平原河道闸坝群洪水资源联合调度研究

张 涛，张灵真，乔友刚，任传栋

（山东省水利勘测设计院，济南 250013）

我国北方干旱地区平原河道多具有防洪除涝、输水灌溉、生态蓄水等多种功能作用，由于平原区地势平坦、人口分布密集，以及土地开发程度高等原因，不易兴建水库拦蓄工程，洪水资源利用主要以拦河闸坝蓄水利用为主；由于河道径流主要集中在汛期，通常洪水历时短、峰高量大，面临着洪水资源利用难度大，而又存在非汛期缺水断流、生态恶化等问题。目前针对水库单库及库群的洪水资源优化调度取得了较多的研究成果［1，2］；对于河道闸坝群联合调度，张永勇［3］等采用SWAT 水文模型研究了淮河流域闸坝间水量水质调度，左其亭［4］等以淮河流域沙颍河为对象提出了闸坝群实时防污调控优化模型，水力计算常采用一维非恒定流模型［5-7］，能较好地用于复杂河网水系的水动力模拟。本文以山东省鲁北平原河道徒骇河为例，根据洪水规律及水利工程特点，研究水闸、橡胶坝梯级闸坝联合蓄水调度，在满足防洪除涝安全、生态流量要求、洪水利用率限制等约束条件下，尽量拦蓄洪水资源，增加河道内生态用水，以及向河道外沿线区域提供农业、生态环境等用水，为地区可持续发展提供资源支撑。

1 流域基本情况

（1）流域概况。徒骇河是海河流域南部一条具有防洪、除涝、灌溉等功能的大型河道，南依黄河、金堤河大堤，北接马颊河、德惠新河流域。该河起源于河南省南乐县，于山东省沾化县入渤海，河道全长436.35 km，流域面积13 918.7 km2，其中山东省境内河道长406 km，流域面积13 312.7 km2。徒骇河流域面积在300 km2以上的有赵牛新河、老赵牛河、土马沙河、秦口河、新金线河、赵王河、上四新河、西新河、七里河、苇河、沙河等11条（见图1）。

图1 河道闸坝示意图Fig.1 Schematic diagram of river gate and dam

（2）水文水资源。根据徒骇河流域雨量站1951-2013年共63年的降水资料进行统计分析，流域多年平均年降水量581.1 mm，流域天然径流量5.92 亿m3。实测径流量年内分配与降水量年内分配一致，都集中于汛期6-9月，根据控制站分析，汛期多年平均径流量占多年平均径流量的67.0%（刘桥闸）～80.5%（堡集闸）。

（3）干流调蓄工程。徒骇河干流山东省境内有闸坝19 座，设计总蓄水量1.59 亿m3，扣除闸坝间的重复库容，闸坝有效总库容为1.067 亿m3。

徒骇河流域人口密集，是鲁北引黄灌溉农业大区，水资源十分缺乏［8］，区内地下水开发现状已接近地下水用水总量控制指标上限，局部地区存在地下水超采现象，城镇生活、工业挤占农业、生态用水问题较为突出。

2 河道闸坝群联合蓄水调度模型

2.1 洪水调度特点

（1）河道功能多样性。平原河道通常承担防洪、除涝、输水、灌溉等多种功能，同时还承担河道自身生态补水功能，用水户包括河道外沿线的农业、生活、工业及生态用水。

（2）闸坝管理复杂性。大中型河道梯级闸坝管理权限分属通常较复杂，一般闸坝通常由县级水利单位管辖，大型闸坝、边界闸坝由地市或省级水利部门管辖，闸坝群调度存在调度不通畅、管理不协调问题，因此，流域洪水资源利用需要统管协调，争取全局最大利益。

（3）洪水调度时效性。在保证防洪安全的前提下拦蓄洪水径流，由于北方季节性河道汛期洪水通常历时较短，同时受径流过程、工程调度等因素的不确定性影响，实时调度注重时效性。

