沂沭河上游水庫(kù)群補(bǔ)償調(diào)度能力研究

張鳳翔，馬 瑩，趙艷紅，鐘平安

(1.淮河水利委員會(huì)沂沭泗水利管理局，江蘇 徐州 221018；2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇南京 210098)

0 引 言

沂河、沭河均為山區(qū)性河道，洪水峰高流急，上游水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)用對(duì)沂沭河防洪安全影響較大。由于沂沭河控制斷面的洪水由區(qū)間來(lái)水和水庫(kù)放水兩部分組成，且區(qū)間來(lái)水是不可控的。因此，通過(guò)上游水庫(kù)群補(bǔ)償調(diào)度，可使得各水庫(kù)泄流和區(qū)間來(lái)水過(guò)程在防洪控制斷面疊加所形成的洪峰最小。國(guó)汛[2005]8號(hào)《沂沭泗河洪水調(diào)度方案》對(duì)沂沭泗河大型水庫(kù)的運(yùn)用作了原則性規(guī)定，要求跋山、岸堤、許家崖、青峰嶺、陡山等水庫(kù)在沂沭河汛情緊張時(shí)，盡量為下游河道錯(cuò)峰[1]。然而，對(duì)沂沭河上游水庫(kù)是否具有錯(cuò)峰能力以及如何開(kāi)展錯(cuò)峰調(diào)度研究甚少，沂沭河上游水庫(kù)也均未實(shí)施錯(cuò)峰補(bǔ)償調(diào)度。本文將沂沭河分成沂河與沭河兩部分進(jìn)行研究，選取沂河臨沂站以上許家崖、岸堤、跋山、唐村、田莊5座大型水庫(kù)，沭河大官莊樞紐以上青峰嶺、陡山、沙溝、小仕陽(yáng)4座大型水庫(kù)為研究對(duì)象，對(duì)水庫(kù)群基于汛限水位的補(bǔ)償能力進(jìn)行分析，為水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度提供理論支撐。

1 沂沭河情況簡(jiǎn)介

沂河、沭河是淮河流域沂沭泗水系的2條主要河道，均發(fā)源于淮河流域東北部的沂蒙山區(qū)，兩河相距20 km，平行南下。河流上游山區(qū)峰高坡陡，每逢暴雨，山洪暴發(fā)，沿程疊加，峰高流急，極易形成災(zāi)害。沂沭河流域氣候特征介于黃淮之間，暴雨成因主要是黃淮氣旋、臺(tái)風(fēng)及南北切變，長(zhǎng)歷時(shí)降雨多數(shù)由切變線(xiàn)和低渦接連出現(xiàn)造成，降雨年際變化大，年內(nèi)分布不均衡，洪水多發(fā)生在7月～9月[2]。

目前，沂沭河防洪工程體系主要由水庫(kù)、河湖堤防、控制性水閘、分洪河道及洪水應(yīng)急處理區(qū)等組成，骨干河道中下游防洪標(biāo)準(zhǔn)基本達(dá)到50年一遇。沂河臨沂斷面以上有許家崖、岸堤、跋山、唐村、田莊等5座大型水庫(kù)。沭河大官莊斷面以上有青峰嶺水庫(kù)、陡山水庫(kù)、沙溝水庫(kù)、小仕陽(yáng)水庫(kù)四座大型水庫(kù)。水庫(kù)基本情況見(jiàn)表1。

表1 沂沭河上游大型水庫(kù)基本情況

表2 沂河水庫(kù)調(diào)蓄作用分析成果

注：表中括號(hào)內(nèi)數(shù)字為峰現(xiàn)時(shí)間。

2 水庫(kù)消峰效果分析

沂沭河水系興建了大量水庫(kù)、閘壩等工程，改變了水流的自然條件，實(shí)測(cè)洪水資料不能反映天然情況。本文采用馬斯京根法進(jìn)行河道洪水演算[3]，對(duì)沂河臨沂、沭河大官莊天然洪水進(jìn)行還原。通過(guò)對(duì)控制斷面洪水的還原可計(jì)算出水庫(kù)對(duì)各場(chǎng)次洪水的調(diào)蓄作用大小，一定程度上反映了水庫(kù)對(duì)以往洪水的錯(cuò)峰補(bǔ)償效果。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2、3。由于所研究的水庫(kù)興建于1959年以后，所以對(duì)1963年、1974年、1993年3年的洪水進(jìn)行分析。

由表2可知，水庫(kù)對(duì)沂河臨沂斷面的削峰作用明顯。由表3可知，1963年、1974年水庫(kù)對(duì)大官莊斷面的削峰作用明顯；1993年由于水庫(kù)來(lái)水較小，大官莊洪峰主要由區(qū)間洪水形成，水庫(kù)對(duì)大官莊站的削峰作用不明顯。

