分洪河道洪水调度模式研究

2018-04-13谭乐彦李开峰官庆朔

中国农村水利水电 2018年3期

张　涛，谭乐彦，李开峰，官庆朔

(1.山东省水利勘测设计院，济南 250013；2.水利部淮河水利委员会，安徽蚌埠 233001)

在山丘区河道防洪调度中，多是通过修建山丘水库来调蓄洪水，并进行调峰或错峰，减缓对下游的洪水威胁[1]。在平原河道中，受水库建设条件限制，主要是利用泄洪通道如分洪道分流洪水，或是滞洪区滞蓄洪水[2]，减少干流的行洪压力。相对于水库防洪调度主要是调蓄洪量，流量过程对于河道防洪调度更为敏感，随着流量加大导致水位增高，以及受其他不确定性因素影响[3]，可能引起洪水漫溢、堤防溃决等洪灾损失。在实际防洪规划设计中，通常是按照洪峰流量给出分洪流量规模，采用明渠恒定流法计算河道水面线，难以反映流量变化过程下的调度控制策略；另外，河道启用分洪的几率通常较低，较缺乏实际的分洪调度经验。本文结合小清河分洪道，提出两种分洪调度模式，考虑区间洪水过程源汇影响进行干流及分洪道水力联合计算，分析比较不同调度方式下的分洪效果差异。

1　小清河及分洪道情况

1.1　流域概况

小清河是山东省鲁中地区一条重要的排水河道，兼顾农田灌溉及河海航运功能。干流发源于济南市区南部泉群，于寿光市羊口镇注入渤海莱洲湾，干流全长229 km，流域面积10 433 km2。干流位于流域北部的低洼地带，为平原河道，比降平缓。流域内水系复杂，一级支流几乎全部由南岸注入干流。小清河支流上游水系多为山洪河道，支流山区段坡陡流急；胶济铁路以北多为宽浅漫滩型平原河道，河道对洪水的槽蓄作用明显。干流洪水期间，支流易受干流洪水倒灌及回水顶托影响，排水不畅。

1.2　分洪枢纽工程

为分泄干流洪水，于中下游段修建分洪道，以减少干流行洪压力。分洪道自干流胜利河口分洪，于芦青沟口重新汇入小清河，全长83.3 km，与小清河干流形成“两河三堤”并行段。分洪道主要承担干流分洪任务，分洪道内开挖排水子槽，南水北调、引黄济青等输水渠借用分洪道部分子槽输水；河道内滩地大，主要分布农田作物、树木及零星房屋等。

分洪口处配套节制分洪枢纽，按50年一遇标准洪水设计。干流桩号116+020处设金家堰节制闸，分洪道桩号1+490处设分洪闸，分洪道自1996年建成后尚未启用分洪。干流与分洪道并行段控制工程及支流分布情况，见图1。

图1　小清河干流及分洪道工程示意图Fig.1 Diagram of construction in Xiaoqing mainstream and floodway

2　分洪调度模式

2.1　洪水调度方式

(1)干流主动分洪方式。标准内洪水，分洪口以上洪水首先由干流行洪，干流最大过流按其行洪能力控制，当超过干流行洪能力则启用分洪，多余洪水入分洪道。调度过程示意图见图2，表达式为：

(1)

式中：Q总为分洪口以上的干流总流量；Q干,max为分洪口处(分洪口以下)的干流行洪能力；Q干为分洪口处(分洪口以下)的干流流量；Q分为分洪道流量；Q分,max为分洪道分洪能力。

图2　干流主动分洪方式示意图Fig.2 Diagram of mainstream active diversion model

(2)分洪道主动分洪方式。标准内洪水，洪水小流量阶段尽量不启用分洪道，洪水初期阶段先由干流行洪，最大过流不超过其行洪基流；当超过干流行洪基流则启用分洪道分洪，分洪道最大过流按其分洪能力控制，多余洪水入干流。干流行洪基流的确定直接影响到洪水调度效果，对于平原河道，行洪断面通常由河槽及滩地组成，河槽多是用于排泄除涝标准以内的涝水，涝水一般不上滩地；而发生大于除涝标准量级的洪水时，则由河道及滩地共同行洪，洪水淹没滩地。因此干流行洪基流近似由除涝流量确定，尽量减少滩地淹没损失。调度示意过程见图3，表达式为：

