平原河道閘壩群洪水資源聯合調度研究

張 濤，張靈真，喬友剛，任傳棟

（山東省水利勘測設計院，濟南 250013）

我國北方干旱地區平原河道多具有防洪除澇、輸水灌溉、生態蓄水等多種功能作用，由于平原區地勢平坦、人口分布密集，以及土地開發程度高等原因，不易興建水庫攔蓄工程，洪水資源利用主要以攔河閘壩蓄水利用為主；由于河道徑流主要集中在汛期，通常洪水歷時短、峰高量大，面臨著洪水資源利用難度大，而又存在非汛期缺水斷流、生態惡化等問題。目前針對水庫單庫及庫群的洪水資源優化調度取得了較多的研究成果［1，2］；對于河道閘壩群聯合調度，張永勇［3］等采用SWAT 水文模型研究了淮河流域閘壩間水量水質調度，左其亭［4］等以淮河流域沙潁河為對象提出了閘壩群實時防污調控優化模型，水力計算常采用一維非恒定流模型［5-7］，能較好地用于復雜河網水系的水動力模擬。本文以山東省魯北平原河道徒駭河為例，根據洪水規律及水利工程特點，研究水閘、橡膠壩梯級閘壩聯合蓄水調度，在滿足防洪除澇安全、生態流量要求、洪水利用率限制等約束條件下，盡量攔蓄洪水資源，增加河道內生態用水，以及向河道外沿線區域提供農業、生態環境等用水，為地區可持續發展提供資源支撐。

1 流域基本情況

（1）流域概況。徒駭河是海河流域南部一條具有防洪、除澇、灌溉等功能的大型河道，南依黃河、金堤河大堤，北接馬頰河、德惠新河流域。該河起源于河南省南樂縣，于山東省沾化縣入渤海，河道全長436.35 km，流域面積13 918.7 km2，其中山東省境內河道長406 km，流域面積13 312.7 km2。徒駭河流域面積在300 km2以上的有趙牛新河、老趙牛河、土馬沙河、秦口河、新金線河、趙王河、上四新河、西新河、七里河、葦河、沙河等11條（見圖1）。

圖1 河道閘壩示意圖Fig.1 Schematic diagram of river gate and dam

（2）水文水資源。根據徒駭河流域雨量站1951-2013年共63年的降水資料進行統計分析，流域多年平均年降水量581.1 mm，流域天然徑流量5.92 億m3。實測徑流量年內分配與降水量年內分配一致，都集中于汛期6-9月，根據控制站分析，汛期多年平均徑流量占多年平均徑流量的67.0%（劉橋閘）～80.5%（堡集閘）。

（3）干流調蓄工程。徒駭河干流山東省境內有閘壩19 座，設計總蓄水量1.59 億m3，扣除閘壩間的重復庫容，閘壩有效總庫容為1.067 億m3。

徒駭河流域人口密集，是魯北引黃灌溉農業大區，水資源十分缺乏［8］，區內地下水開發現狀已接近地下水用水總量控制指標上限，局部地區存在地下水超采現象，城鎮生活、工業擠占農業、生態用水問題較為突出。

2 河道閘壩群聯合蓄水調度模型

2.1 洪水調度特點

（1）河道功能多樣性。平原河道通常承擔防洪、除澇、輸水、灌溉等多種功能，同時還承擔河道自身生態補水功能，用水戶包括河道外沿線的農業、生活、工業及生態用水。

（2）閘壩管理復雜性。大中型河道梯級閘壩管理權限分屬通常較復雜，一般閘壩通常由縣級水利單位管轄，大型閘壩、邊界閘壩由地市或省級水利部門管轄，閘壩群調度存在調度不通暢、管理不協調問題，因此，流域洪水資源利用需要統管協調，爭取全局最大利益。

（3）洪水調度時效性。在保證防洪安全的前提下攔蓄洪水徑流，由于北方季節性河道汛期洪水通常歷時較短，同時受徑流過程、工程調度等因素的不確定性影響，實時調度注重時效性。

