沂沭泗流域规则调度及结果分析

赵艳红，罗煜宁，张秀菊，谷黄河

(1.沂沭泗水利管理局，江苏 徐州 221009；2.河海大学，江苏 南京 210098)

沂沭泗流域地处我国东部，介于长江、黄河两大流域间，东临黄海。由于受东亚季风气候的影响，夏季多雨，且多集中在7—8月份，占总降雨量的70%～90%，易导致流域旱涝同期异地发生、旱涝同期交替[1]及沂河、沭河同时发生大洪水的情况[2]。近些年，沂沭泗流域相继修建完成了一批防洪工程群，尤其是东调南下工程全面建成后，流域整体防洪能力得以提高。本文以流域1974年典型大洪水为例，对典型洪水在现状防洪工程群下的行洪过程进行分析，讨论目前防洪调度中存在的问题，为提高流域防洪效益与防洪能力，以及今后实施流域优化调度提供决策支持。

1 流域水系及主要防洪工程概况

1.1 河流水系

沂沭泗水系是沂、沭、泗(运)三条水系的总称，位于淮河流域东北部，河网密布，主要河道相通互联，水系极其复杂。流域面积7.96万km2，约占淮河流域面积的29%。

泗运河水系由泗河、南四湖、韩庄运河、伊家河、中运河等组成，流域面积约4万km2。南四湖在1960年兴建二级坝枢纽工程后分为上下两级湖，汇集上游各支流洪水，经韩庄运河、伊家河及不牢河进入中运河。中运河上接韩庄运河和邳苍区间来水，下与骆马湖间断相通。

沂河水系由沂河、骆马湖、新沂河等组成，流域面积约1.48万km2。沂河通过彭道口闸控制分沂入沭水道使沂河洪水进入沭河；通过江风口闸控制邳苍分洪道使洪水入中运河。沂河下游是骆马湖，其上承沂河并接纳泗运水系和邳苍地区来水，由嶂山闸和皂河闸及宿迁闸控制下泄。

沭河与沂河平行南下，经大官庄枢纽分为两支，分别南下入新沂河和向东入新沭河，东调洪水经石梁河水库调蓄后入海，流域面积约9260km2。

1.2 防洪工程及其设计能力

流域内主要防洪工程包括水库、河道堤防、节制闸或分洪闸、湖泊、滞洪区[3]等，本文预报洪水(断面)为沂河临沂站、大官庄枢纽、南四湖上级湖入湖流量过程。因此，本研究范围不包括水库工程。

1.2.1 沂河防洪工程

包括沂河河道堤防、分沂入沭水道、邳苍分洪道、刘家道口枢纽(刘家道口节制闸、彭道口分洪闸)和江风口分洪闸。

1.2.2 沭河防洪工程

包括沭河河道堤防、大官庄枢纽(新沭河闸、人民胜利堰闸)。

1.2.3 南四湖、韩庄运河及中运河防洪工程

包括湖西大堤、湖东堤、二级坝枢纽、韩庄枢纽、蔺家坝闸、湖东滞洪区、韩庄运河与中运河堤防等。其中韩庄枢纽包括韩庄闸、伊家河闸、老运河闸；湖东滞洪区包括白马片(上级湖泗河～青山段)、界漷片(上级湖界河～城漷河段)及蒋集片(下级湖新薛河～郗山段)。

图1 沂沭泗流域防洪工程分布与各节点设计能力图

1.2.4 骆马湖与新沂河防洪工程

包括骆马湖一线、宿迁大控制、嶂山闸及黄墩湖滞洪区等。其中，河道堤防包括骆马湖湖堤、新沂河河堤；分洪闸包括嶂山闸、皂河闸、宿迁闸等。

沂沭泗流域防洪工程分布与各节点设计能力如图1所示。

1.3 防洪工程调度原理

洪水合理调度对发挥工程效益和减少洪灾损失至关重要[4]。现状情况下沂沭河流域防洪调度遵循2012年6月修订的《沂沭泗河洪水调度方案》(以下简称“规则调度”)。根据调度方案，流域洪水遵循“沂河、沭河尽可能东调”原则，沂河、沭河洪水分别以临沂站、大官庄站预报流量作为调度依据，南四湖与骆马湖根据水位实施“分级调度”[5]。本文以该调度规则进行计算，对调度结果进行分析。

1.3.1 河道演算模块

根据主要河道主要控制站预报洪水过程，以马斯京根法为基础建立河道洪水演算模型，即：

(1)

W=KQ=K[Ix+(1-x)O]

合并上述两式得：

O2=C0I2+C1I1+C2O1

(2)

