沂沭泗水系防洪工程联合调度系统构建及验证

赵艳红，屈 璞，李 斯，王秀庆，于百奎

（沂沭泗水利管理局，江苏 徐州 221018）

0 引言

沂沭泗水系位于淮河流域东北部，由沂河、沭河和泗（运）河组成，干支流河道 510 余条，河网密布，主要河道相通互联，水系复杂[1]。沂沭泗水系通过中运河、徐洪河和淮沭河与淮河水系沟通[2]。经过 60 多 a 的治理，沂沭泗水系已形成由水库、河湖堤防、控制性水闸、分洪河道及蓄滞洪区工程等组成的防洪工程体系。目前，沂沭泗河洪水东调南下续建工程已基本完成，骨干河道中下游防洪工程体系基本达到 50 年一遇防洪标准。

防洪调度是防洪工作的核心。它依据暴雨与洪水预报，以及雨情、水情、工情实况，运用各类工程和非工程措施，统筹流域防洪全局，处理好局部和全局的关系，设计和优选出防洪调度方案，有计划地调节、控制洪水，保证防洪安全，减少洪水灾害[3]。流域防洪工程系统实时联合调度，是行之有效的非工程防洪措施之一，利用系统理论与方法对洪水控制工程实行优化调度，可以有效提高防洪系统的整体防洪效果。2012 年，戴力等[4]对流域防洪体系联合调度整体模拟系统进行了开发研究；2015 年，吴时强等[5]针对三湖圈圩方案，建立了淮河临淮岗洪水控制工程洪水调度模型；2017 年，贲鹏等[6]对1954 年型洪水淮河中游防洪工程联合调度进行了研究。因此探索流域湖泊、蓄滞洪区、涵闸等防洪工程的联合优化调度模式，构建沂沭泗水系防洪工程联合调度系统是非常必要的。为此基于沂沭泗水系防洪“河道泄洪—涵闸分流—湖泊蓄洪—滞洪区滞洪”的复杂大系统，提出沂沭泗水系防洪工程联合调度系统的构建思路，建立基于“河道-涵闸-湖泊-滞洪区”的复杂防洪工程联合调度模型，并用 1974 年暴雨洪水进行验证。

1 模型总体结构

1.1 河道泄洪模块

根据主要河道主要控制站预报和实测洪水过程，以马斯京根法为基础建立河道洪水演算模型。

1.2 涵闸分流模块

根据水力学公式计算各涵闸不同流态（自由、淹没孔流，自由、淹没堰流）的泄流曲线，依据闸上、下水头等计算不同闸门分洪量。

1.3 湖泊蓄洪模块

在水库水量和动力平衡的基础上，建立水库水位-库容、湖水位与各闸泄量关系，建立能综合考虑下游及周边水系洪水情势的湖泊调度模型。

1.4 滞洪区滞洪模块

滞洪区滞洪模块采用二维水动力模型演算，包括模型的建立、爆破口门溃坝洪水及退水口门退水情况的模拟等内容。

1.5 优化调度模块

沂沭泗水系复杂，整个洪水调度模型可分为南四湖、沂河、沭河、骆马湖等 4 个洪水调度模块，4 个调度模块间相互关联和制约。其中沂河洪水调度，包含刘道口枢纽涵闸分流和河道洪水演算等模块，以港上站为出口控制站；沭河洪水调度，包括大官庄枢纽涵闸分流和河道洪水演算等模块，以新安站为出口控制站；南四湖洪水调度，包括上级湖和下级湖的湖泊蓄洪和韩庄枢纽出湖洪水演算等模块，以运河站为出口控制站；骆马湖洪水调度计算，包括骆马湖的湖泊蓄洪和嶂山闸出湖洪水演算等模块，以沭阳站为控制站。4 个调度模块间相互影响，无法通过单个计算求得整个系统的最优解，因此需要根据大系统分解协调理论实现整个水系的优化调度。沂沭泗防洪工程联合调度系统逻辑结构如图1 所示。