本文采用洪峰貢獻(xiàn)率[4]來(lái)對(duì)比水庫(kù)的調(diào)蓄作用。洪峰貢獻(xiàn)率為洪峰出現(xiàn)時(shí)，水庫(kù)放水的流量占總洪峰流量的比例。有水庫(kù)狀態(tài)下的洪峰貢獻(xiàn)率相對(duì)于無(wú)水庫(kù)狀態(tài)下的洪峰貢獻(xiàn)率越小，說(shuō)明水庫(kù)對(duì)洪水的調(diào)蓄作用越大，削峰補(bǔ)償?shù)男Ч胶谩８魉畮?kù)洪峰貢獻(xiàn)率見(jiàn)表4、5。

表3 沭河水庫(kù)調(diào)蓄作用分析成果

注：表中括號(hào)內(nèi)數(shù)字為峰現(xiàn)時(shí)間。

表4 沂河水庫(kù)調(diào)蓄作用對(duì)比

表5 沭河水庫(kù)調(diào)蓄作用對(duì)比

由表4、5可知，沂河岸堤水庫(kù)、跋山水庫(kù)調(diào)蓄作用較大，許家崖水庫(kù)調(diào)蓄作用相對(duì)較小，唐村水庫(kù)調(diào)蓄作用較差。沭河青峰嶺水庫(kù)、小仕陽(yáng)水庫(kù)調(diào)蓄作用較大，陡山水庫(kù)調(diào)蓄作用相對(duì)較小。沂河和沭河的區(qū)間流量占總洪峰流量的比例很大。其中，臨沂所占比重45.24%～98.54%，大官莊所占比重45.50%～100.00%。

3 洪水同步性分析

3.1 遭遇度模型構(gòu)建

本文采用遭遇度來(lái)衡量水庫(kù)入庫(kù)演算到控制斷面所形成的洪峰與區(qū)間洪水演算到控制斷面所形成的洪峰相遇的同步程度。遭遇度是反映將一場(chǎng)洪水各控制點(diǎn)洪水經(jīng)過(guò)洪水演算至同一控制斷面后，洪峰出現(xiàn)重疊情況的一個(gè)指標(biāo)，具體計(jì)算如

(1)

式中，r為遭遇度，0

3.2 洪峰同步性分析

(1)沂河洪峰同步性分析。沂河洪峰同步性分析主要考慮岸堤、跋山、許家崖3座水庫(kù)入庫(kù)洪水演算到臨沂所形成的洪峰與臨沂以上區(qū)間洪水的洪峰遭遇度，以及各水庫(kù)洪峰之間的遭遇度。唐村水庫(kù)由于集水面積小，演算到臨沂的洪峰非常小，相比臨沂的洪峰流量可忽略不計(jì)，沂河洪峰同步性分析不予考慮。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知，沂河1963年洪水、1993年洪水岸堤水庫(kù)與跋山水庫(kù)遭遇度均大于0.5，所以沂河應(yīng)考慮將岸堤水庫(kù)、跋山水庫(kù)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度，將2水庫(kù)洪水錯(cuò)峰。沂河1963年洪水岸堤水庫(kù)、許家崖水庫(kù)與區(qū)間洪水遭遇度大于0.500，1974年洪水許家崖水庫(kù)與區(qū)間洪水遭遇度大于0.500，1993年洪水許家崖水庫(kù)與區(qū)間洪水遭遇度大于0.500，應(yīng)考慮水庫(kù)與區(qū)間的錯(cuò)峰。

表6 沂河上游水庫(kù)與控制節(jié)點(diǎn)洪峰遭遇度計(jì)算結(jié)果

注：岸堤、跋山、許家崖指的是岸堤、跋山、許家崖水庫(kù)入庫(kù)流量演算至臨沂的洪水過(guò)程；大區(qū)間指的是臨沂以上除了水庫(kù)集水面積外的大區(qū)間；臨沂天然洪水指的是無(wú)水庫(kù)情況下臨沂的天然洪水。