2.2 调度运用原则

在保证河道及流域防洪安全的基础上，实施闸坝群联合调度，尽可能拦蓄洪水资源，提高区域水资源调配能力。

（1）洪水预报。结合水文气象预报系统判定未来降雨及洪水发展趋势，决定是否需要蓄水，避免再次遭遇大洪水而进行反复的闸门控制。合理选择预蓄时机，避免过早或过晚蓄水。近年来该区域24 h 晴雨气象预报准确率在88%左右［9］，短时临近暴雨预警准确率达89%左右，为调度决策、操作实施等提供了准备时间。

（2）洪水调度原则。在洪峰之前的涨洪阶段闸坝应全部敞泄，保持行洪通畅。在洪峰之后的退洪阶段，分为行洪敞泄、蓄洪控泄两个阶段，在退洪初期当流量高于警戒流量时，闸坝宜全部敞泄；在退洪中期或末期，流量低于警戒流量时，可启用闸坝蓄水并满足下泄生态基流要求，当闸上水位达到设计蓄水位时，则按洪水来多少泄多少控制。

（3）闸坝群蓄水秩序。遵循“上游先蓄、下游后蓄”的闸坝群上下游蓄水原则，上游、中游闸坝在基本满足下泄生态水量的前提下，在退水阶段多拦蓄雨洪资源，避免洪水末期由于流量过小难以蓄满水量，浪费洪水资源；下游闸坝在退水初期及中期阶段宜保持行洪通畅以下泄洪水，在退水末期阶段尽可能拦蓄洪水。

2.3 约束条件

（1）蓄洪控制水位Zi。在保证河道防洪安全的前提下，避免联合蓄水可能给河道带来不确定性洪灾风险，第i个闸坝的蓄洪控制水位按蓄水位与除涝水位的小值控制：

式中：hi，蓄为闸坝设计蓄水位；hi，涝为闸坝设计除涝水位。

（2）蓄水时机Ti，蓄。考虑洪水过程不确定性，在退洪阶段当来水流量Qi(t)低于警戒流量考虑启动闸坝蓄水：

式中：Ti，峰为峰现时间；ΔT为峰后滞时，考虑洪水过程不确定性影响，需在洪峰过后某一时段后启用蓄水；Qi，警为警戒流量，一般取除涝流量。

（3）蓄洪下泄流量qi(t)。蓄洪阶段内闸坝按生态流量控泄，蓄满后按来多少泄多少控制，避免形成人造洪峰：

式中：hi(t)为t时刻河道水位；Qi，生河道闸坝断面处的生态流量。

（4）洪水利用率。考虑洪水期间的冲沙、冲淤、生态等需水要求，洪水资源利用率控制在合理范围内。参考相关成果，缺水地区水资源开发利用率维持在60%～70%［10］，本次洪水资源资源利用率上限取60%。

2.4 水力计算方法

（1）河道水力计算。采用圣维南方程［11］进行河道一维非恒定流水力计算，其连续方程按照质量守恒原理，运动方程按照动量守恒原理。

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。

（2）闸坝过流计算。对于敞泄水闸及橡胶坝采用堰流公式［12，13］计算流量：

式中：m为流量系数；σc为侧向收缩系数；σs为淹没系数；B为堰顶宽度；H1为包括行近流速的堰前水头。

对于控泄平板底孔闸门，淹没状态下的闸孔出流采用近似公式计算：

式中：μ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，当为自由出流时，H2=heε，其中ε为垂向收缩系数。

（3）闸坝水力迭代计算。当水闸（橡胶坝）上游水位抬高至设计蓄水位时，则按来水流量下泄，并保证闸（坝）上水位不超过设计蓄水位，采用迭代法试算闸门开启高度（坝袋挡水高度）。对于橡胶坝则适当降低坝顶高程；对于底孔闸则加大闸门开启高度，直至敞泄状态。根据坝址断面流量及上游、下游河道水位，反算闸门开启高度、坝袋挡水高度直至控制在误差精度之内。闸坝每次启闭开度按0.005 m 试算，水位精度控制在0.005 m 内，流量精度控制在0.05 m3/s 内。根据闸坝上游回水水位及坝址来水、下泄流量，采用水量平衡原理计算闸坝拦蓄水量。

