淮河上游擬建水庫洪水調度方式與防洪庫容優化研究

成晨光 劉德波 孫 熙 李 琳 鄭二偉

（河南省水利勘測設計研究有限公司 鄭州 450000）

1 引言

淮河淮濱以上流域面積16005km2，流域西起桐柏山、伏牛山，南以大別山與長江流域分界，西部、南部為山區、丘陵區，其余為平原。流域位于南北氣候過渡地帶，季風影響明顯，洪水都為暴雨所致，且降雨時空分布不均，暴雨大都發生在6～8月，以7月份為最多，淮南山區常是暴雨中心所在地，淮南支流相繼匯入淮河干流，支流下游及淮干防洪壓力較大。

經過幾十年治理，流域內已建成南灣、石山口、五岳、潑河四座大型水庫，對控制山區性洪水發揮了重要作用，在建的淮干出山店水庫即將投入運行，五座水庫控制山丘區流域面積4630km2，占淮濱以上總流域面積的28.93%，總庫容35.17 億m3，其中防洪庫容16.57 億m3。但仍有竹竿河、潢河上游山區洪水未得到控制，淮干淮濱防洪標準不足20年一遇。

根據《淮河流域防洪規劃》：①為保證淮河流域中下游防洪安全，上游淮濱站～王家壩的允許排洪流量為7000m3/s，淮河干流上游修建出山店水庫，支流竹竿河修建張灣水庫、潢河修建袁灣水庫、潢河支流晏家河修建晏河水庫，水庫建成后，可使準河干流淮濱20年一遇設計流量控制在7000m3/s 以內，減少下游濛洼滯洪區的進洪量；②現狀淮濱站10年一遇設計洪峰7210m3/s，即現狀淮濱站的防洪標準不足10年一遇，出山店水庫基本建成投入運行后，可使淮濱站防洪標準提高至約15年一遇，規劃利用張灣、袁灣、晏河三座水庫控制所在流域山區洪水，提高下游防洪能力是必要的；③為合理確定各水庫防洪庫容，盡可能減小水庫淹沒影響，尋求合理可行的防洪調度方式和經濟的水庫規模，需結合三座水庫建設條件以及山區水庫距離防洪控制斷面淮濱站距離較遠的現狀，對防洪調度規則進行優化研究。

規劃的張灣水庫壩址位于淮河支流竹竿河上游、河南省信陽市羅山縣竹竿鋪鎮上游10km 處，控制流域面積1520km2；袁灣水庫壩址位于潢河上游光山縣潑陂河鎮和晏河鎮交界處的袁灣村附近，控制流域面積480km2；晏河水庫壩址位于潢河左岸支流晏家河上游，光山縣晏河鎮與新縣吳陳河鎮的交界處，控制流域面積277km2。

2 設計洪水及地區組成

表1 馬斯京跟法河道演進各河段基本參數表

2.1 設計洪水

根據淮濱以上防洪要求，設計水庫包括出山店、張灣、袁灣、晏河水庫，淮濱以上設計洪水地區組成的分區分別為水庫以上及區間。

各水庫設計洪水依據相近水文站的實測資料計算；淮濱站設計洪水，根據本站實測洪水系列計算；出張袁晏～淮區間設計洪水，用淮濱站洪水過程減去上游各水庫洪水演進至淮濱站的洪水過程，統計峰量值排頻計算。水庫至控制斷面洪水演進采用參數見表1。

各分區20年一遇設計洪水計算成果見表2。

2.2 典型洪水選取

從實際洪水系列中選取1954年、1956年、1960年、1968年、1983年、2002年6 場較 大 洪 水典型。其中1954年為全流域暴雨，形成多峰型洪水過程，量大而集中；1956年降雨主要發生在出張袁晏～淮區間，形成單峰、尖瘦型洪水過程；1960年、1968年為全流域暴雨，形成單峰、尖瘦型洪水過程；1983年降雨主要在淮南支流，形成單峰、量大的洪水過程；2002年降雨主要在淮干出山店水庫上游，形成稍矮胖、雙峰型洪水過程，包含了淮濱以上洪水組成的主要類型。

2.3 洪水地區組成方法

此次采用同頻率洪水組成法和典型洪水組成法兩種方法。同頻率洪水組成法考慮兩種組合：一是淮濱與出山店、張灣、袁灣、晏河～淮濱區間同頻率，水庫以上相應；二是淮濱與水庫以上同頻率，出山店、張灣、袁灣、晏河～淮濱區間相應。前者以未控區間來水為主，上游水庫攔蓄的洪水較小，水庫調蓄對下游設計斷面的設計洪水影響較小，對淮濱防洪最不利；后者對淮濱防洪最有利、對水庫防洪最不利；典型洪水組成法按設計斷面淮濱的3 天洪量的倍比，放大各區典型洪水過程。

