基于流域超标准洪水决策支持系统的沂沭河“8·14”洪水研究

黄渝桂 王慧凤 殷卫国

（中水淮河规划设计研究有限公司 合肥 230601）

1 概述

沂河是沂沭泗水系中最大的山洪河道，河道全长333km，流域面积11820km2。沂河在彭家道口向东辟有分沂入沭水道，分沂河洪水入沭河；在江风口辟有邳苍分洪道，分沂河洪水入中运河。

沭河自源头至新沂口头，河道全长300km，流域面积6400km2。源头至临沭大官庄，河道长196.3km，区间流域面积4519km2。大官庄至口头，河道长104km，区间流域面积1625km2。较大的支流有袁公河、浔河、高榆河、汤河等，大部分从左岸汇入。

2020年，沂沭河发生洪水，主要是沂河、沭河上游，受副高边缘暖湿气流和蒙古气旋南部的冷空气共同影响，8月13—14日，沂沭河流域发生超强暴雨天气，沂河、沭河累计平均降雨量165mm，100mm 以上暴雨笼罩面积1.07 万km2，几乎笼罩沂河临沂站以及沭河重沟站以上所有区域；200mm 以上暴雨笼罩面积0.5 万km2，笼罩沂河临沂站以及沭河重沟站以上核心区域。沂河临沂站14日19 时出现洪峰流量10900m3/s，为1960年以来最大洪水，刘家道口闸出现最大泄量7900m3/s，彭道口闸出现最大泄量3360m3/s；沭河重沟14日19 时出现洪峰流量6320m3/s，为1974年以来最大洪水，大官庄人民胜利堰14日23 时出现最大泄量2800m3/s，新沭河泄洪闸14日23 时最大泄量6500m3/s，均超历史。石梁河最大入库流量6080m3/s，超过历史最大3870m3/s，为了腾空库容，水库提前预泄，最大下泄流量出现在14日23 时，最大流量4700m3/s，超历史最大泄量3950m3/s。

2 超标准洪水决策支持系统

沂沭泗流域超标准洪水调度决策支持系统（以下简称示范系统）是对超标准洪水这一特殊场景而研发的决策辅助支持系统，是对现有国家防汛抗旱指挥二期系统（以下简称现有系统）的补充、完善和提升，而不是进行重构。因此，示范系统的集成与调试，用松耦合方式，基于统一权限认证，实现与现有系统的跨系统应用资源无缝融合。沂沭泗流域示范系统搭建包括基础配置工作、系统功能建设。

2.1 基础配置工程

应用配置管理主要提供对象配置、模型配置、功能配置等相关功能，为超标准洪水业务搭建提供计算时需要的初始化对象、计算模型及功能属性的录入、配置、维护等通用操作。将沂沭泗流域业务涉及的水利对象，以标准结构配置，涵盖流域、区域、河流、河段、水文站、水库、水电站、雨量站、气象区间、子流域、预报区间、河道断面、蓄滞洪区等。沂沭泗流域超标准洪水调度决策支持系统配置工具及拓扑对象概化图见图1。

图1 沂沭泗流域超标准洪水调度决策支持系统配置工具及拓扑对象概化图

2.2 系统功能建设

系统功能建设包括专业模型配置及业务配置。对模型库中所管理的各类基础模型算法类型的实例化，通过配置具体的模型参数，形成对应于各个示范区实际水利对象的具体计算模型，基本完成预报模块和调度模块的基础模型配置。专业模型流程见图2。

图2 专业模型流程图（预报模拟、水工程流程）

业务主要配置管理各业务的计算方案与流程以及界面交互。通过该功能的配置管理，将前述对象、模型等独立的要素按照具体业务下计算方案，同时进一步搭建应用交互面板，建设形成预报预警、调度计算等功能实例。

3 洪水预报成果

在沂沭泗洪水调度决策支持系统基础上，结合2020年沂沭泗“8·14”洪水各雨量站降雨成果，对重要控制断面进行洪水预报。

3.1 洪水预报

3.1.1 雨量站输入

根据沂沭泗流域实际情况和历史洪水成果，对沂沭河上游雨量站（沂河寨子山、葛沟、斜午、岳庄、唐村、跋山、岸堤、角沂、姜庄湖、许家崖；沭河青峰岭、重沟、莒县、陡山、石拉渊、小仕阳）进行权重分配。

3.1.2 计算方法

根据淮河流域特点以及淮河洪水预报相关成果，沂沭泗洪水预报采用API 模型，API 模型是传统的以前期影响雨量（Pa）为参数的降雨径流相关图法、单位线（或等时线）法与计算机技术相结合的产物，能预报连续的过程线。API 模型是以流域降雨产流的物理机制为基础，以主要的影响因素作参变量，建立降雨P 和产流量R 之间的定量相关关系。这里介绍国内普遍使用的产流量与降雨量和前期影响雨量三者的关系，即三者相关图。建立P～Pa～R 的关系曲线，根据降雨量R 以及前期降雨量指数Pa 查相应的产流量。结合流域的雨洪特性，建立前期雨量指数Pa和综合产流系数k的函数关系。根据沂沭泗历年洪水预报经验，确定适用于沂沭泗流域的API 模型通用参数。

3.1.3 预报成果

2020年“8·14”洪水，结合气象部门预报成果进行预报沂沭泗降雨与控制断面流量预测。

根据该模型预报成果，临沂站控制断面流量为10824m3/s，重沟站控制断面流量为6559m3/s。根据淮河水情预测预报（2020年第95 期）成果，临沂站控制断面流量为11000m3/s，重沟站控制断面流量为5000m3/s。

