基于流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水決策支持系統(tǒng)的沂沭河“8·14”洪水研究

黃渝桂 王慧鳳 殷衛(wèi)國(guó)

（中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 合肥 230601）

1 概述

沂河是沂沭泗水系中最大的山洪河道，河道全長(zhǎng)333km，流域面積11820km2。沂河在彭家道口向東辟有分沂入沭水道，分沂河洪水入沭河；在江風(fēng)口辟有邳蒼分洪道，分沂河洪水入中運(yùn)河。

沭河自源頭至新沂口頭，河道全長(zhǎng)300km，流域面積6400km2。源頭至臨沭大官莊，河道長(zhǎng)196.3km，區(qū)間流域面積4519km2。大官莊至口頭，河道長(zhǎng)104km，區(qū)間流域面積1625km2。較大的支流有袁公河、潯河、高榆河、湯河等，大部分從左岸匯入。

2020年，沂沭河發(fā)生洪水，主要是沂河、沭河上游，受副高邊緣暖濕氣流和蒙古氣旋南部的冷空氣共同影響，8月13—14日，沂沭河流域發(fā)生超強(qiáng)暴雨天氣，沂河、沭河累計(jì)平均降雨量165mm，100mm 以上暴雨籠罩面積1.07 萬(wàn)km2，幾乎籠罩沂河臨沂站以及沭河重溝站以上所有區(qū)域；200mm 以上暴雨籠罩面積0.5 萬(wàn)km2，籠罩沂河臨沂站以及沭河重溝站以上核心區(qū)域。沂河臨沂站14日19 時(shí)出現(xiàn)洪峰流量10900m3/s，為1960年以來(lái)最大洪水，劉家道口閘出現(xiàn)最大泄量7900m3/s，彭道口閘出現(xiàn)最大泄量3360m3/s；沭河重溝14日19 時(shí)出現(xiàn)洪峰流量6320m3/s，為1974年以來(lái)最大洪水，大官莊人民勝利堰14日23 時(shí)出現(xiàn)最大泄量2800m3/s，新沭河泄洪閘14日23 時(shí)最大泄量6500m3/s，均超歷史。石梁河最大入庫(kù)流量6080m3/s，超過(guò)歷史最大3870m3/s，為了騰空庫(kù)容，水庫(kù)提前預(yù)泄，最大下泄流量出現(xiàn)在14日23 時(shí)，最大流量4700m3/s，超歷史最大泄量3950m3/s。

2 超標(biāo)準(zhǔn)洪水決策支持系統(tǒng)

沂沭泗流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水調(diào)度決策支持系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱示范系統(tǒng)）是對(duì)超標(biāo)準(zhǔn)洪水這一特殊場(chǎng)景而研發(fā)的決策輔助支持系統(tǒng)，是對(duì)現(xiàn)有國(guó)家防汛抗旱指揮二期系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱現(xiàn)有系統(tǒng)）的補(bǔ)充、完善和提升，而不是進(jìn)行重構(gòu)。因此，示范系統(tǒng)的集成與調(diào)試，用松耦合方式，基于統(tǒng)一權(quán)限認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有系統(tǒng)的跨系統(tǒng)應(yīng)用資源無(wú)縫融合。沂沭泗流域示范系統(tǒng)搭建包括基礎(chǔ)配置工作、系統(tǒng)功能建設(shè)。

2.1 基礎(chǔ)配置工程

應(yīng)用配置管理主要提供對(duì)象配置、模型配置、功能配置等相關(guān)功能，為超標(biāo)準(zhǔn)洪水業(yè)務(wù)搭建提供計(jì)算時(shí)需要的初始化對(duì)象、計(jì)算模型及功能屬性的錄入、配置、維護(hù)等通用操作。將沂沭泗流域業(yè)務(wù)涉及的水利對(duì)象，以標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)配置，涵蓋流域、區(qū)域、河流、河段、水文站、水庫(kù)、水電站、雨量站、氣象區(qū)間、子流域、預(yù)報(bào)區(qū)間、河道斷面、蓄滯洪區(qū)等。沂沭泗流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水調(diào)度決策支持系統(tǒng)配置工具及拓?fù)鋵?duì)象概化圖見(jiàn)圖1。

