淮河中游2003年型洪水调度探讨

贲 鹏，虞邦义，倪 晋，陆海田

(安徽省(水利部淮河水利委员会)水利科学研究院 水利水资源安徽省重点实验室，安徽 合肥 230000)

淮河干流行蓄洪区分布在河道两侧，位于岗地或淮北大堤与河槽之间，是淮河干流泄洪通道的一部分，也是淮河防洪体系中不可或缺的组成部分[1]，其调度运用也是最复杂最棘手的问题，风险大、争议多。

近年来，针对行蓄洪区启用时机、方式和分洪影响等方面研究较多。如虞邦义等[2]对行洪区的行洪能力进行了研究，并详细分析了影响行洪区能力的主要因素；夏冬梅等[3]研究了行洪区进退洪闸调度过程，提出行洪区启用5个阶段的蓄泄特征；何用等[4]研究了淮河中游行蓄洪区开启方式和口门位置对分洪效果的影响；谭维炎、胡四一等[5-6]建立了长江干流、洞庭湖河网以及蓄洪圩垸模型，研究了防洪措施蓄泄效果和工程优化调度模式；倪晋仁等[7]建立了洪湖分蓄洪区模型，研究了洪湖分蓄洪区分洪过程和效果；艾小榆等[8]针对潖江蓄滞洪区调度运用方案，对适当延迟蓄洪区启用时间的效果进行了评估；刘玉年、贲鹏等[9-11]采用一维、二维水动力数学模型对淮河中游王家坝至浮山段河道整治工程减灾效益进行了评估。尽管研究成果较多，但关于淮河中游多行蓄洪区、分洪河道、大型水利枢纽等联合调度的研究较少，尤其是中常洪水调度问题。而且在淮河中游实施大规模治理后，流域防洪格局发生了较大变化，对新形势下各类防洪措施的协同调度尚无系统研究，工程效果无定量评估。所以研究淮河中游中小洪水演变规律，优化干支流河道、行蓄洪区以及分洪河道等防洪工程联合调度是必要的。

本文基于一维、二维耦合水动力数学模型，在现状工况和规划工况两种条件下，模拟了2003年型淮河洪水过程，分析了行蓄洪区与分洪河道联合调度运用效果，优化了行蓄洪区启用数量、顺序及组合方式，提出了2003年型洪水下淮河中游行蓄洪区和分洪河道的联合调度方案。分析成果为淮河中常洪水(10～20 a一遇洪水，需要启用行蓄洪区等防洪措施)调度提供了预案，对流域洪水调度具有借鉴意义。

1 研究区概况

淮河中游防洪减灾体系主要由水库、临淮岗洪水控制工程、河道堤防、行蓄洪区、分洪河道、调蓄湖泊等组成，洪水调度主要是由上述部分组成的联合调度，其中行蓄洪区和分洪河道的调度尤为关键，是淮河中游洪水调度的重点和难点。截至2010年，淮河干流有行蓄洪区21处，其中蓄洪区4处，行洪区17处，淮河干流洪河口至浮山段行蓄洪区、人工河道及主要支流分布如图1所示。目前，淮河干流部分行洪区采用口门行洪(破堤行洪)，还难以对其做到及时有效运用，需要进行调整。按规划调整后，淮河干流行洪区减少至6处，各行洪区均建闸控制，启用标准将提高[1]。

图1 淮河中游洪河口至小柳巷段河道示意Fig.1 Schematic diagram of the middle reaches of Huaihe River from Honghekou to Xiaoliuxiang

2 2003年淮河洪水概况

淮河上游山区河道比降大，洪水汇流速度快。中游河道比降变缓，一般仅为0.03‰，洪水下泄缓慢，河床泄量小，高水位持续时间长，干流两岸经常“关门淹”。 淮河左岸支流多数为平原河道，洪水过程平缓。淮河右岸支流为山丘区河流，河道比降大，易形成尖瘦型洪水过程。

2000年之后，淮河流域进入了一个洪水多发期，2003，2005，2007年淮河中游均发生超保证水位洪水。2003年，淮河上游、史灌河、淠河、洪汝河、沙颍河和涡河等均发生洪水，干支流洪水并发[12-13]，淮河干流全线超过警戒水位，王家坝至鲁台子段超保证水位，部分河段超历史最高水位。淮河干流实际调度启用了邱家湖、唐垛湖、上六坊堤、下六坊堤、石姚段、洛河洼和荆山湖等行洪区，蒙洼和城东湖蓄洪区，以及茨淮新河、怀洪新河来蓄滞和分泄洪水。防洪工程调度有效地减轻了洪水灾害，但严重的洪涝仍造成沿淮385万hm2农田被淹，受灾人口3 730万人，直接经济损失286亿元[14]。2003年洪水频率为10～20 a一遇，与1991，2007年洪水频率相当，在中常洪水中具有较强的代表性。研究2003年型洪水调度，对淮河中游中常洪水调度具有指导意义。