2.2 調度運用原則

在保證河道及流域防洪安全的基礎上，實施閘壩群聯合調度，盡可能攔蓄洪水資源，提高區域水資源調配能力。

（1）洪水預報。結合水文氣象預報系統判定未來降雨及洪水發展趨勢，決定是否需要蓄水，避免再次遭遇大洪水而進行反復的閘門控制。合理選擇預蓄時機，避免過早或過晚蓄水。近年來該區域24 h 晴雨氣象預報準確率在88%左右［9］，短時臨近暴雨預警準確率達89%左右，為調度決策、操作實施等提供了準備時間。

（2）洪水調度原則。在洪峰之前的漲洪階段閘壩應全部敞泄，保持行洪通暢。在洪峰之后的退洪階段，分為行洪敞泄、蓄洪控泄兩個階段，在退洪初期當流量高于警戒流量時，閘壩宜全部敞泄；在退洪中期或末期，流量低于警戒流量時，可啟用閘壩蓄水并滿足下泄生態基流要求，當閘上水位達到設計蓄水位時，則按洪水來多少泄多少控制。

（3）閘壩群蓄水秩序。遵循“上游先蓄、下游后蓄”的閘壩群上下游蓄水原則，上游、中游閘壩在基本滿足下泄生態水量的前提下，在退水階段多攔蓄雨洪資源，避免洪水末期由于流量過小難以蓄滿水量，浪費洪水資源；下游閘壩在退水初期及中期階段宜保持行洪通暢以下泄洪水，在退水末期階段盡可能攔蓄洪水。

2.3 約束條件

（1）蓄洪控制水位Zi。在保證河道防洪安全的前提下，避免聯合蓄水可能給河道帶來不確定性洪災風險，第i個閘壩的蓄洪控制水位按蓄水位與除澇水位的小值控制：

式中：hi，蓄為閘壩設計蓄水位；hi，澇為閘壩設計除澇水位。

（2）蓄水時機Ti，蓄。考慮洪水過程不確定性，在退洪階段當來水流量Qi(t)低于警戒流量考慮啟動閘壩蓄水：

式中：Ti，峰為峰現時間；ΔT為峰后滯時，考慮洪水過程不確定性影響，需在洪峰過后某一時段后啟用蓄水；Qi，警為警戒流量，一般取除澇流量。

（3）蓄洪下泄流量qi(t)。蓄洪階段內閘壩按生態流量控泄，蓄滿后按來多少泄多少控制，避免形成人造洪峰：

式中：hi(t)為t時刻河道水位；Qi，生河道閘壩斷面處的生態流量。

（4）洪水利用率。考慮洪水期間的沖沙、沖淤、生態等需水要求，洪水資源利用率控制在合理范圍內。參考相關成果，缺水地區水資源開發利用率維持在60%～70%［10］，本次洪水資源資源利用率上限取60%。

2.4 水力計算方法

（1）河道水力計算。采用圣維南方程［11］進行河道一維非恒定流水力計算，其連續方程按照質量守恒原理，運動方程按照動量守恒原理。

式中：A為河道過水面積；Q為流量；u為側向流在河道方向的流速；t為時間；x為沿水流方向的水平坐標；q為河道的側向流量；α為動量修正系數；g為重力加速度；y為水位；Sf為摩阻坡降。

（2）閘壩過流計算。對于敞泄水閘及橡膠壩采用堰流公式［12，13］計算流量：

式中：m為流量系數；σc為側向收縮系數；σs為淹沒系數；B為堰頂寬度；H1為包括行近流速的堰前水頭。

對于控泄平板底孔閘門，淹沒狀態下的閘孔出流采用近似公式計算：

式中：μ為考慮閘門開度影響的有效流量系數；B為水閘過水總寬度；he為閘門開啟高度；H1為包括行近流速的閘前水頭；H2為閘下水頭，當為自由出流時，H2=heε，其中ε為垂向收縮系數。