表2 各分區20年一遇設計洪水特征值表

3 水庫防洪調度方式的擬定

防洪調度方式的可操作性和防洪效果至關重要，如何確定滿足淮濱防洪任務（20年一遇控制在7000m3/s）的調度方式和相對經濟的水庫防洪庫容是該研究的關鍵。

對于承擔下游防洪任務的水庫，一般有固定泄量調度和補償調度兩種方式。其中，補償調度方式分為預報補償調度方式和經驗性補償調度方式，目前淮河流域淮濱以上水雨情測報系統尚不完善，流域面積較大、流域內中小型水庫眾多，洪水預報方案及精度還有待研究，因此工程規劃設計階段不考慮預報補償調度方式。此次研究根據淮河淮濱站以上流域特點，擬建水庫分別選取固定泄量、分級控泄、錯峰調度方式，就防洪調度方式及防洪庫容的經濟合理性進行研究。

4 防洪調度方式分析及水庫防洪庫容的確定

根據防洪要求，出山店、張灣、袁灣、晏河水庫建成后，保證淮濱站20年一遇設計流量不超7000m3/s，即Q三庫響應+Q出山店響應+Q區間≤7000m3/s（將水庫出庫演進至淮濱斷面的洪水稱為響應洪水）。其中Q區間=5520m3/s，Q出山店響應=1200m3/s，故Q三庫響應≤280m3/s，即三座水庫防洪調度的任務是將響應洪水與淮濱洪峰疊加的流量控制在280m3/s 之內。

4.1 調度方式及指標分析

4.1.1 固定泄量法

水庫固定泄量法調度方式示意圖見圖1，圖為淮濱洪水過程線與水庫出入庫洪水過程線、水庫出入庫洪水演進至淮濱響應洪水過程線的相對關系；Q限表示淮濱的允許流量，即7000m3/s；Q固表示水庫的固定泄量；Δt1表示水庫與淮濱洪水的峰現時間差，當水庫洪水與區間洪水同步時，Δt1與水庫至淮濱斷面的演進時間基本相同；Δt2表示淮濱超Q限的時長；W蓄表示固定泄量法水庫攔蓄洪量；W超限表示防洪控制斷面超限的洪量；W有效表示通過水庫攔蓄洪水對下游防洪控制斷面洪水的有效削減量。

三座水庫控泄流量初步按削峰率一致分配，張灣、袁灣、晏河控泄量分別為150m3/s、80m3/s、50m3/s。水庫防洪庫容及水庫調蓄后淮濱流量見表3。

調算結果分析：①三座水庫防洪庫容分別為4.81 億m3、1.72 億m3、0.98 億m3；②綜合考慮水庫興利目標、移民征遷投資等因素，采用固定泄量法調度方式，水庫防洪庫容最大，對上游主要城鎮以及高速、鐵路等重要設施造成淹沒影響最大。

4.1.2 分級控泄

通過分級控泄調度減少無效防洪庫容，即當淮濱流量較小時，水庫可適時加大泄量。水庫分級控泄調度方式示意見圖2。圖中T始表示開始減小控泄量的時間；T止表示淮濱洪水回落至Q始后水庫開始加大泄量的時間；Q1表示水庫分級控泄的較小控泄量，張灣、袁灣、晏河分別為150m3/s、80m3/s、50m3/s；Q2表示較大控泄量，考慮水庫下泄洪水在洪水傳播過程中的坦化作用，應在不影響防洪效果的前提下適當加大，經分析計算，張灣、袁灣、晏河對應的Q2取800m3/s、400m3/s、400m3/s；起蓄流量Q始表示開始減小泄量時淮濱斷面的流量；Δt3表示淮濱洪水從Q始至洪峰的漲峰歷時，為保證與淮濱洪峰疊加得流量是水庫較小的控泄量，并考慮水庫下泄洪水在演進過程中的坦化作用，Δt3大于洪水從壩址至防洪控制點的傳播時間。張灣水庫至淮濱站的洪水演進時間為33h，袁灣、晏河水庫至淮濱站的洪水演進時間為39h，經過對不同Q始擬定方案對不同典型過程計算分析，張灣水庫需在淮濱流量大于2000m3/s 時減小控泄量，袁灣、晏河水庫需在淮濱流量大于1000m3/s 時減小控泄量。

圖1 固定泄量法調度方式示意圖

圖2 分級控泄調度方式示意圖

根據以上分析初擬三座水庫防洪調度方式如下：

張灣水庫：淮濱＜2000m3/s，控泄800m3/s；淮濱＞2000m3/s，控泄150m3/s。

袁灣水庫：淮濱＜1000m3/s，控泄400m3/s；淮濱＞1000m3/s，控泄80m3/s。

晏河水庫：淮濱＜1000m3/s，控泄400m3/s；淮濱＞1000m3/s，控泄50m3/s。

調算水庫防洪庫容及水庫調蓄后淮濱流量成果見表3，調算結果分析：三座水庫防洪庫容分別為4.21 億m3、1.72 億m3、0.93 億m3，與固定泄量法相比，分級控泄調度方式降低防洪庫容的作用較小，主要原因是水庫可加大泄量補償湊泄的時間有限。