3 水动力数学模型简介

基于淮河中游河道和洪水特征，建立洪河口至小柳巷段河道一维、二维耦合水动力数学模型[15]。

3.1 控制方程组

3.1.1一维水动力数学模型

一维水动力模型的控制方程为Saint Venant方程组，采用Abbott六点隐格式进行求解[16]。

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

式中：Q为流量；Z为水位；t为时间；A为过水断面的面积；B为水面宽度；q*为旁侧入流流量；K为流量模数。

3.1.2二维水动力数学模型

对用Navier-Stokes方程沿水深进行积分，可得平面二维浅水水流控制方程。模型采用模型非结构网格，利用有限体积法对方程进行求解[17]。

连续方程：

(3)

动量方程：

(4)

(5)

式中：h，ξ分别为水深和水位；u，v分别为x，y方向的垂向平均流速；q为源或汇的流量；Ex和Ey分别为x，y方向的水流紊动黏性系数；τbx和τby为x，y方向的底部摩阻；f为科氏力，f=2ωsinφ，ω为地球自转角速度，φ为计算水域的地理纬度；τsx和τsy分别为风对自由表面x，y方向的剪切力。

3.2 计算条件及参数

3.2.1计算范围与边界

计算区域包括洪河口至小柳巷段淮河干流、支流、行蓄洪区及生产圩区。淮河干支流采用一维模型计算；行蓄洪区和生产圩区采用平面二维模型计算。模型入流边界包括：淮河干流洪河口、洪河分洪道地理城、史河蒋家集、沙颍河阜阳闸、涡河蒙城闸分别给定实测流量过程，其他支流给定其入淮河口流量过程。出流边界包括：怀洪新河何巷闸给定实测出流过程，淮河干流浮山给定实测水位过程。

3.2.2模型主要参数

为了满足计算时间和精度的要求，一维模型空间步长取100～500 m，二维模型空间步长取100～300 m，局部地形进行加密处理；时间步长为3 s。河道主槽糙率为0.021～0.026，河道滩地糙率为0.032～0.040，行洪区及生产圩区糙率为0.037 5～0.050 0，沿程糙率如表1所列。

表1 不同河段糙率取值Tab.1 Roughness value of different river sections

4 模型验证

2005年和2008年淮河洪水，淮河干支流行蓄洪区和分洪河道均未启用，可以用来验证河道主槽和滩地糙率；2003年和2007年淮河洪水为中常洪水，可以对分洪河道、行蓄洪区、生产圩区等糙率及模型连接等进行验证。水位验证的主要站点为王家坝、润河集、正阳关、田家庵、吴家渡等25个水位点；流量验证的主要站点为润河集、鲁台子、吴家渡、小柳巷等。水位和流量主要验证节点的计算值与实测值比较如表2～3所列，部分测站2003年和2007年计算洪水过程与实测洪水过程比较如图2～3所示。

图2 2003年测站水位过程比较Fig.2 Comparison of water level processes of stations in 2003

表2 洪峰流量验证结果Tab.2 Verification results of flood peak flow

各测站计算水位过程与实测过程一致性良好，沿程各站洪峰计算与实测水位差值基本在5～10 cm以内，洪峰计算与实测流量差值基本在5%以内。因此，模型较好地模拟了洪河口至小柳巷段水流运动情况，模型概化合理，率定参数准确，计算精度较高，可以满足洪水调度的需要。

5 调度方案计算与分析

调度计算分析主要有现状和规划两种工况。现状工况是指采用2013年的最新河道地形资料，并考虑此期间已实施的石姚段和洛河洼行洪区退建等治理工程；规划工况是指在现状河道地形的基础上，正阳关至小柳巷段行蓄洪区调整与河道整治工程全部实施完成[1]。

5.1 边界条件

2003年洪水调度计算的模型边界：淮河干流、支流和人工新河的入流边界均见3.2节，采用实测或还原资料；出流边界浮山给定水位流量关系。

5.2 调度原则探讨

本段河道支流多且入汇流量大，不同河段洪量差别大，各分洪措施对上下游河道影响程度和范围有限，相邻行蓄洪区分洪效果也不相同，不同河段洪水调度具有不同特点。根据干支流不同河段洪水演进规律及汇流特性，研究了单个行蓄洪区和分洪河道分洪对上下游河道洪水影响值与范围，以及行蓄洪区在防洪布局中定位和重要性差别。结合2003年洪水调度方案结果，初步提出淮河中游行蓄洪区和分洪河道的总体调度原则如下：针对不同超保证水位河段，依次启用本河段、上游河段和下游河段的分洪措施；并结合先分洪，后行洪，再蓄洪实施调度；行洪区适当提前分洪更有利于洪水下泄。