3 实例计算

3.1 洪水选择

（1）典型洪水选择。对堡集闸1971-2012年年最大洪峰进行统计，典型丰枯年份选择偏丰年1973年7月、平水年1984年7月、偏枯年1985年7月洪水，洪峰分别为665、480、251 m3/s，经验频率分别为27.9%、48.8%、72.1%。

（2）区间洪水。对于闸坝群调度，上游闸坝调度影响到干流下游洪水，一般情况下对区间洪水影响较小，因此，以主要支流区间洪水作为洪水输入。根据主要支流分布情况，本次洪水源汇节点设置9个支流源汇节点，自上游至下游依次为起点（桩号11+300）、新金线河（桩号74+950）、赵王河（桩号106+320）、西新河（桩号125+950）、七里河（桩号156+320）、赵牛新河（桩号195+180）、老赵牛河（桩号223+690）、大寺河（桩号265+470）、沙河（桩号346+460）。198407号区间洪水详见图2。

图2 198407号洪水区间洪水Fig.2 Region process on 198407 flood

3.2 约束参数

（1）梯级闸坝。沿线水闸14 座、橡胶坝5 座参与联合调度，考虑蓄水位、除涝水位影响，洪水期间蓄水位不超过除涝水位，有效总库容为1.017 亿m3。

（2）生态流量。对王堤口闸、刘桥闸、宫家闸、堡集闸1970-2013年实测流量进行统计分析，汛期多年平均流量分别为6.3、16.0、26.4、49.3 m3/s。根据已知闸坝控制面积、平均流量，其他闸坝按照控制面积采用线性插值推求平均流量。河道生态流量采用tennant法［14，15］计算，洪水期间断面生态流量按照汛期多年平均流量比例的30%～40%控制，各闸坝控制流量0.6～15 m3/s，水位、流量控制参数详见表1。

表1 闸坝水位、生态流量控制参数及调算结果Tab.1 Adjust result and control parameters of water level and ecological flow

（3）蓄水时机。第一阶段行洪控制，洪水洪峰前均按敞泄控制；第二阶段蓄水控泄阶段，在退水阶段，且洪水流量小于除涝流量时开始蓄水；闸坝下泄流量不小于下游生态控制流量。

（4）河道断面。徒骇河采用实测断面资料，断面间距500m左右；主河槽糙率为0.024，滩地糙率为0.04；河道末端起推水位按照入海河口潮水位控制。

3.3 调算结果

（1）调蓄过程分析。水闸、橡胶坝在满足下泄生态基流的前提下，在退洪阶段蓄水，河道断面水位均不高于除涝水位，降低淹没两岸滩地风险。198407 典型洪水，昌东橡胶坝、宫家闸的闸下流量过程、闸上及闸下水位过程详见图3、4；溢流坝、底孔闸闸门控制过程详见图5。

图3 198407号洪水典型溢流坝、底孔闸闸下流量过程Fig.3 Flow process under typical overflow dam and bottom sluice on 198407 flood

图4 198407号洪水典型溢流坝、底孔闸闸上及闸下水位过程Fig.4 Level process above and below typical overflow dam and bottom sluice on 198407 flood

图5 198407洪水典型溢流坝、底孔闸闸门控制过程Fig.5 Gate control process of typical overflow dam and bottom sluice on 198407 flood