（3）閘壩水力迭代計算。當水閘（橡膠壩）上游水位抬高至設計蓄水位時，則按來水流量下泄，并保證閘（壩）上水位不超過設計蓄水位，采用迭代法試算閘門開啟高度（壩袋擋水高度）。對于橡膠壩則適當降低壩頂高程；對于底孔閘則加大閘門開啟高度，直至敞泄狀態。根據壩址斷面流量及上游、下游河道水位，反算閘門開啟高度、壩袋擋水高度直至控制在誤差精度之內。閘壩每次啟閉開度按0.005 m 試算，水位精度控制在0.005 m 內，流量精度控制在0.05 m3/s 內。根據閘壩上游回水水位及壩址來水、下泄流量，采用水量平衡原理計算閘壩攔蓄水量。

3 實例計算

3.1 洪水選擇

（1）典型洪水選擇。對堡集閘1971-2012年年最大洪峰進行統計，典型豐枯年份選擇偏豐年1973年7月、平水年1984年7月、偏枯年1985年7月洪水，洪峰分別為665、480、251 m3/s，經驗頻率分別為27.9%、48.8%、72.1%。

（2）區間洪水。對于閘壩群調度，上游閘壩調度影響到干流下游洪水，一般情況下對區間洪水影響較小，因此，以主要支流區間洪水作為洪水輸入。根據主要支流分布情況，本次洪水源匯節點設置9個支流源匯節點，自上游至下游依次為起點（樁號11+300）、新金線河（樁號74+950）、趙王河（樁號106+320）、西新河（樁號125+950）、七里河（樁號156+320）、趙牛新河（樁號195+180）、老趙牛河（樁號223+690）、大寺河（樁號265+470）、沙河（樁號346+460）。198407號區間洪水詳見圖2。

圖2 198407號洪水區間洪水Fig.2 Region process on 198407 flood

3.2 約束參數

（1）梯級閘壩。沿線水閘14 座、橡膠壩5 座參與聯合調度，考慮蓄水位、除澇水位影響，洪水期間蓄水位不超過除澇水位，有效總庫容為1.017 億m3。

（2）生態流量。對王堤口閘、劉橋閘、宮家閘、堡集閘1970-2013年實測流量進行統計分析，汛期多年平均流量分別為6.3、16.0、26.4、49.3 m3/s。根據已知閘壩控制面積、平均流量，其他閘壩按照控制面積采用線性插值推求平均流量。河道生態流量采用tennant法［14，15］計算，洪水期間斷面生態流量按照汛期多年平均流量比例的30%～40%控制，各閘壩控制流量0.6～15 m3/s，水位、流量控制參數詳見表1。

表1 閘壩水位、生態流量控制參數及調算結果Tab.1 Adjust result and control parameters of water level and ecological flow

（3）蓄水時機。第一階段行洪控制，洪水洪峰前均按敞泄控制；第二階段蓄水控泄階段，在退水階段，且洪水流量小于除澇流量時開始蓄水；閘壩下泄流量不小于下游生態控制流量。

（4）河道斷面。徒駭河采用實測斷面資料，斷面間距500m左右；主河槽糙率為0.024，灘地糙率為0.04；河道末端起推水位按照入海河口潮水位控制。

3.3 調算結果

（1）調蓄過程分析。水閘、橡膠壩在滿足下泄生態基流的前提下，在退洪階段蓄水，河道斷面水位均不高于除澇水位，降低淹沒兩岸灘地風險。198407 典型洪水，昌東橡膠壩、宮家閘的閘下流量過程、閘上及閘下水位過程詳見圖3、4；溢流壩、底孔閘閘門控制過程詳見圖5。

圖3 198407號洪水典型溢流壩、底孔閘閘下流量過程Fig.3 Flow process under typical overflow dam and bottom sluice on 198407 flood

圖4 198407號洪水典型溢流壩、底孔閘閘上及閘下水位過程Fig.4 Level process above and below typical overflow dam and bottom sluice on 198407 flood

圖5 198407洪水典型溢流壩、底孔閘閘門控制過程Fig.5 Gate control process of typical overflow dam and bottom sluice on 198407 flood