4.1.3 錯峰調度

錯峰調度可以有效地減小水庫的防洪庫容，水庫錯峰調度方式示意圖見圖3，圖中符號意義與前述一致，Q1為水庫錯峰期下泄流量，取值常較小甚至為0，Q2為非錯峰期下泄流量。

考慮張灣、袁灣、晏河三座水庫特點：①張灣水庫控制流域面積大，壩址以上洪水對淮濱洪水的峰量貢獻最大，錯峰補償調度意義較大，可在淮濱洪峰相應時段盡量少泄，其余時段適當加大泄量；②袁灣、晏河水庫距離淮濱斷面較遠（洪水傳播時間為39h），且考慮下游龍山樞紐也有一定調節作用，兩庫防洪調度方式盡量簡便有效，仍采用固定控泄。

張灣水庫錯峰調度關鍵在于確定T始、T止、Q1、Q2四個參數：

（1）T始的取值

T始的確定與分級控泄調度方式一致，即在淮濱流量達到2000m3/s 時，開始錯峰。

（2）T止的取值

圖3 錯峰調度方式示意圖

經過不同典型洪水的計算分析，淮濱洪水過程線超7000m3/s 的時段長Δt2＜2d，且張灣水庫錯峰2天可滿足所有典型年的錯峰要求，T止-T始時段長取2 天。

（3）Q1的取值

Q1的確定首先要滿足淮濱防洪要求，即：

Q1+Q袁灣固定控泄+Q晏河固定控泄≤Q限-Q區間-Q出山店響應=280m3/s

考慮袁灣、晏河水庫淹沒影響限制條件，要求固定控泄量滿足：

Q袁灣固定控泄≥120m3/s

Q晏河固定控泄≥80m3/s

相應的張灣水庫Q1應滿足：

0 ≤Q1≤80m3/s

若張灣水庫Q1取0，即采取閉閘錯峰調度方式，同樣對上游城鎮造成較大淹沒，綜合考慮三座水庫的規模限制，Q1取80m3/s。

（4）Q2的取值

考慮水庫下泄洪水在演進過程中的坦化作用，Q2應在保證張灣水庫出庫相應洪水與淮濱洪峰疊加的流量為80m3/s 的前提下適當加大，經調算，Q2取300m3/s。

綜上所述三座水庫防洪調度方式為：

張灣水庫：當淮濱流量突破2000m3/s 時，且流量持續上漲，控泄80m3/s 持續2 天；其余時段控泄300m3/s。

袁灣水庫：固定控泄120m3/s。

晏河水庫：固定控泄80m3/s。

各庫防洪庫容及淮濱流量成果見表3。

4.2 防洪調度方式及防洪庫容的比選

固定泄量法操作簡單，需要的防洪庫容較大，水庫淹沒影響較大。

分級控泄理論上可以減小水庫的防洪庫容，結合淮河上游山區水庫距離防洪控制斷面距離較遠、洪水傳播時間較長的實際特點，需要按較小控泄量的時段較長，水庫可加大泄量補償湊泄的時段較短，分級控泄減小水庫防洪庫容的作用有限。

經判別指標和調算成果的分析比較，本研究提出張灣水庫錯峰，袁灣、晏河水庫固定控泄的防洪調度方式：①三座水庫的防洪庫容分別為3.71 億m3、1.41 億m3、0.75 億m3，較前兩種方式有明顯的減小，水庫規模更經濟；②調度方式以淮濱站已出現的水情作為判別指標，可操作性強；③隨著水文預報、防洪調度技術的不斷成熟，錯峰調度逐步具有可行性。

表3 水庫防洪庫容及水庫調蓄后淮濱流量表

5 結論與展望

（1）本文在分析洪水組成、建庫條件的基礎上，以滿足流域防洪要求和較小的征地移民影響為目標，對距離控制斷面較遠的擬建水庫（群）洪水調度方式進行研究，擬定以淮濱控制斷面流量為判別條件的不同泄量方式組合，優化防洪調度方式。

（2）通過本流域研究分析，對于水庫距離防洪控制斷面較遠的流域，采用錯峰調度可以減小水庫無效防洪庫容。

（3）水庫距離防洪控制斷面越近，對下游防洪貢獻越大；水庫距離防洪控制斷面的距離越遠，河道槽蓄能力對洪水坦化作用較大，對下游防洪貢獻越小；淮河淮濱站以上擬建的張灣、袁灣、晏河三座水庫距離淮濱斷面較遠，對于水庫入庫洪水的削峰率達到96.6%，實際削峰7990m3/s，但對于淮濱站的削峰率僅有17.2%，實際削峰1660m3/s，這也是本流域的實際特點。

此次初擬的防洪調度方式以淮濱斷面流量為判別條件，從上下游全局綜合考慮，結合防洪目標，為提高實時調度的科學性，可進一步附加降雨、入庫流量等作為判別指標，進一步研究完善■