永定新河上下游闸群联合调度研究

2020-01-13张民升

海河水利 2020年3期

张民升，秦茜

（1.天津市永定河管理处，天津 300131；2.海河水利委员会水利信息网络中心，天津 300170）

1 研究的必要性

海河流域的北四河系是由北运河系、潮白河系、蓟运河系和永定河系构成，这些河系的雨洪水主要经过天津市境内的北京排污河闸、里自沽闸、宁车沽闸、蓟运河闸等水闸控制下泄，在永定新河左岸汇入永定河系的永定新河，经永定新河防潮闸（以下简称防潮闸）汇入渤海。统计资料显示，天津市入海雨洪水总量的约75%通过防潮闸下泄，也就是说天津市近3/4 的雨洪水需要经过以上控制性工程入海，这就要求在防汛工作中要把北京排污河闸、里自沽闸、乐善橡胶坝、宁车沽闸、蓟运河闸、永定新河深槽蓄水橡胶坝、防潮闸的控制运用相互关联起来，通过开展联合运行合理安排水闸启闭时间，最大限度发挥水闸的泄水能力和效率，提高水资源利用率，进一步保证北四河系防洪安全。

2 存在问题

2.1 北四河系洪水下泄能力受防潮闸下潮位控制

防潮闸在正常工况下需要利用落潮期开展运行，每次运行泄水在2 000万～3 000万m3，由于蓟运河闸距防潮闸2 km、宁车沽闸距离防潮闸9 km，两闸闸下水面线在短时间内即可受到防潮闸运行影响。同时，防潮闸为完成挡潮蓄淡任务，运行时机与时间受潮位变化影响，如遇上游河道来水较大的情况，必须提前沟通上游工程的运行信息，以便防潮闸提前腾空河道，预留足够的槽蓄量来满足上游河道来水下泄需要。

2.2 永定新河下段河道设计过流纳容能力不足

永定新河自宁车沽闸下河道设计流量4 640 m3/s，与防潮闸设计流量相同，宁车沽闸与防潮闸之间在河道设计洪水中未将蓟运河河道来水量进行叠加考虑。

由于蓟运河的河道标准比较低，为保证蓟运河洪水顺利下泄，必须综合考虑北四河下游各条河道的来水情况，利用堤防的地势条件、河道的槽蓄量、各闸与防潮闸之间的距离（也就是水面线传播时间）统筹开展运行，才能确保各河道的洪水能够全部顺利排出。

2.3 蓟运河河道治理标准偏低，必须重点保证

由于蓟运河河道干流长达154 km、弯道多，过去作为航运河道，为了降低河底坡降人为修建了很多弯道，现状河底纵坡平均达到1∶43 900，造成雨洪水下泄非常缓慢。蓟运河的防洪标准为20 a 一遇，局部堤段还未进行彻底治理，而其他河道的防洪标准全部是50 a 一遇，特别是蓟运河的警戒水位与保证水位之间只有40 cm，2个水位之间的有效槽蓄量约为2 600 万m3，对于两岸排沥水排入河道以及上游洪水下泄来说，很难起到明显的作用。因此，如果蓟运河来水和其他河道来水碰头，在蓟运河洪水下泄困难的情况下一旦河道水位突破了警戒水位，如不采取其他水闸让路措施，蓟运河将会很快突破保证水位，加重上游险工险段防守压力。

2.4 北四河系控制性水闸年度泄水量比较稳定，汛期泄水量集中，易造成洪水碰头问题

防潮闸作为北四河系控制性工程，其上游来水主要通过北京排污河、潮白新河、蓟运河3条河流下泄。从防潮闸上游来水量组成来看，北京排污河闸上游虽然没有集中水量，但其年度泄水量占防潮闸泄水量的25%以上；蓟运河闸上游来水量虽然不大，但其年度泄水量占防潮闸泄水量的30%以上。从单闸泄水量看，各闸汛期泄水量占年度泄水量的60%左右，因此需要对北四河系重点控制性工程进行联合运用，以提高水闸单孔运行效率。

2.5 拦河橡胶坝需要纳入联合运用，避免人为形成洪峰

为了做好水资源利用，天津市在永定新河桩号26+000处建有永定新河深槽蓄水橡胶坝、潮白新河宁车沽闸闸上10 km处建有乐善橡胶坝，这2座橡胶坝通过抬升河道水位，利用河道的槽蓄量进行蓄水，这也导致下游水闸运行的有效河道长度缩短。当上游有洪峰过境，一旦橡胶坝落坝，将在河道中形成一个集中峰值，直接影响到下游水闸的运行安全。因此，需要将2座橡胶坝纳入联合运行中，以确保河道整体调度以及雨洪水平顺下泄。