調洪末時，1984年典型洪水徒駭河干流水面線詳見圖6。至洪水結束時，部分閘壩未蓄滿，原因一是洪水本身流量較小，不能滿足蓄水量要求，二是當達到蓄水位時，由于下放生態基流，同時來水較小，導致閘上水位有所下降。偏枯年、平水年、豐水年典型洪水閘壩庫容利用率分別為81.0%、94.7%、95.9%，干流來水為平水年及豐水年場次洪水時，閘壩庫容利用率在95%左右。

圖6 198407號洪水河道水面線Fig.6 River level process on 198407 flood

昌東橡膠壩、宮家閘漲洪階段流量過程與天然流量過程基本一致，退水階段流量過程均有所減小，主要是本級及上游閘壩對退洪階段流量過程進行了洪水調節。昌東橡膠壩在洪水第3日前后，最小下泄流量為生態控制流量3.8 m3/s，宮家閘在第5～7日前后，最小下泄流量為生態控制流量7.9 m3/s，其余時刻均大于生態控制流量。昌東壩、宮家閘天然洪水洪峰分別為93.9、226.9 m3/s，上游閘壩群聯合調度后的洪峰分別為90.3、215.5 m3/s，未形成人造洪峰，同時均略有減小。

（2）水量分析。經模型調算，典型場次洪水調算指標詳見表2。

表2 典型洪水調算結果Tab.2 Typical flood adjust result

平水年198407 號洪水，洪水總量為1.564 億m3，其中退洪階段洪量為1.323 億m3，閘壩調蓄水量為0.804 億m3，洪水資源利用率為51.4%。3場典型洪水調算洪水期間，洪水資源利用率均不超過60%，枯水年198507號洪水的洪水資源利用率為最大為58.6%，豐水年197307號洪水的洪水利用率為最小為36.1%，可見，隨著洪水量級越來越大，洪水利用率呈降低趨勢。

（3）模擬與實測蓄水對比。通過實施聯合調蓄，198507 號洪水、198407 號洪水、197307 號洪水，劉橋閘、宮家閘、堡集閘3座水閘增加總調蓄水量分別為717、972、1 125 萬m3。隨著洪水量級加大，調蓄水量隨之加大；當來水為平水年及豐水年份時，干流閘壩模擬的調蓄水量基本一致，可見，平水年份的閘壩群基本能達到蓄滿狀態。對于平水年場次洪水而言，本次模擬調度的調蓄水量相對于實際蓄水量增加了2 倍左右，本次調度注重了洪水資源化利用，通過實施閘壩群聯合調度，及時蓄水以減少棄水。在具體調度中，需要上下游各市縣協同合作，借助預報手段盡量精準調度，尋求整體興利效益最大化。

表3 洪水末時模擬與實測閘壩蓄水位對照Tab.3 Comparison between simulated and measured water level at last stage flood

3.4 風險辨識

閘壩洪水資源利用存在兩種風險，一是人造洪水風險。當全部落閘或部分開啟蓄水，一方面當上游有較大來水時，需要開閘泄水，給下游造成人為洪水；另一方面由于閘上水位高，當上游洪水來水較大時，泄水不及時，則可能導致上游洪水漫灘，造成洪災淹沒損失。二是蓄水不足風險。當落閘過晚，洪水來水較小，蓄水量不能達到設計蓄水要求，不能充分利用洪水資源。閘壩聯合蓄水受干支流洪水過程影響密切，應結合現代氣象預報技術，提前預判流域干流、支流洪水發展形勢，統籌做好閘壩群防洪調度與興利調度。

4 結 語

在滿足防洪、生態流量等約束條件下，擬定水閘、橡膠壩調度規則，考慮區間洪水源匯影響，采用一維水動力學法對典型洪水進行動態演進模擬，實現徒駭河閘壩群聯合蓄水調度，提高整體興利效益。隨著洪水量級越來越大，閘壩蓄滿率越高，同時洪水利用率呈降低趨勢；同時應避免下游人造洪水風險及蓄水不足風險。本文是在已知洪水條件下進行閘壩聯合調度，下一步研究結合水文氣象預報進行實時調度，并加強上下游的協同合作，提高聯合調度的可操作性。