(2)

式中：Q干,min为分洪口处(分洪口以下)的干流行洪基流。

图3　分洪道主动分洪方式示意图Fig.3 Diagram of floodway active diversion model

两种分洪方式主要体现洪水在干流与分洪道之间的风险转移。采用干流主动分洪方式，加大干流分洪量，但可减少对分洪道的洪水淹没损失。采用分洪道主动分洪方式，加大分洪道分洪量，但可减小干流行洪压力，有利于影响支流洪水顺畅下泄。

2.2　水力计算方法

考虑干流区间洪水过程源汇影响，对干流及分洪道采用MIKE11一维水动力学模块进行水力联合计算，该模块基于圣维南方程求解，水力计算精度较高、模型收敛性较好[5]，其连续方程、运动方程计算公式分别为：

(3)

(4)

式中：A为河道过水面积；Q为流量；u为侧向流在河道方向的流速；t为时间；x为沿水流方向的水平坐标；q为河道的侧向流量；α为动量修正系数；g为重力加速度；y为水位；Sf为摩阻坡降。

对于敞泄水闸及堰坝过流采用堰流公式[6]计算；对于控泄平板底孔闸门，淹没状态下的闸孔流量Q采用近似公式[6]计算：

(5)

式中：u为考虑闸门开度影响的有效流量系数；B为水闸过水总宽度；he为闸门开启高度；H1为包括行近流速的闸前水头；H2为闸下水头。

洪水调度过程中，应满足河道及建筑物的流量、水位等约束条件，避免出现洪水漫溢、建筑物失稳等风险。考虑风浪爬高、风壅增水高度、安全加高等不确定性因素后的河道水位应不超过断面堤顶高程[7]；建筑物及河道断面过流不超过相应安全过流能力[8]。

3　分洪调度实例计算

3.1　方案及参数

(1)计算方案。调度方式一为干流主动分洪方式，调度方式二为分洪道主动分洪方式。对干流50年一遇标准设计洪水进行一维水力计算，分析不同分洪调度方式下的水位、流量等指标差异。

(2)河道断面。对干流100+000～216+000段、分洪道0+000～83+300段建立一维水动力模型。现状小清河堤防防洪标准基本达到20年一遇标准，过水建筑物基本按50年一遇防洪标准设计；本次断面采用50年一遇河道规划治理断面，断面间距300～500 m。分洪道及干流河槽糙率取0.023、滩地糙率取0.038。

(3)建筑物。分洪闸及节制闸根据洪水调度方式通过闸门控制实现既定分流流量，其他闸坝均按敞泄控制。

(4)洪水。输入50年一遇标准区间设计洪水过程，区间洪水概化为主要支流洪水。其中，干流分洪口以上设置端点、胜利河等汇入节点；并行段沿程设置杏花河等5处汇入节点；汇合口以下段设置新塌河汇入节点。50年一遇标准下，干流在分洪口以上设计洪峰为1 720 m3/s，最大5日洪量为29 254 万m3；分洪道分洪规模为1 100 m3/s。

(5)其他约束条件：综合考虑河道堤防及建筑物过流能力限制，50年一遇标准洪水下，分洪口门处干流、分洪道的分洪能力分别为620、1 100 m3/s；5年一遇除涝标准下，干流分洪口门处河槽行洪能力约300 m3/s。干流末端河口水位为50年一遇设计汛期最高高潮位3.22 m。

(6)计算结果。洪水时间为8月10-16日，两种调度方式下的干流及分洪道分洪流量见图4；干流、分洪道的断面最高水位及洪峰分别见图5、图6。

图4　分洪口处干流及分洪道洪水对照Fig.4 Comparison on diversion process between mainstream and floodway