式中，

I—入流量；O—出流量；W、W1、W2—槽蓄量；K—稳定流时的传播时间；C0、C1、C2—系数。

根据上游站出流峰值及同次洪水中游河道站洪峰流量，计算出河段代表流量；由河段代表流量，求得演算河段稳定流传播时间K；结合时段长Δt(2h或6h)、特征河长l，河段长L等，按下面公式计算：

计算出演算河段的单元河段数n及单元河段流量比重因数Xl，计算出河段演算系数C0、C1、C2。

1.3.2 涵闸分流模块

根据水力学公式计算各涵闸不同流态(自由孔流、淹没孔流、自由堰流、淹没堰流)的泄流曲线，依据闸上水头、闸下水头等计算不同闸门分洪量。计算方法见式(3)与式(4)。

(3)

式中，B—溢洪道净宽，m；h1—堰上水头，m；m—流量系数；ε—侧收缩系数。

若为底孔泄流，则泄流公式为：

(4)

式中，ω—孔口出流面积，m2；h2—堰上水头，m；μ—孔口出流系数。

1.3.3 湖泊蓄洪模块

在湖泊水量平衡和动力平衡的基础上，根据湖泊水位-库容关系、库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。计算公式见式(5)—(6)。

(5)

q=f(V)

(6)

式中，Q1，q1—时段初入湖、出湖流量，m3/s；Q2，q2—时段末入湖、出湖流量，m3/s；V1，V2—时段初、末湖泊蓄水量，万m3。

1.3.4 滞洪区滞洪模块

类似湖泊蓄洪模块，建立滞留区滞洪模型。

2 典型洪水调度

2.1 1974年典型洪水概况

1974年8月，沂沭河和邳苍地区出现大范围暴雨，继发流域大洪水。降雨过程主要在8月10—14日，最大雨量达435.6mm。本次大洪水特点是：南四湖来水不大，但沂河、沭河同时遭遇大洪水，且沭河洪水为建国以来最大。暴雨后临沂站流量仅一天就从79m3/s上涨至最大洪峰流量10600m3/s。沭河大官庄站14日与沂河同时出现洪峰，由于沭河暴雨中心出现在中游，沭河大官庄还原后的洪峰流量为11100m3/s，相当于百年一遇标准。邳苍地区处于暴雨中心附近，与邳苍分洪道分泄的洪水叠加后，中运河最大洪峰流量3790m3/s、最高水位26.42m，为建国以来最大。新沂河沭阳站16日晚出现历年最高水位10.76m，最大流量6900m3/s。

本文以沂河、沭河、南四湖、中运河、骆马湖各主要断面预报流量、水位资料为依据，以上游测站的预报洪水过程作为边界条件，依照调度方案计算下游站点的洪水过程，并与下游站点实测洪水过程进行对比分析。计算节点包括：①彭道口闸、刘家道口闸、港上、新安、运河站等各节点的流量；②骆马湖上下级湖的水位；③嶂山闸与沭阳闸的泄流量。

2.2 1974年典型洪水调度结果

根据《沂沭泗河洪水调度方案》(2012年6月修订)对1974年8月洪水进行计算，洪水调度结果见表1。

表1 沂沭河1974年历史洪水预报调度结果分析 单位：m3/s；m

(1)临沂站预报洪峰为10132m3/s，与实测值的相对误差为-4.4%。根据临沂站预报流量过程计算得到彭道口闸和刘家道口闸流量过程，其中彭道口闸，以下泄能力下泄，剩余流量经刘家道口下泄。彭道口闸最大洪峰流量达到3096m3/s，与实测值基本吻合；刘家道口闸预报流量偏大8.0%，刘家道口闸流量超过8000m3/s，因此需要开启江风口闸泄洪2520m3/s。由刘家道口闸预报流量过程计算的港上站洪峰流量偏小11.7%。

(2)大官庄预报洪峰为9286m3/s，与实测值(大官庄(老)+大官庄(新))相比偏大72%，据统计当年沭河上游有68处漫溢决口，因此实测值本身偏小。根据沭河大官庄站预报洪水过程计算的大官庄(新)和大官庄(溢)偏大，新安站预报洪水过程洪峰较实测值偏小24%。

(3)南四湖上级湖预报入库洪峰流量485m3/s，远小于二级坝闸的泄流能力，因此上级湖水位维持起调水位。下级湖预报入库洪峰流量801m3/s，小于韩庄枢纽泄流能力，下级湖也维持起调水位。总之，南四湖预报流量过程与实测流量过程有较大差异。

(4)根据南四湖预报出库流量，计算台儿庄站洪峰流量为882m3/s，较实测值偏小。根据南四湖预报出库流量和邳苍区间预报流量，计算得到运河站预报流量过程，预报洪峰为2895m3/s，较实测值偏小23.6%。

