沂沭泗流域規(guī)則調(diào)度及結(jié)果分析

趙艷紅，羅煜寧，張秀菊，谷黃河

(1.沂沭泗水利管理局，江蘇 徐州 221009；2.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098)

沂沭泗流域地處我國東部，介于長江、黃河兩大流域間，東臨黃海。由于受東亞季風(fēng)氣候的影響，夏季多雨，且多集中在7—8月份，占總降雨量的70%～90%，易導(dǎo)致流域旱澇同期異地發(fā)生、旱澇同期交替[1]及沂河、沭河同時發(fā)生大洪水的情況[2]。近些年，沂沭泗流域相繼修建完成了一批防洪工程群，尤其是東調(diào)南下工程全面建成后，流域整體防洪能力得以提高。本文以流域1974年典型大洪水為例，對典型洪水在現(xiàn)狀防洪工程群下的行洪過程進行分析，討論目前防洪調(diào)度中存在的問題，為提高流域防洪效益與防洪能力，以及今后實施流域優(yōu)化調(diào)度提供決策支持。

1 流域水系及主要防洪工程概況

1.1 河流水系

沂沭泗水系是沂、沭、泗(運)三條水系的總稱，位于淮河流域東北部，河網(wǎng)密布，主要河道相通互聯(lián)，水系極其復(fù)雜。流域面積7.96萬km2，約占淮河流域面積的29%。

泗運河水系由泗河、南四湖、韓莊運河、伊家河、中運河等組成，流域面積約4萬km2。南四湖在1960年興建二級壩樞紐工程后分為上下兩級湖，匯集上游各支流洪水，經(jīng)韓莊運河、伊家河及不牢河進入中運河。中運河上接韓莊運河和邳蒼區(qū)間來水，下與駱馬湖間斷相通。

沂河水系由沂河、駱馬湖、新沂河等組成，流域面積約1.48萬km2。沂河通過彭道口閘控制分沂入沭水道使沂河洪水進入沭河；通過江風(fēng)口閘控制邳蒼分洪道使洪水入中運河。沂河下游是駱馬湖，其上承沂河并接納泗運水系和邳蒼地區(qū)來水，由嶂山閘和皂河閘及宿遷閘控制下泄。

沭河與沂河平行南下，經(jīng)大官莊樞紐分為兩支，分別南下入新沂河和向東入新沭河，東調(diào)洪水經(jīng)石梁河水庫調(diào)蓄后入海，流域面積約9260km2。

1.2 防洪工程及其設(shè)計能力

流域內(nèi)主要防洪工程包括水庫、河道堤防、節(jié)制閘或分洪閘、湖泊、滯洪區(qū)[3]等，本文預(yù)報洪水(斷面)為沂河臨沂站、大官莊樞紐、南四湖上級湖入湖流量過程。因此，本研究范圍不包括水庫工程。

1.2.1 沂河防洪工程

包括沂河河道堤防、分沂入沭水道、邳蒼分洪道、劉家道口樞紐(劉家道口節(jié)制閘、彭道口分洪閘)和江風(fēng)口分洪閘。

1.2.2 沭河防洪工程

包括沭河河道堤防、大官莊樞紐(新沭河閘、人民勝利堰閘)。

1.2.3 南四湖、韓莊運河及中運河防洪工程

包括湖西大堤、湖東堤、二級壩樞紐、韓莊樞紐、藺家壩閘、湖東滯洪區(qū)、韓莊運河與中運河堤防等。其中韓莊樞紐包括韓莊閘、伊家河閘、老運河閘；湖東滯洪區(qū)包括白馬片(上級湖泗河～青山段)、界漷片(上級湖界河～城漷河段)及蔣集片(下級湖新薛河～郗山段)。