图1 沂沭泗防洪工程联合调度系统逻辑结构图

根据大系统分解协调原理，将沂沭泗水系优化调度问题，分成单湖（河）洪水调度层（以下简称单湖层）和联合协调层（以下简称协调层）2 个层次研究，单湖层为下层决策层，协调层为上层决策层，利用线性规划进行单湖层中单个湖（河）系单个时段的洪水调度。协调层建立了一套协调准则和方法（单时段协调和多时段动态反馈修订调水等准则），将两湖子系统联系起来，实现整个系统的协调优化发展。单湖层提供数据的录入、计算和输出，协调层对单湖层得出的结果进行判定、反馈、修正。单湖层和协调层之间不断地进行信息交换，相互配合，循环反复，实现两湖水资源系统的优化配置。沂沭泗防洪工程联合调度模型总体结构框图如图2 所示。

2 洪水调度参数

沂沭泗水系主要河道洪水演算均采用马斯京根法，演算参数根据 1974—2011 年不同级别的典型洪水综合分析推求得到。

2.1 沂河洪水演算

临沂站实测洪水过程，经河道泄洪至刘道口枢纽，再经涵闸分流，根据条件分别通过刘道口、彭道口、江风口等闸，然后演算至港上站。

临沂站至刘道口闸，刘道口距离临沂站仅10 km，距离很近，两站洪峰预报结果基本一致，不再单独进行汇流计算；临沂站/刘道口闸至港上站，各级别马斯京根演算系数如表 1 所示。

2.2 沭河洪水演算

大官庄站实测洪水过程，经大官庄水利枢纽涵闸分流，根据条件分别通过新沭河闸、人民胜利堰闸，经河道泄洪演算至新安站。

胜利堰闸至新安站流量演算采用马斯京根法。所采用演算参数为：稳定流传播时间t= 18 h；流量比重因素X= 0.25；演算时段长Δt= 6 h；河段演算系数C0= -0.091，C1= 0.455，C2= 0.636。胜利堰闸至新安站分段连续演算，单元河段数n= 9，演算时段长Δt= 2 h，汇流系数如表2 所示。

图2 沂沭泗防洪工程联合调度模型总体结构框图

表1 临沂站至港上站马斯京根演算系数

表2 胜利堰闸至新安站分段汇流系数表

2.3 南四湖至中运河洪水演算

南四湖为南阳、独山、昭阳、微山四湖的总称。1958 年开始兴建的二级坝枢纽工程，将南四湖分为上、下两部分，上级湖和下级湖的入库洪水过程，经上级湖和下级湖湖泊蓄洪，再由下级湖根据调度通过韩庄闸、新河头闸、蔺家坝闸下泄，经河道泄洪演算至运河站。

韩庄闸至台儿庄站流量演算系数如表 3 所示。对韩庄闸至台儿庄站进行流量分段连续演算时，取单元河段数n= 1，流量范围为 1 200～1 700 m3/s。X=0.10，Δt= 6 h，汇流系数如表 4 所示，台儿庄站至运河站分段汇流系数如表 5 所示。

2.4 骆马湖洪水演算

骆马湖是一平原湖泊，集防洪、灌溉、航运、水产养殖等功能于一体。皂河闸与洋河滩闸及骆马湖南堤组成骆马湖一线控制工程。宿迁大控制二线防洪工程，由废黄河北堤连接宿迁闸、宿迁船闸、六塘河闸和井儿头大堤形成封闭圈。

表3 韩庄闸至台儿庄站段流量演算系数表

表4 韩庄闸至台儿庄站段汇流系数表

表5 台儿庄站至运河站分段汇流系数表

沂河、中运河洪水过程，经骆马湖湖泊蓄洪，再根据条件分别通过嶂山闸、皂河闸、宿迁闸等下泄。其中嶂山闸下泄量经河道泄洪演算至沭阳站。

3 洪水模拟调度

受 12 号台风和停滞在华北的西风槽共同影响，沂沭泗流域在 1974 年 8 月 12—13 日出现了强降雨天气。受其影响，沂沭河、邳苍地区出现大洪水，8 月 14 日沂河临沂站出现洪峰流量为 10 600 m3/s，沭河上游 68 处漫溢决口，14 日大官庄洪峰流量为54 00 m3/s。当时，流域大型水库已建成，南四湖二级坝枢纽、韩庄枢纽、蔺家坝闸、骆马湖嶂山闸及新沭河石梁河水库均已建成，与目前工况较为相似，故选择此次洪水进行洪水预报及模拟调度。