(5)以运河站和港上站预报洪水过程以及湖滨区间预报洪水过程，计算骆马湖的入库洪水过程，经调洪演算得到骆马湖出库和水位变化过程，计算得到骆马湖1974年典型洪水最高库水位24.58m；计算嶂山闸最大泄量5489m3/s，皂河闸最大泄量1000m3/s，峰现时间误差在18h(3个计算时段)以内。

根据嶂山闸和新安预报洪水过程结合嶂沭区间预报过程，演算得到沭阳站洪水过程，计算沭阳站洪峰流量7252m3/s。

2.3 现状调度方案结果分析

沂沭河流域内分布的水库、湖泊、分洪闸等防洪工程在保障流域安全方面发挥了重要作用。经计算，在发生1974年历史大洪水，流域各防洪工程断面流量或水位均未超过工程设计能力，洪水均能顺利经新沭河、新沂河等入海。但受上游溃堤、预报精度、调度方案等诸多因素的影响，调度结果与实测值之间还存在一定误差，在调度过程中各节点分洪流量还存在需要调整的地方。

2.3.1 调度误差

(1)大官庄站流量误差原因：流域节点的洪水预报受到多种因素的影响[6]，据统计，1974年8月沭河上游有68处漫溢决口，因此导致大官庄站实测值较预报值小；根据沭河大官庄预报洪水过程计算的大官庄(新)和大官庄(溢)值较实测值大。

(2)沂河彭道口闸计算流量与实测流量间误差原因：由于本次洪水调度系根据调度方案，即完全按照“规则”进行调度，“方案规则”与“调度决策”有一定差异。同时，由于部分工程建成年代滞后于洪水发生时间，其“设计能力”与“实际能力”间也存在差异，因此，造成了彭道口等防洪工程的计算洪峰与实际值的误差。

(3)缺乏实测资料：部分节点或区间，例如台儿庄、运河站邳苍区间、骆马湖实际出流包括嶂山闸、宿迁闸与皂河闸等缺少实际洪水信息，在计算时无法进行对比计算，也是误差产生的原因之一。

2.3.2 问题探讨

根据计算结果，1974年典型洪水情况下，大官庄枢纽存在防洪压力过大、南四湖上下级湖水位差不合理的情况。

(1)大官庄枢纽除了要承接沭河来水，还要承接分沂入沭分洪量，因此当沂河和沭河同时遭遇大洪水，1974年典型洪水，大官庄枢纽防洪压力很大。按照流域调度方案计算，现状水利工程条件下大官庄枢纽最大泄量达到了设计流量。因此，在流域调度中，应灵活运用调度方案，对沂河分沂入沭流量结果进行人工干预、调整，以减轻大官庄枢纽防洪压力。

(2)二级闸泄流设计能力较大，而1974年南四湖来水过程较小，因此，若按照调度方案调度，则计算结果为入库洪水全部及时下泄，上级湖库水位基本不升高，维持在起调时刻的33.86m，下级湖最高水位也基本维持在31.81m。与二级闸实际泄流能力不符[7]，也与历史调度中上下级湖水位差在约1.5m左右的“经验值”有较大差异，同时，上级湖和下级湖出库洪峰流量出现时间也和实际有较大差别。此外，调度时仅考虑防洪，未考虑兴利蓄水，这导致在实际入湖洪水较小时，湖泊仍保持较大的下泄量。

(3)骆马湖库容小，承接了沂河、南四湖、邳苍区间等多支洪水，在遭遇大洪水的情况下水位上升较快，防洪压力大。因此，在发生大洪水情况下，可充分利用南四湖调洪能力大和水位上升慢的特点，适当减少下泄量，在韩庄枢纽下泄过程中统筹考虑南四湖、中运河、骆马湖水情，这样在保证南四湖安全的前提下，可以降低中运河和骆马湖的防洪压力。

3 结论与建议

沂沭泗流域已形成了相对完善的防洪工程体系，在现状水利工程下，当流域发生1974年典型洪水时，通过上游水库、南四湖、骆马湖对洪水的调蓄，大官庄和刘家道口枢纽等工程对洪水的合理调度分泄，洪水均能顺利经新沭河、新沂河等入海，可以保障流域内人民生产生活安全。

流域调度方案在实施时仍存在灵活运用、合理调整的空间。在今后的研究中，尤其是在研究流域优化调度[8]问题时，应考虑不同水系、不同工程间的流量合理分配、上下级湖水位差的实践经验等问题。建议在遵循防洪调度方案“沂沭河洪水尽可能东调”原则及“按照临沂站与大官庄枢纽预报流量、按照南四湖上下级湖水位”分级调度的基础上，结合历史洪水调度实践，对流域各计算节点的流量或水位结果进行干预、调整，以使流域防洪综合效果更加显著。