基于洪水演进计算的泗河滞洪区建设调控技术研究

郑灿强 张 莉 苏海进

一、泗河流域概况

（一）泗河流域水系构成

泗河发源于山东省泰安新泰市太平顶山西侧，流经新泰、泗水、曲阜、兖州、邹城、微山，于任城区辛闸村入南阳湖，全长159km，流域面积2357km2。流域内有大小支流32 条，其中左岸13 条，右岸19 条，其中流域面积100km2以上的一级支流5 条：大黄沟、济河、石漏河、小沂河、蓼河；大中型水库4 座，小型水库138 座，塘坝758 座。

（二）泗河流域防洪工程的重要性

泗河作为山洪河道，河形弯曲多变，地势起伏较大，超标准洪水来势凶猛，峰急浪高。短时间内两岸堤防难以承泄上游大量来水，极易造成决口，而且决口损失十分巨大。泗河防护区内，有规划中的济宁、兖州、曲阜、邹城大都市区，历史文化名城曲阜、邹城，济宁市的政治、经济、文化中心济宁城区，全国重要交通枢纽兖州；有兖州煤田的特大矿井鲍店煤矿、兴隆庄煤矿，以及济东煤田的二号井、三号井，装机360 万kW 的邹县电厂等大型煤矿和电力企业；有京沪、石新铁路，京福、日东高速公路等重要交通干线；人口100 余万，其中下游人口约74 万。

二、滞洪区建设规模的计算原理及方法

（一）决口口门与洪泛区范围的分析

决口口门的位置关系到淹没的范围及程度。根据泗河历年防汛经验，最危险的堤段有两处：一是位于右岸23+000 处的李家河口，决口洪水将由兖州市南部进入任城区，最后滞蓄在任城区接庄、石桥镇。二是高家村，此段位于小沂河入口至书院段的右岸（48+600～40+000），洪水由河槽直冲大堤，堤外地势低洼，堤身高而单薄，是最危险的堤段。高家村堤段决口后，将直接威胁京沪铁路和兖州城区，根据铁路桥涵的过水能力，有2/3 的水量由兖州城北向西南，洪水波及大安、泗庄、谷村、黄屯等乡镇，最后滞留在洸氵府河与蓼沟河之间；有1/3 的水量从兖州城向南，洪水波及城关、王因、接庄、石桥及黄屯南部，最后与下游决口的洪水一起滞留在下游的接庄、石桥镇。防洪工程完成以后，根据各河段地理位置、河形走势及设计堤防防洪能力，泗河遭遇超标准洪水（1/50），李家河口段已能满足泄洪能力，在高家村将出现决口危险，故本次决口水量及淹没范围按高家村处决口计。

（二）决口水量分析及超标准洪量的计算

1.计算原理

根据不同频率洪水，自上而下，按河道防洪能力确定是否决口及决口的先后次序。如遇50年一遇的洪水，首先根据书院站断面的洪水过程，看是否超过书院站至小沂河入口堤防的行洪能力，如超过，则超出部分水量即为造成洪灾的水量。此水量可从洪水过程线上采取近似的方法切割出来，起点为行洪能力，止点为河道的平槽泄量（计算示意图见图1）。下一段即小沂河入口至湖口段的洪水过程，考虑到上段已决口，以扣除决口流量的洪水过程与下段堤防行洪能力比较，确定是否决口，向下依次类推直至湖口。其他频率的洪水按同一方法进行推求。其各河段决口水量的总和即整个河段造成洪灾的洪量。

图1 决口流量过程线计算示意图

2.计算方法

各种频率洪峰流量，按湖东水文计算方法计算，水库调洪按半图解法，单辅助曲线进行计算，具体见式（1）～（3），决口水量计算按式（4）计算。

洪峰流量计算公式：

式中：S主支—主支流平均坡度；F—流域面积；R—各时段分配的净雨深，由湖东水文计算和查表而得。

洪峰历时计算公式：

式中各符号的含义同（1）式。滞洪区调洪计算公式：

式中：Q1、Q2—时段Δt 初、末的来水量（m3/s）；q1、q2—时段Δt初、末的泄水量（m3/s）；ΔV—时段Δt初、末的蓄水变量m3。

式中：Q（t）—大河流量过程曲线；q（t）—决口流量过程曲线；dt—计算时段，（h）。

3.计算结果

以泗河工程治理前后1/50 洪水标准为例，计算泗河洪水过程线、滞洪区泄洪流量线和调洪后泗河洪水过程线，计算结果见表1。滞洪区调洪前后泗河洪水流量过程线见图2。

图2 滞洪区建设前后泗河流量过程线图（1/50）

表1 泗河治理后1/50 洪水流量过程线及滞洪区蓄水量计算表

三、建设的必要性和调控的科学性

将泗河防洪工程治理前后，遭遇不同频率洪水，滞洪区滞水水量和上下游决口水量进行计算，统计对比见表2。

表2 滞洪区滞水水量和上下游决口水量计算成果表

（一）滞洪区建设的必要性

当遭遇50年一遇或100年一遇的洪水时，天然滞洪区的滞洪能力已不能满足防洪要求。洪水一旦漫堤决口，将造成巨大的经济损失和人员伤亡。工程现状中，只将泗沂三角地带滞洪区和相应河段作为整体，考虑其调蓄作用，所以滞洪区仅相当于天然水库，不能科学有效地控制滞洪区进出水量，使工程在遇到50年一遇超标准洪水时，滞洪区仅滞水796.7 万m3，下游李家河口附近仍会出现超标准洪水，致使该处险工险段可能出现决口。决口水量经计算为13583.2 万m3。所造成农林牧副渔、工矿企业、交通、旅游等各产业的经济损失，按2000年国民经济统计资料计算，约合人民币为26.23 亿元。其他频率工程前后决口水量对比见表2。

（二）确定滞洪区建设的规模和位置

根据工程的实际情况和防洪要求，本着既能充分发挥泗河防洪工程的重要作用，又能切实有效减少淹没损失，特别是保证下游两岸人民生命财产安全的原则，确定滞洪区的建设规模和位置。由表2可以看出，工程治理后，滞洪区最大滞水量应为1803.5 万m3，所以滞洪区的规模应不小于该滞水水量。根据滞洪区地形和地势，确定积水深度后，即可确定滞洪区的范围。根据历次泗河有关规划设计和工程运用实际，建议泗河滞洪区设在泗河左岸——泗沂三角地区（48+600～40+595）。根据地形图，按照设计洪水位55.3m（已扣除分洪闸过闸水头损失），滞洪区最大蓄水量为1831.53 万m3，满足滞洪要求。

（三）滞洪区调控的科学性

科学调度控制的原则为：（1）当泗河遭遇超标准洪水时，要将超标准洪水峰量尽量削减至设计行洪能力以下，以保证洪峰安全下泄；（2）在保证削减首次洪峰后，滞洪区仍有能力削减设计标准内的第二洪峰；（3）尽量降低滞洪区的滞洪水量，以减少淹没损失。所以在泗河防洪工程建成后，泗河滞洪区调控措施为：（1）遇20年一遇的洪水不需启用滞洪区；（2）遇50年一遇的洪水应及时启用滞洪区，并参照表1实时控制进洪闸的流量；（3）遇100年一遇的洪水，超出堤防设计和校核范围，此时该滞洪区上游白家店处可能出现决口风险，需提前进行加固处理，上游水库调蓄泄洪，需适时科学合理地启用滞洪区，以保障泗河下游行洪安全■