨淮新河和懷洪新河，王家壩至潤河集段啟用蒙洼蓄洪區，潤河集至正陽關段啟用姜唐湖行洪區，正陽關至蚌埠段啟用上下六方堤和荊山湖行洪區。根據以上調度計算結果確定是否啟用其他行蓄洪區，進而擬定不同的調度方案，計算成果如表4所列。

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

注：王家壩、潤河集、正陽關、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，h。

表4表明：方案4和方案5對淮河干流沿程水位的調度效果相當，優于方案2和方案3，其中正陽關下泄流量過程如圖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，在各方案中啟用行蓄洪區的數量最少，但是導致蒙洼蓄洪區蓄滿，若王家壩再次出現超保證水位的洪水過程，其他行蓄洪區無法快速有效地降低王家壩水位；方案5啟用南潤段和邱家湖蓄洪區，啟用行蓄洪區的數量最多，但是這兩個蓄洪區的庫容均較小，并且保留了蒙洼、城東湖蓄洪區部分庫容，從而可以更好的防御下一場次洪水。

圖4 正陽關下泄流量過程Fig.4 Discharge process of Zhengyangguan

圖5 正陽關水位過程Fig.5 Water level processes of Zhengyangguan

2003年洪水實際調度和模擬調度方案2至方案5啟用的行蓄洪區和分洪河道數量相當，均有效降低了淮河干流水位和減少了高水位歷時。但模擬調度方案的沿程計算水位均低于實測水位，且在保證水位以下，高水位歷時也顯著少于實際調度，其原因是：① 2003年洪水實際調度中，各行洪區均為破堤行洪，口門寬度小，實際行洪效果差，而方案調度的各分洪措施均擬定為及時充分行洪；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調整等。

5.4 基于規劃條件的調度分析

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

表5 規劃條件下2003年型洪水調度計算成果Tab.5 Calculation results of flood regulation in 2003 under planning conditions

注：()為超保證水位歷時，h。

由圖6和圖7可以看出：規劃條件下不啟用行蓄洪區和分洪河道方案，正陽關計算流量大于實測流量，計算水位低于實測水位，說明淮河干流行洪區調整與建設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，正陽關規劃計算水位較現狀計算值下降了1.11 m，工程效益明顯。

圖6 正陽關下泄流量過程Fig.6 Discharge processes of Zhengyangguan

圖7 正陽關水位過程Fig.7 Water level processes of Zhengyangguan

6 結論與展望

基于河道水流運動特征，建立了洪河口至小柳巷段河道一、二維耦合水動力數學模型，并對模型進行率定和驗證。探討了淮河中游行蓄洪區和分洪河道的調度原則，針對2003年型洪水，在現狀和規劃工況條件下，對淮河中游行蓄洪區和分洪河道進行了聯合調度計算，得出以下主要結論。

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

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

(3) 基于先分洪，后行洪，再蓄洪調度思路，針對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，調度效果較優，且行洪區適當提前分洪更有利于洪水下泄。

本文所探討的行蓄洪區和分洪河道洪水調度原則在2003年洪水模擬調度中取得了較好的效果，鑒于淮河中游地區洪水組成的復雜性，該原則的普遍適應性需要采用更多場次洪水進行檢驗和優化。