图5　干流断面最高水位及洪峰对照Fig.5 Comparison on high level and flood peak in mainstream

图6　分洪道断面最高水位及洪峰对照Fig.6 Comparison on high level and flood peak in floodway

3.2　计算结果分析

(1)分洪量、洪峰及水位对比。统计干流并行段及分洪道断面最高水位、洪峰均值、分洪量、分洪时间等参数，见表1，其中分洪开始、结束时间单位为“日/时”。方式一中，分洪道分洪量为14 072 万m3，分洪历时为51 h。相对于方式一计算结果，方式二分洪道增加分洪量4 702 万m3，分洪量占总洪量比例为64.2%；分洪历时增加8 h；干流并行段断面最高水位平均降低0.26 m、断面洪峰平均降低61 m3/s，分洪道断面洪峰平均加大132 m3/s。可见两种调度方式下的最高水位及洪峰均有一定程度的差异，分洪量差异较大。

图4中，方式一的干流口门最大行洪流量为620 m3/s，持续时间为49.8 h，分洪道最大分洪流量仅在其洪峰时刻出现。方式二的分洪道最大分洪流量为1 100 m3/s，持续时间为28.5 h，干流最大流量仅在其洪峰时刻出现，可见两种调度方式下的分洪流量过程差异较大。

图5中，由于启用分洪，干流洪峰及最高水位在分洪口门下游处降低明显，两种调度方式的分洪作用均较为显著。分洪道与干流汇合口处，方式一、方式二的洪峰分别为2 372、2 276 m3/s，最高水位分别为4.69、4.59 m，可以看出，方式二降低了汇合口以下段的洪峰及最高水位。图6中，分洪道沿程断面洪峰持续下降，由于方式一中分洪量相对较少，断面洪水偏瘦，沿程断面洪峰坦化下降趋势更为明显。

(2)支流回水影响。干流并行段较大的一级支流有6条，总流域面积4 019 km2。参照规范[9]阻水构筑物回水壅高长度计算公式，计算支流回水增加影响长度L，公式为：

表1　干流并行段及分洪道洪水演进参数对照Tab.1 Comparison on routing value between parallel mainstream and floodway

(6)

式中：I为河道水力比降，对于顺直规整的平原河道，近似为河底坡降；ΔH为增加水位高度。

统计干流在支流汇入口处的最高水位，以及方式二相对于方式一的最高水位差，见表2。相对于方式一，方式二的最高水位降低了0.10～0.26 m，支流回水增加影响长度总计减少17.1 km。另外，干流并行段右岸有多条排水沟渠，当干流水位越低，则越有利于影响支流及堤外低洼区域排水。

表2　干流并行段主要支流回水影响统计Tab.2 Statistics on branches backwater effect in parallel mainstream

(3)闸门控制。节制闸及分洪闸闸上、闸下水位过程分别见图7、图8。从图7可以看出，方式一中的干流节制闸为自由泄流状态，闸上、闸下形成连续水面；方式二中，当启用分洪道分洪，节制闸为控泄状态，闸上、闸下水位差异较大。从图8可以看出，两种调度方式下的分洪闸闸上、闸下水位差异均较大，基本为控泄状态，需通过分洪闸控制分洪流量。

图7　干流节制闸闸上、闸下水位过程对照Fig.7 Comparison on level between sluice upstream and downstream in mainstream

图8　分洪道分洪闸闸上、闸下水位过程对照Fig.8 Comparison on level between sluice upstream and downstream in floodway

(4)调度效果。采用干流主动分洪方式，在遭遇低流量洪水时，首先由干流行洪，避免过早淹没分洪道，分洪道承担分洪任务相对较小；而干流行洪压力大，南岸支流水系复杂，导致干流并行段沿线支流排水不畅。采用分洪道主动分洪方式，加大分洪道淹没损失，提高分洪道堤防设防高程；但降低干流行洪压力，有利于影响支流及低洼区域排水，可降低干流及影响支流的堤防设防高程。两种调度方式启用分洪道均要造成分洪道淹没损失，为发挥分洪道工程建设作用，考证整体防洪安全[10]，方式二具有更大的分洪效益。实际调度中，主要是通过水文气象预报预判洪水来水过程，真实的洪水过程与预报过程往往有偏差，假若预报来水流量较大而实际洪水流量较小时，当采用分洪道主动分洪方式，则可能过早启用分洪道；甚至实际情况仅需干流行洪即可满足行洪要求，而错误启用分洪道，造成不必要的分洪淹没损失。