表3 水位验证结果Tab.3 Verification results of water level m

图3 2007年测站水位过程比较Fig.3 Comparison of water level processes of stations in 2007

5.3 基于现状条件的调度分析

在现状河道地形条件下，若不启用行蓄洪区和分洪河道，淮河干流沿程全部超保证水位。根据上述调度原则，初步拟定调度方案1：启用茨淮新河和怀洪新河，王家坝至润河集段启用蒙洼蓄洪区，润河集至正阳关段启用姜唐湖行洪区，正阳关至蚌埠段启用上下六方堤和荆山湖行洪区。根据以上调度计算结果确定是否启用其他行蓄洪区，进而拟定不同的调度方案，计算成果如表4所列。

表4 2003年洪水调度方案下峰值水位Tab.4 Highest water levels of flood regulation in 2003

注：王家坝、润河集、正阳关、田家庵、吴家渡保证水位分别为29.20，26.95，26.40，24.55，22.48 m；()为超保证水位历时，h。

表4表明：方案4和方案5对淮河干流沿程水位的调度效果相当，优于方案2和方案3，其中正阳关下泄流量过程如图4所示，水位过程如图5所示。方案4为二次启用蒙洼蓄洪区，在各方案中启用行蓄洪区的数量最少，但是导致蒙洼蓄洪区蓄满，若王家坝再次出现超保证水位的洪水过程，其他行蓄洪区无法快速有效地降低王家坝水位；方案5启用南润段和邱家湖蓄洪区，启用行蓄洪区的数量最多，但是这两个蓄洪区的库容均较小，并且保留了蒙洼、城东湖蓄洪区部分库容，从而可以更好的防御下一场次洪水。

图4 正阳关下泄流量过程Fig.4 Discharge process of Zhengyangguan

图5 正阳关水位过程Fig.5 Water level processes of Zhengyangguan

2003年洪水实际调度和模拟调度方案2至方案5启用的行蓄洪区和分洪河道数量相当，均有效降低了淮河干流水位和减少了高水位历时。但模拟调度方案的沿程计算水位均低于实测水位，且在保证水位以下，高水位历时也显著少于实际调度，其原因是：① 2003年洪水实际调度中，各行洪区均为破堤行洪，口门宽度小，实际行洪效果差，而方案调度的各分洪措施均拟定为及时充分行洪；② 近年淮河干流河道治理工程降低了河道水位，主要工程包括临淮岗洪水控制工程、洛河洼和石姚段行洪区调整等。

5.4 基于规划条件的调度分析

表5表明：在规划地形条件下，淮河中游若遇2003年洪水，仅需要启用蒙洼蓄洪区和姜唐湖行洪区就可以使王家坝、正阳关、田家庵和吴家渡低于保证水位，但是润河集水位仍然超保证水位0.58 m，若要使其低于保证水位，仍需要启用南润段、邱家湖甚至城西湖蓄洪区。

表5 规划条件下2003年型洪水调度计算成果Tab.5 Calculation results of flood regulation in 2003 under planning conditions

注：()为超保证水位历时，h。

由图6和图7可以看出：规划条件下不启用行蓄洪区和分洪河道方案，正阳关计算流量大于实测流量，计算水位低于实测水位，说明淮河干流行洪区调整与建设工程显著提高了河道行洪能力，大幅降低了水位。在仅河道滩槽下泄洪水的情况下，正阳关规划计算水位较现状计算值下降了1.11 m，工程效益明显。

图6 正阳关下泄流量过程Fig.6 Discharge processes of Zhengyangguan

图7 正阳关水位过程Fig.7 Water level processes of Zhengyangguan

6 结论与展望

基于河道水流运动特征，建立了洪河口至小柳巷段河道一、二维耦合水动力数学模型，并对模型进行率定和验证。探讨了淮河中游行蓄洪区和分洪河道的调度原则，针对2003年型洪水，在现状和规划工况条件下，对淮河中游行蓄洪区和分洪河道进行了联合调度计算，得出以下主要结论。

(1) 在现状条件下，方案5启用了蒙洼、南润段和邱家湖蓄洪区，姜唐湖、上下六方堤和荆山湖行洪区，以及茨淮新河和怀洪新河，与实际调度启用行蓄洪区和分洪河道数量相当。但是方案5的洪峰水位更低、高水位历时更短、调度效果更好，表明2003年洪水调度具有一定的优化空间。

(2) 在规划条件下，仅启用蒙洼蓄洪区和姜唐湖行洪区，就可以使除润河集以外其他测站水位低于保证水位，说明淮河干流行蓄洪区调整和河道整治工程效果是显著的。

(3) 基于先分洪，后行洪，再蓄洪调度思路，针对不同超保证水位河段，依次启用本河段、上游河段和下游河段的分洪措施，调度效果较优，且行洪区适当提前分洪更有利于洪水下泄。

本文所探讨的行蓄洪区和分洪河道洪水调度原则在2003年洪水模拟调度中取得了较好的效果，鉴于淮河中游地区洪水组成的复杂性，该原则的普遍适应性需要采用更多场次洪水进行检验和优化。