表8 沂沭河洪水遭遇度計(jì)算

(2)沭河洪峰同步性分析。沭河洪峰同步性分析主要考慮青峰嶺、小仕陽(yáng)、陡山3座水庫(kù)入庫(kù)洪水演算到大官莊所形成的洪峰與大官莊以上區(qū)間洪水的洪峰遭遇度，以及各水庫(kù)洪峰之間的遭遇度。1993年小仕陽(yáng)水庫(kù)來(lái)水很小，沭河洪峰同步性分析不予考慮。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。由表7可知，沭河1974年洪水青峰嶺水庫(kù)與小仕陽(yáng)水庫(kù)遭遇度大于0.500，所以沭河應(yīng)考慮將青峰嶺水庫(kù)與小仕陽(yáng)水庫(kù)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度，將兩水庫(kù)洪水錯(cuò)峰。沭河1963年洪水青峰嶺水庫(kù)、小仕陽(yáng)水庫(kù)與區(qū)間洪水遭遇度大于0.500，1974年洪水青峰嶺水庫(kù)、小仕陽(yáng)水庫(kù)、陡山水庫(kù)與區(qū)間洪水遭遇度大于0.500，1993年洪水各水庫(kù)與區(qū)間洪水不遭遇，應(yīng)考慮水庫(kù)與區(qū)間的錯(cuò)峰。

表7 沭河各水庫(kù)與各控制節(jié)點(diǎn)洪峰遭遇度計(jì)算結(jié)果

注：青峰嶺、小仕陽(yáng)、陡山指的是青峰嶺、小仕陽(yáng)、陡山水庫(kù)入庫(kù)流量演算至大官莊的洪水過(guò)程；大區(qū)間指的是大官莊以上除了水庫(kù)集水面積外的大區(qū)間；大官莊天然洪水指的是無(wú)水庫(kù)情況下大官莊的的天然洪水。

(3)沂河、沭河洪峰遭遇度分析。沂河、沭河的洪峰同步性主要考慮臨沂洪峰與大官莊洪峰的同步性。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。由表8可知，沂河、沭河除1993年洪水遭遇度大于0.500外，其余6場(chǎng)洪水遭遇度均小于0.500，可知2條河流洪水洪峰遭遇的概率為較小(P=14.3%)。

3.3 沂河、沭河洪水量級(jí)同步性分析

洪水量級(jí)的大小通過(guò)徑流深反映[5]。沂河、沭河洪水量級(jí)同步性分析選取臨沂和大官莊兩個(gè)控制斷面7場(chǎng)歷史大洪水?dāng)?shù)據(jù)，洪量均取2日洪量。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 沂沭河洪水量級(jí)計(jì)算結(jié)果 mm

由表9可知，除1974年以外，沂河臨沂站來(lái)水均遠(yuǎn)大于沭河大官莊站來(lái)水；因此，沂河的防洪任務(wù)重于沭河，應(yīng)著重考慮沂河上游水庫(kù)對(duì)臨沂站的錯(cuò)峰補(bǔ)償調(diào)度。

表10 沂河各場(chǎng)次洪水水庫(kù)補(bǔ)償調(diào)度結(jié)果

4 水庫(kù)群補(bǔ)償能力分析

4.1 補(bǔ)償調(diào)度模型建立

補(bǔ)償調(diào)度的目標(biāo)為在保證水庫(kù)最高水位與調(diào)度期末水位約束的前提下，使防洪控制斷面的最大過(guò)水流量最小[6]。如圖1所示，水庫(kù)A至防洪區(qū)B的區(qū)間入流為QB(t)，B處的安全泄量為qB，為保證B處的防洪安全，則水庫(kù)A放水應(yīng)滿(mǎn)足：qA(t)≤qB-Q區(qū)(t-τ)，τ為區(qū)間來(lái)水匯集到B的匯流時(shí)間與水庫(kù)放水傳播到B的傳播時(shí)間之差。

當(dāng)τ>0或τ+t預(yù)≥0時(shí)(t預(yù)為洪水預(yù)報(bào)的預(yù)見(jiàn)期)，可以實(shí)施完全補(bǔ)償調(diào)節(jié)，使B斷面泄量控制為qB；當(dāng)τ<0或τ+t預(yù)≤0時(shí)，可以結(jié)合預(yù)報(bào)預(yù)見(jiàn)期實(shí)施錯(cuò)峰調(diào)度。

圖1 水庫(kù)群補(bǔ)償調(diào)度示意

約束條件：

(1)水庫(kù)最高水位約束為Zt≤Zm(t)，Zt為t時(shí)刻水庫(kù)水位，Zm(t)為t時(shí)刻容許最高水位。

(2)調(diào)度期末水位約束為Zend=Ze，Zend為調(diào)度期末計(jì)算的庫(kù)水位，Ze為調(diào)度期末的控制水位。

(3)水庫(kù)泄流能力約束為qt≤q(Zt)，qt為t時(shí)刻的下泄量，q(Zt)為t時(shí)刻相應(yīng)于水位Zt的下泄能力。

(4)出庫(kù)變幅約束為|qt-qt-1|≤qm|qt-qt-1|為相鄰時(shí)段出庫(kù)流量的變幅，qm為相鄰時(shí)段出庫(kù)流量變幅的容許值。