圖1 沂沭泗流域防洪工程分布與各節(jié)點設(shè)計能力圖

1.2.4 駱馬湖與新沂河防洪工程

包括駱馬湖一線、宿遷大控制、嶂山閘及黃墩湖滯洪區(qū)等。其中，河道堤防包括駱馬湖湖堤、新沂河河堤；分洪閘包括嶂山閘、皂河閘、宿遷閘等。

沂沭泗流域防洪工程分布與各節(jié)點設(shè)計能力如圖1所示。

1.3 防洪工程調(diào)度原理

洪水合理調(diào)度對發(fā)揮工程效益和減少洪災(zāi)損失至關(guān)重要[4]。現(xiàn)狀情況下沂沭河流域防洪調(diào)度遵循2012年6月修訂的《沂沭泗河洪水調(diào)度方案》(以下簡稱“規(guī)則調(diào)度”)。根據(jù)調(diào)度方案，流域洪水遵循“沂河、沭河盡可能東調(diào)”原則，沂河、沭河洪水分別以臨沂站、大官莊站預(yù)報流量作為調(diào)度依據(jù)，南四湖與駱馬湖根據(jù)水位實施“分級調(diào)度”[5]。本文以該調(diào)度規(guī)則進行計算，對調(diào)度結(jié)果進行分析。

1.3.1 河道演算模塊

根據(jù)主要河道主要控制站預(yù)報洪水過程，以馬斯京根法為基礎(chǔ)建立河道洪水演算模型，即：

(1)

W=KQ=K[Ix+(1-x)O]

合并上述兩式得：

O2=C0I2+C1I1+C2O1

(2)

式中，

I—入流量；O—出流量；W、W1、W2—槽蓄量；K—穩(wěn)定流時的傳播時間；C0、C1、C2—系數(shù)。

根據(jù)上游站出流峰值及同次洪水中游河道站洪峰流量，計算出河段代表流量；由河段代表流量，求得演算河段穩(wěn)定流傳播時間K；結(jié)合時段長Δt(2h或6h)、特征河長l，河段長L等，按下面公式計算：

計算出演算河段的單元河段數(shù)n及單元河段流量比重因數(shù)Xl，計算出河段演算系數(shù)C0、C1、C2。

1.3.2 涵閘分流模塊

根據(jù)水力學(xué)公式計算各涵閘不同流態(tài)(自由孔流、淹沒孔流、自由堰流、淹沒堰流)的泄流曲線，依據(jù)閘上水頭、閘下水頭等計算不同閘門分洪量。計算方法見式(3)與式(4)。

(3)

式中，B—溢洪道凈寬，m；h1—堰上水頭，m；m—流量系數(shù)；ε—側(cè)收縮系數(shù)。

若為底孔泄流，則泄流公式為：

(4)

式中，ω—孔口出流面積，m2；h2—堰上水頭，m；μ—孔口出流系數(shù)。

1.3.3 湖泊蓄洪模塊

在湖泊水量平衡和動力平衡的基礎(chǔ)上，根據(jù)湖泊水位-庫容關(guān)系、庫水位與各閘泄量關(guān)系，建立能綜合考慮下游及周邊水系洪水情勢的湖泊調(diào)度模型。計算公式見式(5)—(6)。

(5)

q=f(V)

(6)

式中，Q1，q1—時段初入湖、出湖流量，m3/s；Q2，q2—時段末入湖、出湖流量，m3/s；V1，V2—時段初、末湖泊蓄水量，萬m3。

1.3.4 滯洪區(qū)滯洪模塊

類似湖泊蓄洪模塊，建立滯留區(qū)滯洪模型。

2 典型洪水調(diào)度

2.1 1974年典型洪水概況

1974年8月，沂沭河和邳蒼地區(qū)出現(xiàn)大范圍暴雨，繼發(fā)流域大洪水。降雨過程主要在8月10—14日，最大雨量達435.6mm。本次大洪水特點是：南四湖來水不大，但沂河、沭河同時遭遇大洪水，且沭河洪水為建國以來最大。暴雨后臨沂站流量僅一天就從79m3/s上漲至最大洪峰流量10600m3/s。沭河大官莊站14日與沂河同時出現(xiàn)洪峰，由于沭河暴雨中心出現(xiàn)在中游，沭河大官莊還原后的洪峰流量為11100m3/s，相當(dāng)于百年一遇標(biāo)準。邳蒼地區(qū)處于暴雨中心附近，與邳蒼分洪道分泄的洪水疊加后，中運河最大洪峰流量3790m3/s、最高水位26.42m，為建國以來最大。新沂河沭陽站16日晚出現(xiàn)歷年最高水位10.76m，最大流量6900m3/s。