2.6 北京排污河闸长时间小开度泄流，造成运行效率低下

北京排污河闸虽然设计流量不大，但由于该闸位于永定新河上游且其上游河道常年来水、频繁启闭和单次长历时、小流量的运行特点，造成下游永定新河河道水位持续上涨，而防潮闸为了确保河道控制水位同时兼顾上游用水需求，需要增加运行频次，使得单次运行效率降低。

3 综合因素分析

3.1 河道来水量分析

北四河系来水中永定河上游来水较少，北运河洪水主要经青龙湾减河入潮白新河或经过北京排污河下泄，为此本次研究中未将屈家店枢纽纳入联合调度。

防潮闸作为北四河系控制性工程，其上游来水主要通过北京排污河、潮白新河、蓟运河3条河道下泄。2016年，防潮闸共泄水14.12亿m3，其中北京排污河闸泄水4.186亿m3，占防潮闸总泄量的30%；潮白新河宁车沽闸泄水4.30亿m3，占防潮闸总泄量的30%；蓟运河闸泄水5.36 亿m3，占防潮闸总泄量的38%。2017 年，防潮闸共泄水11.34 亿m3，其中北京排污河闸泄水2.83 亿m3，占防潮闸总泄量的24.96%；潮白新河宁车沽闸泄水3.72 亿m3，占防潮闸总泄量的32.8%；蓟运河闸泄水3.29亿m3，占防潮闸总泄量的29.01%。

从以上数据可以看出防潮闸上各河道来水量的对比情况，虽然通过对比可以得出北京排污河、潮白新河、蓟运河的来水量比较平均，但由于各河道堤防工程的设计标准和治理程度不同，特别是蓟运河堤防有治理不达标段导致工程标准较低，加之潮白新河与蓟运河相距仅7 km 运行时容易互相影响等原因，必须在调度运行中综合考虑各河道的来水情况，以确保北京排污河、潮白新河、蓟运河上游河道的堤防工程运行安全。

3.2 控制水位分析

根据天津市防办《关于印发〈天津市主要行洪河道特征水位〉的通知》内容比较可以得知，蓟运河闸的警戒水位和保证水位均低于其他各闸，且差值较小，加之蓟运河河道堤防工程标准低导致两水位之间的河道纳容能力偏小，因此为保证蓟运河来水的顺利排出，必须通过对其他闸坝的联合运行来确保蓟运河上游河道堤防安全。

3.3 主要河道槽蓄量分析

防潮闸上控制水位与警戒水位之间槽蓄量约3 650 万m3，考虑上游汇入永定新河流量1 000 m3/s的情况下，可为上游各河提供约10 h 的汇流时间。在需要上游各河错峰给蓟运河来水让路的情况下，北京排污河和潮白新河需要下泄的来水可以充分利用这部分槽蓄量。

潮白新河宁车沽闸上控制水位与警戒水位之间槽蓄量约1 400万m3，考虑乐善橡胶坝落坝、里自沽闸泄水500 m3/s且宁车沽闸闭闸错峰为蓟运河泄水的情况下，可为里自沽闸提供约8 h的控泄时间。

北京排污河由大三庄闸至北京排污河闸长约33 km河道在这2个水位之间的槽蓄量约为900万m3，此部分槽蓄量可为北京排污河闸上游来水325 m3/s的情况下提供约7.5 h的闭闸错峰时间。

因蓟运河河道地势较低、河道长、河势弯曲和上游存在险工险段且洪水下泄困难，因此不能考虑蓟运河槽蓄量。

从上述槽蓄量分析可以看出，北京排污河、潮白新河、永定新河等河道在汛限水位与警戒水位之间均存在较大的槽蓄量，这给闸群联合运行调度提供了时间和容量。

4 闸群联合调度原则

为保证北四河系洪水安全下泄，必须通过对防潮闸、蓟运河闸、宁车沽闸、北京排污河闸、里自沽闸以及永定新河深槽蓄水橡胶坝、潮白新河乐善橡胶坝开展联合调度，主要原则是对上游河道入永定新河的北京排污河闸、宁车沽闸、蓟运河闸、防潮闸的运行时机进行掌控，同时加强潮白河上游里自沽闸、乐善橡胶坝以及永定新河深槽蓄水橡胶坝运行信息沟通，确保下游各闸能够科学有序的调度运行。

4.1 防潮闸上游1条河道来水

（1）北京排污河来水。北京排污河闸因汛期控制水位高于防潮闸、宁车沽闸闸上警戒水位及蓟运河闸保证水位，因此在上游来水的情况下，该闸运行不受下游永定新河水位影响，可按照控制水位直接运行。