调洪末时，1984年典型洪水徒骇河干流水面线详见图6。至洪水结束时，部分闸坝未蓄满，原因一是洪水本身流量较小，不能满足蓄水量要求，二是当达到蓄水位时，由于下放生态基流，同时来水较小，导致闸上水位有所下降。偏枯年、平水年、丰水年典型洪水闸坝库容利用率分别为81.0%、94.7%、95.9%，干流来水为平水年及丰水年场次洪水时，闸坝库容利用率在95%左右。

图6 198407号洪水河道水面线Fig.6 River level process on 198407 flood

昌东橡胶坝、宫家闸涨洪阶段流量过程与天然流量过程基本一致，退水阶段流量过程均有所减小，主要是本级及上游闸坝对退洪阶段流量过程进行了洪水调节。昌东橡胶坝在洪水第3日前后，最小下泄流量为生态控制流量3.8 m3/s，宫家闸在第5～7日前后，最小下泄流量为生态控制流量7.9 m3/s，其余时刻均大于生态控制流量。昌东坝、宫家闸天然洪水洪峰分别为93.9、226.9 m3/s，上游闸坝群联合调度后的洪峰分别为90.3、215.5 m3/s，未形成人造洪峰，同时均略有减小。

（2）水量分析。经模型调算，典型场次洪水调算指标详见表2。

表2 典型洪水调算结果Tab.2 Typical flood adjust result

平水年198407 号洪水，洪水总量为1.564 亿m3，其中退洪阶段洪量为1.323 亿m3，闸坝调蓄水量为0.804 亿m3，洪水资源利用率为51.4%。3场典型洪水调算洪水期间，洪水资源利用率均不超过60%，枯水年198507号洪水的洪水资源利用率为最大为58.6%，丰水年197307号洪水的洪水利用率为最小为36.1%，可见，随着洪水量级越来越大，洪水利用率呈降低趋势。

（3）模拟与实测蓄水对比。通过实施联合调蓄，198507 号洪水、198407 号洪水、197307 号洪水，刘桥闸、宫家闸、堡集闸3座水闸增加总调蓄水量分别为717、972、1 125 万m3。随着洪水量级加大，调蓄水量随之加大；当来水为平水年及丰水年份时，干流闸坝模拟的调蓄水量基本一致，可见，平水年份的闸坝群基本能达到蓄满状态。对于平水年场次洪水而言，本次模拟调度的调蓄水量相对于实际蓄水量增加了2 倍左右，本次调度注重了洪水资源化利用，通过实施闸坝群联合调度，及时蓄水以减少弃水。在具体调度中，需要上下游各市县协同合作，借助预报手段尽量精准调度，寻求整体兴利效益最大化。

表3 洪水末时模拟与实测闸坝蓄水位对照Tab.3 Comparison between simulated and measured water level at last stage flood

3.4 风险辨识

闸坝洪水资源利用存在两种风险，一是人造洪水风险。当全部落闸或部分开启蓄水，一方面当上游有较大来水时，需要开闸泄水，给下游造成人为洪水；另一方面由于闸上水位高，当上游洪水来水较大时，泄水不及时，则可能导致上游洪水漫滩，造成洪灾淹没损失。二是蓄水不足风险。当落闸过晚，洪水来水较小，蓄水量不能达到设计蓄水要求，不能充分利用洪水资源。闸坝联合蓄水受干支流洪水过程影响密切，应结合现代气象预报技术，提前预判流域干流、支流洪水发展形势，统筹做好闸坝群防洪调度与兴利调度。

4 结 语

在满足防洪、生态流量等约束条件下，拟定水闸、橡胶坝调度规则，考虑区间洪水源汇影响，采用一维水动力学法对典型洪水进行动态演进模拟，实现徒骇河闸坝群联合蓄水调度，提高整体兴利效益。随着洪水量级越来越大，闸坝蓄满率越高，同时洪水利用率呈降低趋势；同时应避免下游人造洪水风险及蓄水不足风险。本文是在已知洪水条件下进行闸坝联合调度，下一步研究结合水文气象预报进行实时调度，并加强上下游的协同合作，提高联合调度的可操作性。