2020年8月14日临沂站、重沟站实测流量分别为10900m3/s、6320m3/s。本模型较上述水文预测成果沂河临沂站绝对误差由0.9%提高至7%，沭河重沟站绝对误差由20.89%提高至3.78%，满足预报精度提高5%以上（洪峰流量误差低于10%、水位误差低于0.25m）的要求。

3.2 洪水预报及预见期

系统通过气象预报成果与水文模型的耦合，有效延长洪水预见期至72h 以上。2020年沂沭河“8·14”洪水期间，通过系统应用，提前3 天预报了沂沭泗流域的降水过程以及将要发生一次大的洪水过程，并准确预报了临沂、重沟等重要控制站洪峰流量。

4 洪水调度成果

4.1 沂河、沭河调度办法

根据国汛2012年8 号批复的《沂沭泗河洪水调度方案》（以下简称《调度方案》），沂河、沭河洪水尽可能东调，预留骆马湖部分蓄洪容积和新沂河部分行洪能力接纳南四湖及邳苍地区洪水。遇标准内洪水，合理利用水库、水闸、河道、湖泊等，确保防洪工程安全。遇超标准洪水，除利用水闸、河道强迫行洪外，并相机利用滞洪区和采取应急措施处理超额洪水，地方政府组织防守，全力抢险，确保南四湖湖西大堤、新沂河大堤等重要堤防和济宁、临沂、徐州、宿迁、连云港等重要城市城区的防洪安全，尽量减轻灾害损失。刘家道口枢纽、大官庄枢纽的调度运行办法见表1。

表1 刘家道口枢纽、大官庄枢纽的调度运行办法表

4.2 洪水调洪计算方法

4.2.1 水库调算

水库进行调洪调算，理论方法是基于水力学的圣维南方程组进行简化，忽略了洪水入库至泄洪建筑物间的行进时间、沿程流速变化及动库容等的影响，简化后水库调洪计算的公式即水量平衡方程。

式中：Q1，Q2—分别为计算时段初、末的入库流量（m3/s）；q1，q2—分别为计算时段初、末的下泄流量（m3/s）；V1，V2—分别为计算时段初、末的水库蓄水量（m3）；ΔV—V1与V2之差；Δt—计算时段。

4.2.2 河道演进

河道演进采用马斯京根流量演算法的改进方法即分段连续演算法。分段连续演算法根据马斯京根演算方程为线性系统的特点，首先推求上游断面进入一个单位水量后经多个河段连续向下游演进，在下游断面形成一个相应的流量过程线。

沂河、沭河上游为山区性河流，干、支流间相互干扰作用不大，可把干、支流各河段视为相互独立的无支流河段，求得各自的流量演算参数，分别把上游站（水库出流）的入流量演算到下游站（临沂站），然后叠加即为该断面的出流过程。

4.2.3 计算工况

沂河、沭河发生2020年8月14 号暴雨时，上游水库经水库调洪后，在河道进行洪水演进，洪水通过刘家道口枢纽、大官庄枢纽进行洪水安排，并按照《沂沭泗河洪水调度方案》进行洪水调度。

4.2.4 洪水调度成果

沂沭河2020年“8·14”洪水经刘家道口枢纽、大官庄枢纽进行洪水东调南下，按照2012年《沂沭泗河洪水调度方案》执行调度。

根据调度成果，沂河临沂站14日19 时出现洪峰流量11724m3/s（实际为洪峰10900m3/s），刘家道口闸出现最大泄量8000m3/s（实际最大泄洪为7900m3/s），彭道口闸出现最大泄量4000m3/s（实际最大泄洪为3360m3/s）；沭河重沟14日19 时出现洪峰流量6559m3/s（实际为洪峰6320m3/s），大官庄人民胜利堰出现最大泄量2500m3/s（实际最大泄洪为2800m3/s），新沭河泄洪闸最大泄量6000m3/s（实际最大泄洪为6500m3/s）。石梁河最大入库流量6000m3/s（实际最大泄洪为6080m3/s）。

根据上述调度与实际情况对比分析，彭道口分洪闸因分沂入沭水道阻水、大官庄水位顶托以及彭道口闸前水流问题，不能按照4000m3/s 调度指令分洪（闸门全部抬出水面，闸上水位、闸下水位均超设计水位且过闸水头差大于设计，但最大泄洪仍为3360m3/s），因此刘家道口闸出现最大泄量大于实际泄量是合理的。此次沂河与沭河洪水基本是同频率的，但是实际调度过程没有考虑彭道口反控制（当大官庄流量超过8500m3/s，减少分沂入沭水道泄洪，沂河洪水加大泄量但不超过12000m3/s），因此大官庄洪水（沭河洪水加分沂入沭洪水）将会超过8500m3/s，人民胜利堰分洪闸下泄流量为2800m3/s，超过实际分洪2500m3/s（设计流量2500m3/s）；新沭河泄洪闸下泄为6500m3/s，超过实际分洪6000m3/s（设计流量6000m3/s）。

5 结论

2020年8月13 —14日，沂沭泗流域受突发集中高强度降雨影响，发生了流域性大洪水，防汛形势严峻。对比分析沂沭河“8·14”洪水预报成果和洪水调度成果，此次沂沭泗超标准洪水调度决策支持系统的洪水预报和洪水调度成果是合理的，该超标准洪水调度决策支持系统可为沂沭泗流域防汛部门的科学预测预报、精准防洪调度和决策提供依据■