根据 1974 年 8 月 12—13 日雨水情，采用经验相关法进行洪水预报得到洪水预报过程结果，以沂河临沂、沭河大官庄、南四湖上级湖与下级湖及其它各区间预报流量过程为边界条件，按照《沂沭泗河洪水调度方案》（国汛〔2012〕8 号），在现状工况条件下，基于所建模型，对沂沭泗水系防洪工程进行联合模拟调度。模拟调度结果如下：

1）主要控制站预报结果。沂河临沂站洪峰流量为 11 500 m3/s（8 月 14 日 0 时），沭河大官庄站洪峰流量为 9 500 m3/s（8 月 14 日 2 时），邳苍区间运河站（不含江风口分洪流量）洪峰流量为 2 900 m3/s（8 月 14 日 14 时），骆马湖总来水量为 19.6 亿m3。

2）最优调度方案。由于南四湖地区降雨较小，可充分利用调蓄能力，洪水暂不下泄，为沂沭河洪水处理让路；考虑到沭河发生较大洪水，沂河来水尽量南下，沂河刘家道口闸最大泄流量为 11 500 m3/s，彭道口闸尽量不分洪，启用邳苍分洪道分洪，江风口闸最大分洪流量为 3 700 m3/s，李庄闸最大泄流量为 7 800 m3/s，以降低沂河江风口以下、骆马湖和新沂河的防守压力，控制沂河江风口以下流量不超8 000 m3/s；沭河来水尽量东调。沭河大官庄枢纽新沭河闸最大泄流量为 6 500 m3/s，人民胜利堰闸最大泄流量为 3 000 m3/s。

按照此方案调度后，港上站洪峰流量Qmax约为7 800 m3/s，运河站洪峰流量约为 3 700 m3/s，骆马湖最大入湖流量约为 12 500 m3/s，最高水位Zmax为25.10 m。新安站洪峰流量约为 2 400 m3/s，沭阳站最大流量约为 7 000 m3/s。南四湖上级湖最大入湖流量为 480 m3/s，最高水位为 35.2 m，下级湖最大入湖流量为 800 m3/s，最高水位为 32.9 m。

3）主要调度结果与 1974 年实测值对比。在现状工程情况下，发生 1974 年型洪水时，经过防洪工程联合模拟调度，与 1974 年实测值比较，南四湖下级湖最高水位降幅为 0.68 m；骆马湖最高水位降幅为 0.37 m；中运河运河站洪峰流量削减了 90 m3/s，削减率为 2.4%。防洪工程联合调度结果与 1974 年实测值对比如表 6 所示。

表6 防洪工程联合调度结果与1974年实测值对比表

4 结语

采用基于“河道-涵闸-湖泊-滞洪区”的防洪工程联合调度模型，在现状工况条件下，对 1974 年洪水进行了防洪工程联合模拟调度，得出以下结论：

1）1974 年 8 月，沂沭河、邳苍地区均出现大洪水，当年流域大部分防洪工程已建成，而且水文资料保存较为齐全，故选取此次洪水进行验证具有一定代表性。根据 1974 年洪水模拟调度结果与实测值对比分析，调度模型及演算结果基本合理，调度模型及采用的演算参数可以作为下一步优化调度的基础。该系统可为沂沭泗河防汛决策支持系统的可视化、规范化、组件化及平台的构建奠定基础。

2）在调度方案的选择决策上，应根据流域洪水预报合格率、大洪水发生概率，以及流域水利工程群的防护能力、面临的防洪压力等综合决定，选择经济、安全的方案。

3）根据洪水预报信息及时、迅速地做出响应，对防洪工程进行联合调度，可以大大减轻流域防洪压力，降低区域洪灾损失，防洪工程联合调度效益显著。

4）受实测洪水资料的限制，全流域大洪水资料较少，为验证和反映发生流域性大洪水时防洪工程联动的调度效果，在今后的研究中需收集整理 50 年，100 年一遇设计洪水过程，对调度系统进行更全面的验证。