圖1 沂沭泗流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水調(diào)度決策支持系統(tǒng)配置工具及拓?fù)鋵?duì)象概化圖

2.2 系統(tǒng)功能建設(shè)

系統(tǒng)功能建設(shè)包括專業(yè)模型配置及業(yè)務(wù)配置。對(duì)模型庫(kù)中所管理的各類基礎(chǔ)模型算法類型的實(shí)例化，通過(guò)配置具體的模型參數(shù)，形成對(duì)應(yīng)于各個(gè)示范區(qū)實(shí)際水利對(duì)象的具體計(jì)算模型，基本完成預(yù)報(bào)模塊和調(diào)度模塊的基礎(chǔ)模型配置。專業(yè)模型流程見(jiàn)圖2。

圖2 專業(yè)模型流程圖（預(yù)報(bào)模擬、水工程流程）

業(yè)務(wù)主要配置管理各業(yè)務(wù)的計(jì)算方案與流程以及界面交互。通過(guò)該功能的配置管理，將前述對(duì)象、模型等獨(dú)立的要素按照具體業(yè)務(wù)下計(jì)算方案，同時(shí)進(jìn)一步搭建應(yīng)用交互面板，建設(shè)形成預(yù)報(bào)預(yù)警、調(diào)度計(jì)算等功能實(shí)例。

3 洪水預(yù)報(bào)成果

在沂沭泗洪水調(diào)度決策支持系統(tǒng)基礎(chǔ)上，結(jié)合2020年沂沭泗“8·14”洪水各雨量站降雨成果，對(duì)重要控制斷面進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)。

3.1 洪水預(yù)報(bào)

3.1.1 雨量站輸入

根據(jù)沂沭泗流域?qū)嶋H情況和歷史洪水成果，對(duì)沂沭河上游雨量站（沂河寨子山、葛溝、斜午、岳莊、唐村、跋山、岸堤、角沂、姜莊湖、許家崖；沭河青峰嶺、重溝、莒縣、陡山、石拉淵、小仕陽(yáng)）進(jìn)行權(quán)重分配。

3.1.2 計(jì)算方法

根據(jù)淮河流域特點(diǎn)以及淮河洪水預(yù)報(bào)相關(guān)成果，沂沭泗洪水預(yù)報(bào)采用API 模型，API 模型是傳統(tǒng)的以前期影響雨量（Pa）為參數(shù)的降雨徑流相關(guān)圖法、單位線（或等時(shí)線）法與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，能預(yù)報(bào)連續(xù)的過(guò)程線。API 模型是以流域降雨產(chǎn)流的物理機(jī)制為基礎(chǔ)，以主要的影響因素作參變量，建立降雨P(guān) 和產(chǎn)流量R 之間的定量相關(guān)關(guān)系。這里介紹國(guó)內(nèi)普遍使用的產(chǎn)流量與降雨量和前期影響雨量三者的關(guān)系，即三者相關(guān)圖。建立P～Pa～R 的關(guān)系曲線，根據(jù)降雨量R 以及前期降雨量指數(shù)Pa 查相應(yīng)的產(chǎn)流量。結(jié)合流域的雨洪特性，建立前期雨量指數(shù)Pa和綜合產(chǎn)流系數(shù)k的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)沂沭泗歷年洪水預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)，確定適用于沂沭泗流域的API 模型通用參數(shù)。

3.1.3 預(yù)報(bào)成果

2020年“8·14”洪水，結(jié)合氣象部門預(yù)報(bào)成果進(jìn)行預(yù)報(bào)沂沭泗降雨與控制斷面流量預(yù)測(cè)。

根據(jù)該模型預(yù)報(bào)成果，臨沂站控制斷面流量為10824m3/s，重溝站控制斷面流量為6559m3/s。根據(jù)淮河水情預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)（2020年第95 期）成果，臨沂站控制斷面流量為11000m3/s，重溝站控制斷面流量為5000m3/s。