本文以沂河、沭河、南四湖、中運河、駱馬湖各主要斷面預(yù)報流量、水位資料為依據(jù)，以上游測站的預(yù)報洪水過程作為邊界條件，依照調(diào)度方案計算下游站點的洪水過程，并與下游站點實測洪水過程進行對比分析。計算節(jié)點包括：①彭道口閘、劉家道口閘、港上、新安、運河站等各節(jié)點的流量；②駱馬湖上下級湖的水位；③嶂山閘與沭陽閘的泄流量。

2.2 1974年典型洪水調(diào)度結(jié)果

根據(jù)《沂沭泗河洪水調(diào)度方案》(2012年6月修訂)對1974年8月洪水進行計算，洪水調(diào)度結(jié)果見表1。

表1 沂沭河1974年歷史洪水預(yù)報調(diào)度結(jié)果分析 單位：m3/s；m

(1)臨沂站預(yù)報洪峰為10132m3/s，與實測值的相對誤差為-4.4%。根據(jù)臨沂站預(yù)報流量過程計算得到彭道口閘和劉家道口閘流量過程，其中彭道口閘，以下泄能力下泄，剩余流量經(jīng)劉家道口下泄。彭道口閘最大洪峰流量達到3096m3/s，與實測值基本吻合；劉家道口閘預(yù)報流量偏大8.0%，劉家道口閘流量超過8000m3/s，因此需要開啟江風(fēng)口閘泄洪2520m3/s。由劉家道口閘預(yù)報流量過程計算的港上站洪峰流量偏小11.7%。

(2)大官莊預(yù)報洪峰為9286m3/s，與實測值(大官莊(老)+大官莊(新))相比偏大72%，據(jù)統(tǒng)計當(dāng)年沭河上游有68處漫溢決口，因此實測值本身偏小。根據(jù)沭河大官莊站預(yù)報洪水過程計算的大官莊(新)和大官莊(溢)偏大，新安站預(yù)報洪水過程洪峰較實測值偏小24%。

(3)南四湖上級湖預(yù)報入庫洪峰流量485m3/s，遠小于二級壩閘的泄流能力，因此上級湖水位維持起調(diào)水位。下級湖預(yù)報入庫洪峰流量801m3/s，小于韓莊樞紐泄流能力，下級湖也維持起調(diào)水位。總之，南四湖預(yù)報流量過程與實測流量過程有較大差異。

(4)根據(jù)南四湖預(yù)報出庫流量，計算臺兒莊站洪峰流量為882m3/s，較實測值偏小。根據(jù)南四湖預(yù)報出庫流量和邳蒼區(qū)間預(yù)報流量，計算得到運河站預(yù)報流量過程，預(yù)報洪峰為2895m3/s，較實測值偏小23.6%。

(5)以運河站和港上站預(yù)報洪水過程以及湖濱區(qū)間預(yù)報洪水過程，計算駱馬湖的入庫洪水過程，經(jīng)調(diào)洪演算得到駱馬湖出庫和水位變化過程，計算得到駱馬湖1974年典型洪水最高庫水位24.58m；計算嶂山閘最大泄量5489m3/s，皂河閘最大泄量1000m3/s，峰現(xiàn)時間誤差在18h(3個計算時段)以內(nèi)。

根據(jù)嶂山閘和新安預(yù)報洪水過程結(jié)合嶂沭區(qū)間預(yù)報過程，演算得到沭陽站洪水過程，計算沭陽站洪峰流量7252m3/s。

2.3 現(xiàn)狀調(diào)度方案結(jié)果分析

沂沭河流域內(nèi)分布的水庫、湖泊、分洪閘等防洪工程在保障流域安全方面發(fā)揮了重要作用。經(jīng)計算，在發(fā)生1974年歷史大洪水，流域各防洪工程斷面流量或水位均未超過工程設(shè)計能力，洪水均能順利經(jīng)新沭河、新沂河等入海。但受上游潰堤、預(yù)報精度、調(diào)度方案等諸多因素的影響，調(diào)度結(jié)果與實測值之間還存在一定誤差，在調(diào)度過程中各節(jié)點分洪流量還存在需要調(diào)整的地方。

2.3.1 調(diào)度誤差

(1)大官莊站流量誤差原因：流域節(jié)點的洪水預(yù)報受到多種因素的影響[6]，據(jù)統(tǒng)計，1974年8月沭河上游有68處漫溢決口，因此導(dǎo)致大官莊站實測值較預(yù)報值小；根據(jù)沭河大官莊預(yù)報洪水過程計算的大官莊(新)和大官莊(溢)值較實測值大。