（2）潮白新河来水。宁车沽闸控制水位高于防潮闸控制水位，可按照控制水位开展运行，但若潮白新河来水量较大，则需防潮闸赶潮运行，以确保洪水顺利下泄。

（3）蓟运河来水。由于蓟运河闸控制水位与防潮闸控制水位接近，蓟运河来水下泄时蓟运河闸必须与防潮闸开展联合运行，利用防潮闸低潮位运行时段泄水或通过预先降低水位的永定新河槽蓄量泄水。

4.2 防潮闸上游2条河道来水相遇

（1）北京排污河和潮白新河同时来水。由于北京排污河闸控制水位高于潮白新河宁车沽闸控制水位，其洪水下泄不受下游河道水位影响；同时，由于北京排污河闸设计流量较小，常采用小流量长历时的运行方式，且该闸距离宁车沽闸28 km，可利用永定新河槽蓄量直接运行。

潮白新河宁车沽闸距防潮闸约9 km，该闸控制水位高于防潮闸闸上控制水位，当闸上水位高于控制水位时宁车沽闸可以直接运行；但当潮白新河上游里自沽闸提闸、乐善橡胶坝落坝时，需视上游来水情况提前运行防潮闸降低河道水位，宁车沽闸和防潮闸开展联合运行。

（2）北京排污河和蓟运河同时来水。为保证蓟运河洪水下泄，此时应先关闭北京排污河闸，运行防潮闸，蓟运河闸与防潮闸开展联合运行，利用低潮位时段下泄蓟运河洪水。

因蓟运河闸控制水位较低，其可运行时间较短，蓟运河闸运行时必须关闭北京排污河闸，蓟运河闸闭闸后北京排污河闸方可提闸运行。

（3）潮白新河和蓟运河同时来水。因蓟运河闸、宁车沽闸距防潮闸较近，两闸应充分与防潮闸进行联动，利用一个落潮时间段开展运行。

一般情况下，防潮闸低于控制水位的一个低潮时段长约2～3 h，极低潮时段长约4～5 h。如两河同时超过控制水位，则先运行宁车沽闸，将潮白新河水泄入永定新河，提高防潮闸闸上水位，给防潮闸提前运行创造条件。

防潮闸运行以后，闸上水位将随着潮位的降低而降低，待蓟运河闸上下游水位具备提闸条件后运行蓟运河闸，此时关闭宁车沽闸，利用低潮位最大程度下泄蓟运河来水。防潮闸闸下涨潮后，蓟运河闸闸下水位接近闸上水位时关闭蓟运河闸，此时开启宁车沽闸，利用永定新河与潮白新河的水位差继续下泄潮白新河来水。

由于潮白新河河道堤防标准较高，如两河来水压力均较大，可提前关闭宁车沽闸，利用潮白新河槽蓄量缓滞洪水，为蓟运河闸运行提供便利。按照2012、2016 年数据，防潮闸压潮运行时宁车沽闸闸上水位分别达到了超警戒水位80、97 cm 仍可保障运行安全，所以在潮白新河河道水位较高、宁车沽闸超警戒水位且没有天文大潮的情况下，防潮闸闸下潮位不会对宁车沽闸的运行造成影响。

特殊情况下，潮白河、蓟运河来水都较大，超过警戒水位，同时防潮闸处在小潮期间（潮底比较高且潮差小），由于潮白新河的防洪标准为50 a一遇并经过达标治理、蓟运河的防洪标准为20 a 一遇且存在险工险段，此时应该适当控制宁车沽闸的运行，为蓟运河排水创造条件。宁车沽闸尽量安排在蓟运河闸闭闸后运行，以保证蓟运河充分泄水。

4.3 防潮闸上游3条河道来水相遇

当蓟运河、潮白新河、北京排污河同时来水时，为保证蓟运河洪水下泄，必须提前关闭北京排污河闸，为下游的蓟运河闸、宁车沽闸运行提供基础条件。此时，可按照蓟运河、潮白新河两河来水相遇情况调度蓟运河闸、宁车沽闸以及防潮闸，北京排污河闸可在蓟运河闸关闭后与宁车沽闸同时开启，利用其河道位置较高的优势下泄北京排污河来水。

4.4 里自沽闸、乐善橡胶坝运行

里自沽闸洪水传播至宁车沽闸的时长约12 h，此时乐善橡胶坝应提前落坝，为宁车沽闸的充分运行创造条件。由于乐善橡胶坝至宁车沽闸河道长度约10 km，加上自汛限水位至警戒水位之间的槽蓄量约700 万m3，宁车沽闸运行一次的效果不明显。而乐善橡胶坝上游至里自沽闸蓄水量约3 000万m3，落坝时会人为制造一个小洪峰，急速抬升宁车沽闸闸上水位，2017年曾有过闸上水位上涨13 cm/h 的记录。因此，里自沽闸、乐善橡胶坝运行前需与宁车沽闸联动，将运行计划提前通知下游相关单位，以确保运行安全、动作及时准确。