4.2 基于汛限水位起調(diào)的補(bǔ)償調(diào)度

選取1963年、1974年、1993年典型洪水計(jì)算水庫(kù)補(bǔ)償潛力，將所有水庫(kù)的起調(diào)水位統(tǒng)一設(shè)為汛限水位，把水庫(kù)的防洪高水位設(shè)為控制水位，只要水庫(kù)調(diào)度期最高水位不超過(guò)防洪高水位，水庫(kù)不放水，盡可能為區(qū)間洪水錯(cuò)峰。根據(jù)補(bǔ)償調(diào)度模型對(duì)選取年洪水進(jìn)行錯(cuò)峰調(diào)度。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表10、11。

由表10、11可知，除1963071821號(hào)洪水岸堤水庫(kù)、跋山水庫(kù)、小仕陽(yáng)水庫(kù)放水，1974081306號(hào)洪水跋山水庫(kù)、青峰嶺水庫(kù)、小仕陽(yáng)水庫(kù)、陡山水庫(kù)放水，1993080419號(hào)洪水許家崖水庫(kù)放水外，其余洪水各水庫(kù)均可不放水。對(duì)于水庫(kù)放水的情況，可進(jìn)行水庫(kù)錯(cuò)峰調(diào)度，使得水庫(kù)放水在臨沂、大官莊處的峰現(xiàn)時(shí)間與區(qū)間洪水在臨沂、大官莊處的峰現(xiàn)時(shí)間錯(cuò)開(kāi)。

表11 沭河各場(chǎng)洪水各水庫(kù)補(bǔ)償調(diào)度結(jié)果

沂河臨沂站、沭河大官莊站洪峰出現(xiàn)時(shí)，各水庫(kù)基于汛限水位補(bǔ)償調(diào)度放水的流量見(jiàn)表12、13。

表12 沂河上游水庫(kù)錯(cuò)峰補(bǔ)償調(diào)度效果分析

由表12、13可知：對(duì)于沂河臨沂站天然洪水不超過(guò)12 500 m3/s、沭河大官莊站天然洪水不超過(guò)2 000 m3/s的情況，各水庫(kù)起調(diào)水位只要為汛限水位，水庫(kù)在不放水的情況下洪水期的最高水位也不會(huì)超過(guò)防洪高水位，各水庫(kù)可攔蓄洪水期來(lái)水為下游河道控制斷面錯(cuò)峰。對(duì)于臨沂站天然洪水超過(guò)12 500 m3/s，大官莊站天然洪水超過(guò)2 000 m3/s的情況，通過(guò)補(bǔ)償調(diào)度，各水庫(kù)出庫(kù)洪峰與控制斷面洪峰錯(cuò)開(kāi)，對(duì)控制斷面的削峰效果很明顯。

表13 沭河上游水庫(kù)錯(cuò)峰補(bǔ)償調(diào)度效果分析

5 結(jié)論與建議

(1)沂河水庫(kù)群對(duì)臨沂斷面削峰作用明顯，岸堤水庫(kù)、跋山水庫(kù)補(bǔ)償能力較大，許家崖水庫(kù)也具有一定的補(bǔ)償能力，唐村水庫(kù)由于本身集水面積較小且防洪庫(kù)容較小所以基本上不具有補(bǔ)償能力。建議沂河水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度只考慮岸堤、跋山、許家崖3座水庫(kù)的聯(lián)合調(diào)度。

(2)沭河水庫(kù)群對(duì)大官莊斷面削峰作用明顯，青峰嶺水庫(kù)、陡山水庫(kù)補(bǔ)償能力較大，小仕陽(yáng)水庫(kù)具有一定的補(bǔ)償能力，建議沭河水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度考慮青峰嶺、小仕陽(yáng)、陡山3座水庫(kù)的聯(lián)合調(diào)度。

(3)本文水庫(kù)群補(bǔ)償能力分析是基于汛限水位作為起調(diào)水位進(jìn)行分析，未考慮水庫(kù)預(yù)泄。隨著水文氣象預(yù)報(bào)水平的不斷提高和水雨情遙測(cè)系統(tǒng)的不斷完善，可在汛限水位的基礎(chǔ)上考慮預(yù)報(bào)預(yù)泄的水庫(kù)群補(bǔ)償調(diào)度，在洪水到來(lái)之前通過(guò)水庫(kù)預(yù)泄騰庫(kù)迎接洪水，降低水庫(kù)的起調(diào)水位。