2020年8月14日臨沂站、重溝站實(shí)測(cè)流量分別為10900m3/s、6320m3/s。本模型較上述水文預(yù)測(cè)成果沂河臨沂站絕對(duì)誤差由0.9%提高至7%，沭河重溝站絕對(duì)誤差由20.89%提高至3.78%，滿足預(yù)報(bào)精度提高5%以上（洪峰流量誤差低于10%、水位誤差低于0.25m）的要求。

3.2 洪水預(yù)報(bào)及預(yù)見(jiàn)期

系統(tǒng)通過(guò)氣象預(yù)報(bào)成果與水文模型的耦合，有效延長(zhǎng)洪水預(yù)見(jiàn)期至72h 以上。2020年沂沭河“8·14”洪水期間，通過(guò)系統(tǒng)應(yīng)用，提前3 天預(yù)報(bào)了沂沭泗流域的降水過(guò)程以及將要發(fā)生一次大的洪水過(guò)程，并準(zhǔn)確預(yù)報(bào)了臨沂、重溝等重要控制站洪峰流量。

4 洪水調(diào)度成果

4.1 沂河、沭河調(diào)度辦法

根據(jù)國(guó)汛2012年8 號(hào)批復(fù)的《沂沭泗河洪水調(diào)度方案》（以下簡(jiǎn)稱《調(diào)度方案》），沂河、沭河洪水盡可能東調(diào)，預(yù)留駱馬湖部分蓄洪容積和新沂河部分行洪能力接納南四湖及邳蒼地區(qū)洪水。遇標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)洪水，合理利用水庫(kù)、水閘、河道、湖泊等，確保防洪工程安全。遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水，除利用水閘、河道強(qiáng)迫行洪外，并相機(jī)利用滯洪區(qū)和采取應(yīng)急措施處理超額洪水，地方政府組織防守，全力搶險(xiǎn)，確保南四湖湖西大堤、新沂河大堤等重要堤防和濟(jì)寧、臨沂、徐州、宿遷、連云港等重要城市城區(qū)的防洪安全，盡量減輕災(zāi)害損失。劉家道口樞紐、大官莊樞紐的調(diào)度運(yùn)行辦法見(jiàn)表1。

表1 劉家道口樞紐、大官莊樞紐的調(diào)度運(yùn)行辦法表

4.2 洪水調(diào)洪計(jì)算方法

4.2.1 水庫(kù)調(diào)算

水庫(kù)進(jìn)行調(diào)洪調(diào)算，理論方法是基于水力學(xué)的圣維南方程組進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略了洪水入庫(kù)至泄洪建筑物間的行進(jìn)時(shí)間、沿程流速變化及動(dòng)庫(kù)容等的影響，簡(jiǎn)化后水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算的公式即水量平衡方程。

式中：Q1，Q2—分別為計(jì)算時(shí)段初、末的入庫(kù)流量（m3/s）；q1，q2—分別為計(jì)算時(shí)段初、末的下泄流量（m3/s）；V1，V2—分別為計(jì)算時(shí)段初、末的水庫(kù)蓄水量（m3）；ΔV—V1與V2之差；Δt—計(jì)算時(shí)段。

4.2.2 河道演進(jìn)

河道演進(jìn)采用馬斯京根流量演算法的改進(jìn)方法即分段連續(xù)演算法。分段連續(xù)演算法根據(jù)馬斯京根演算方程為線性系統(tǒng)的特點(diǎn)，首先推求上游斷面進(jìn)入一個(gè)單位水量后經(jīng)多個(gè)河段連續(xù)向下游演進(jìn)，在下游斷面形成一個(gè)相應(yīng)的流量過(guò)程線。