2017 年冬季，里自沽闸小流量运行（1 孔0.6 ～1.2 m、日均流量20～50 m3/s），乐善橡胶坝漫坝后宁车沽闸闸上水位缓慢上涨，由于处于闸上已经封冻，宁车沽闸只能减少孔数运行（日均流量40～50 m3/s），以避免破坏上游冰盖，造成该闸运行频次增加和钢丝绳、止水磨损比较严重。因此，建议冬季应该适当抬升宁车沽闸闸上水位，以增加河道槽蓄量来保证水资源，同时减少宁车沽闸的运行频次。

4.5 北辰区永定新河深槽蓄水橡胶坝运行

永定新河深槽蓄水橡胶坝位于永定新河桩号26+000 处，其下游为北京排污河入永定新河交口，该坝为了郊野公园景观效果常年处于鼓坝运行状态。由于其坝顶高程高于蓟运河闸保证水位，坝上槽蓄量677 万m3，若落坝运行必须提前通知下游相关单位，以确保永定新河下游段各闸站合理安排调度运行。

5 运行实例与结论

2018 年8 月8 日开始，潮白新河上游水量逐渐加大，里自沽闸加大泄量，宁车沽闸、蓟运河闸采取了与防潮闸同步运行的方式，此时以宁车沽闸泄水为主。由于蓟运河河道长且上游洪水下泄困难，蓟运河闸、宁车沽闸于8月10日开始错峰运行,即防潮闸运行主要配合蓟运河闸进行，宁车沽闸运行尽量与蓟运河闸运行避开，为蓟运河闸泄水创造条件。

8 月 11 日凌晨 4 时 22 分防潮闸提闸，4 时 37 分蓟运河闸提闸，8 时左右宁车沽闸采取了闭闸错峰措施，此时防潮闸水位接近最低点，蓟运河闸的瞬时流量达到708 m3/s，为相同水位情况下该闸瞬时流量统计的最大值。

8 月13 日开始，受河系强降雨影响，蓟运、潮白两河系来水均逐步加大，潮白新河受过境洪水影响水位持续上涨，蓟运河受两岸排沥影响水位缓慢上涨。为了保证雨洪水下泄，三闸全天候开展运行，每次运行均采用全孔数敞泄的方式。受台风“摩羯”影响，蓟运河沿线沥水集中排出，为了确保蓟运河闸充分泄水，14 日 20 时 47 分，防潮闸敞泄；21 时 18 分，宁车沽闸在闸上水位超警戒水位25 cm的情况下闭闸错峰；21时23分，蓟运河闸敞泄，此时闸上水位超警戒水位20 cm。宁车沽闸闭闸后，闸上水位上涨速度最快达到7 cm/h，最高达超警戒水位81 cm，根据水情安排宁车沽闸再次运行，该闸瞬时流量达到1 443 m3/s，接近2016年1 450 m3/s的最大值。在这次运行后，宁车沽闸上水情逐步趋于稳定，由于将要出主汛期，转为采取将闸上控制水位适当抬升的保水措施，及时拦蓄汛末尾水，做好水资源的留控工作。

5.1 有效解决了水闸什么时候运行的问题

防潮闸作为北四河系来水的共同入海通道，需要根据下游潮位开展运行，因此每次运行能够下泄的水量有限，需要统筹考虑各河系来水。以往的各闸均按照控制水位开展运行的模式会导致在集中来水情况下部分河道泄水压力陡增，通过联合调度，在防潮闸的一次启闭过程中，给上游每座水闸均安排运行时间，各控制性水闸按照运行时间节点次序开展运行，这样各河系雨洪水均能够有效排出。

5.2 有效解决了重点河系的出险隐患

由于闸群联合调度充分考虑了河道槽蓄量、各控制性水闸的控制运用水位、上游河道的防洪标准等条件，因此可以对上游多河系同时来水的情况进行统筹运用安排。当河道来水较大或重点河道发生险情时，可以不按照水闸超过控制水位运行的要求，利用其他水闸上游河道槽蓄量为重点河道雨洪水下泄提供时间差，最大限度保证各河系防洪安全。

5.3 有效提升了水闸运行效率

水闸运行效率主要是看单孔单次运行泄水量，由于防潮闸闸上水位会随着潮位有着顶慢、坡快、底慢的规律性变化，联合运行充分利用了防潮闸每次运行造成的河道水位变化，最大限度发挥河道纳容能力，通过高水位河道充分提升防潮闸闸上水位，使防潮闸的运行持续时间得以增加；通过利用水面线坡降优势给处于泄水劣势的蓟运河闸创造运用条件，使得蓟运河闸运行效率得以提升。