(2)沂河彭道口閘計算流量與實測流量間誤差原因：由于本次洪水調(diào)度系根據(jù)調(diào)度方案，即完全按照“規(guī)則”進行調(diào)度，“方案規(guī)則”與“調(diào)度決策”有一定差異。同時，由于部分工程建成年代滯后于洪水發(fā)生時間，其“設(shè)計能力”與“實際能力”間也存在差異，因此，造成了彭道口等防洪工程的計算洪峰與實際值的誤差。

(3)缺乏實測資料：部分節(jié)點或區(qū)間，例如臺兒莊、運河站邳蒼區(qū)間、駱馬湖實際出流包括嶂山閘、宿遷閘與皂河閘等缺少實際洪水信息，在計算時無法進行對比計算，也是誤差產(chǎn)生的原因之一。

2.3.2 問題探討

根據(jù)計算結(jié)果，1974年典型洪水情況下，大官莊樞紐存在防洪壓力過大、南四湖上下級湖水位差不合理的情況。

(1)大官莊樞紐除了要承接沭河來水，還要承接分沂入沭分洪量，因此當(dāng)沂河和沭河同時遭遇大洪水，1974年典型洪水，大官莊樞紐防洪壓力很大。按照流域調(diào)度方案計算，現(xiàn)狀水利工程條件下大官莊樞紐最大泄量達到了設(shè)計流量。因此，在流域調(diào)度中，應(yīng)靈活運用調(diào)度方案，對沂河分沂入沭流量結(jié)果進行人工干預(yù)、調(diào)整，以減輕大官莊樞紐防洪壓力。

(2)二級閘泄流設(shè)計能力較大，而1974年南四湖來水過程較小，因此，若按照調(diào)度方案調(diào)度，則計算結(jié)果為入庫洪水全部及時下泄，上級湖庫水位基本不升高，維持在起調(diào)時刻的33.86m，下級湖最高水位也基本維持在31.81m。與二級閘實際泄流能力不符[7]，也與歷史調(diào)度中上下級湖水位差在約1.5m左右的“經(jīng)驗值”有較大差異，同時，上級湖和下級湖出庫洪峰流量出現(xiàn)時間也和實際有較大差別。此外，調(diào)度時僅考慮防洪，未考慮興利蓄水，這導(dǎo)致在實際入湖洪水較小時，湖泊仍保持較大的下泄量。

(3)駱馬湖庫容小，承接了沂河、南四湖、邳蒼區(qū)間等多支洪水，在遭遇大洪水的情況下水位上升較快，防洪壓力大。因此，在發(fā)生大洪水情況下，可充分利用南四湖調(diào)洪能力大和水位上升慢的特點，適當(dāng)減少下泄量，在韓莊樞紐下泄過程中統(tǒng)籌考慮南四湖、中運河、駱馬湖水情，這樣在保證南四湖安全的前提下，可以降低中運河和駱馬湖的防洪壓力。

3 結(jié)論與建議

沂沭泗流域已形成了相對完善的防洪工程體系，在現(xiàn)狀水利工程下，當(dāng)流域發(fā)生1974年典型洪水時，通過上游水庫、南四湖、駱馬湖對洪水的調(diào)蓄，大官莊和劉家道口樞紐等工程對洪水的合理調(diào)度分泄，洪水均能順利經(jīng)新沭河、新沂河等入海，可以保障流域內(nèi)人民生產(chǎn)生活安全。

流域調(diào)度方案在實施時仍存在靈活運用、合理調(diào)整的空間。在今后的研究中，尤其是在研究流域優(yōu)化調(diào)度[8]問題時，應(yīng)考慮不同水系、不同工程間的流量合理分配、上下級湖水位差的實踐經(jīng)驗等問題。建議在遵循防洪調(diào)度方案“沂沭河洪水盡可能東調(diào)”原則及“按照臨沂站與大官莊樞紐預(yù)報流量、按照南四湖上下級湖水位”分級調(diào)度的基礎(chǔ)上，結(jié)合歷史洪水調(diào)度實踐，對流域各計算節(jié)點的流量或水位結(jié)果進行干預(yù)、調(diào)整，以使流域防洪綜合效果更加顯著。