沂河、沭河上游為山區(qū)性河流，干、支流間相互干擾作用不大，可把干、支流各河段視為相互獨(dú)立的無(wú)支流河段，求得各自的流量演算參數(shù)，分別把上游站（水庫(kù)出流）的入流量演算到下游站（臨沂站），然后疊加即為該斷面的出流過(guò)程。

4.2.3 計(jì)算工況

沂河、沭河發(fā)生2020年8月14 號(hào)暴雨時(shí)，上游水庫(kù)經(jīng)水庫(kù)調(diào)洪后，在河道進(jìn)行洪水演進(jìn)，洪水通過(guò)劉家道口樞紐、大官莊樞紐進(jìn)行洪水安排，并按照《沂沭泗河洪水調(diào)度方案》進(jìn)行洪水調(diào)度。

4.2.4 洪水調(diào)度成果

沂沭河2020年“8·14”洪水經(jīng)劉家道口樞紐、大官莊樞紐進(jìn)行洪水東調(diào)南下，按照2012年《沂沭泗河洪水調(diào)度方案》執(zhí)行調(diào)度。

根據(jù)調(diào)度成果，沂河臨沂站14日19 時(shí)出現(xiàn)洪峰流量11724m3/s（實(shí)際為洪峰10900m3/s），劉家道口閘出現(xiàn)最大泄量8000m3/s（實(shí)際最大泄洪為7900m3/s），彭道口閘出現(xiàn)最大泄量4000m3/s（實(shí)際最大泄洪為3360m3/s）；沭河重溝14日19 時(shí)出現(xiàn)洪峰流量6559m3/s（實(shí)際為洪峰6320m3/s），大官莊人民勝利堰出現(xiàn)最大泄量2500m3/s（實(shí)際最大泄洪為2800m3/s），新沭河泄洪閘最大泄量6000m3/s（實(shí)際最大泄洪為6500m3/s）。石梁河最大入庫(kù)流量6000m3/s（實(shí)際最大泄洪為6080m3/s）。

根據(jù)上述調(diào)度與實(shí)際情況對(duì)比分析，彭道口分洪閘因分沂入沭水道阻水、大官莊水位頂托以及彭道口閘前水流問(wèn)題，不能按照4000m3/s 調(diào)度指令分洪（閘門全部抬出水面，閘上水位、閘下水位均超設(shè)計(jì)水位且過(guò)閘水頭差大于設(shè)計(jì)，但最大泄洪仍為3360m3/s），因此劉家道口閘出現(xiàn)最大泄量大于實(shí)際泄量是合理的。此次沂河與沭河洪水基本是同頻率的，但是實(shí)際調(diào)度過(guò)程沒(méi)有考慮彭道口反控制（當(dāng)大官莊流量超過(guò)8500m3/s，減少分沂入沭水道泄洪，沂河洪水加大泄量但不超過(guò)12000m3/s），因此大官莊洪水（沭河洪水加分沂入沭洪水）將會(huì)超過(guò)8500m3/s，人民勝利堰分洪閘下泄流量為2800m3/s，超過(guò)實(shí)際分洪2500m3/s（設(shè)計(jì)流量2500m3/s）；新沭河泄洪閘下泄為6500m3/s，超過(guò)實(shí)際分洪6000m3/s（設(shè)計(jì)流量6000m3/s）。

5 結(jié)論

2020年8月13 —14日，沂沭泗流域受突發(fā)集中高強(qiáng)度降雨影響，發(fā)生了流域性大洪水，防汛形勢(shì)嚴(yán)峻。對(duì)比分析沂沭河“8·14”洪水預(yù)報(bào)成果和洪水調(diào)度成果，此次沂沭泗超標(biāo)準(zhǔn)洪水調(diào)度決策支持系統(tǒng)的洪水預(yù)報(bào)和洪水調(diào)度成果是合理的，該超標(biāo)準(zhǔn)洪水調(diào)度決策支持系統(tǒng)可為沂沭泗流域防汛部門的科學(xué)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、精準(zhǔn)防洪調(diào)度和決策提供依據(jù)■