2020年長(zhǎng)江中游富水流域洪水調(diào)度模擬計(jì)算分析

柳小珊 盧少為

摘要：2020年7月，長(zhǎng)江中游富水流域發(fā)生了洪水，防洪形勢(shì)嚴(yán)峻。對(duì)流域型洪水進(jìn)行回顧性分析，建立了富水流域暴雨洪水-水庫(kù)調(diào)洪-洪水演進(jìn)耦合模型。計(jì)算了富水流域2020年7月4～8日暴雨洪水產(chǎn)匯流過(guò)程，模擬了富水水庫(kù)與下游河道在調(diào)度方式下的洪水演進(jìn)。結(jié)果表明：網(wǎng)湖分洪可有效降低陽(yáng)新段水位，但對(duì)下游防洪作用有限;應(yīng)加快網(wǎng)湖圍堤建設(shè)。該調(diào)度方案可為富水流域防汛工作提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：調(diào)洪計(jì)算;洪水演進(jìn);防洪調(diào)度;富水流域;長(zhǎng)江中游

中圖法分類號(hào)：TV87 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.12.002

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）12 - 0016 - 05

1 富水流域防洪體系

富水水庫(kù)位于長(zhǎng)江中游富水流域中游，是一座以防洪、發(fā)電為主，兼顧灌溉、航運(yùn)以及下游滅螺等綜合利用的大（1）型水庫(kù)[1]。水庫(kù)正常蓄水位57.00 m，死水位48.00 m，防洪高水位58.60 m，千年一遇設(shè)計(jì)洪水位62.10 m，萬(wàn)年一遇校核洪水位64.28 m。水庫(kù)總庫(kù)容16.21億m3，興利庫(kù)容5.48億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容8.08億m3，防洪庫(kù)容2.81億m3，死庫(kù)容4.21億m3。

王英水庫(kù)位于富水支流三溪河王英河上，控制流域面積243 km2，總庫(kù)容5.82億m3，水庫(kù)正常蓄水位70.00 m，設(shè)計(jì)洪水位71.91 m，校核洪水位73.37 m，是一座以防洪、灌溉為主，兼有滅螺、供水、發(fā)電、旅游等綜合效益的大（2）型水利工程。

富水水庫(kù)壩址到富池口大閘河道長(zhǎng)79.600 km，兩岸干堤總長(zhǎng)129.029 km，其中左岸74.672 km、右岸54.357 km。左岸堤防自上而下由長(zhǎng)塘湖堤、葵賽湖堤、率州堤、鐘家湖堤、南坦湖堤、上北煞湖堤、北煞湖堤、北煞湖隔堤、十里湖隔堤、十里湖堤、城關(guān)堤、寶塔湖堤、網(wǎng)湖堤、半壁山堤、大閘湖堤等15個(gè)堤段組成。其中，保護(hù)陽(yáng)新城區(qū)的十里湖隔堤、十里湖堤、城關(guān)堤、寶塔湖堤的防洪標(biāo)準(zhǔn)為30 a一遇，堤防及穿堤建筑物的等級(jí)為3級(jí);其余堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，堤防及穿堤建筑物的等級(jí)為4級(jí)。右岸堤防自上而下由中間湖堤、中間湖隔堤、上升湖堤、內(nèi)牧羊湖堤、內(nèi)牧羊湖隔堤、牧羊湖上隔堤、牧羊湖堤、牧羊湖下隔堤、東西湖堤、五里湖堤、五里湖隔堤、西湖堤、絨湖堤、絨湖隔堤、小賽湖堤、下羊湖堤、吳賽湖堤、朱婆湖堤等18個(gè)堤段組成，防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，堤防及穿堤建筑物的等級(jí)為4級(jí)[2]。

富池口大閘為富水河入長(zhǎng)江的閘，1968年建成，由排水閘、船閘等組成，具有擋洪、排水、滅螺、灌溉和航運(yùn)等功能。該工程原設(shè)計(jì)流量2 720 m3/s，下游設(shè)計(jì)水位19.00 m（黃海17.08 m）、上游設(shè)計(jì)水位19.50 m（黃海17.58 m）;校核流量3 560 m3/s，下游設(shè)計(jì)水位19.00 m（黃海17.08 m）、上游設(shè)計(jì)水位19.80 m（黃海17.88 m）;反向擋水時(shí)閘上設(shè)計(jì)水位19.00 m（黃海17.08 m）。1999年后進(jìn)行了除險(xiǎn)加固處理。船閘位于排水閘左側(cè)，為100 t級(jí)。閘室凈寬7.0 m，長(zhǎng)73.0 m，底部高程6.5 m，最高通航水位21.00 m。富池口電排泵站位于富池大閘右側(cè)，建成于1976年，裝機(jī)10×1 600 kW，設(shè)計(jì)提排流量200 m3/s。

2 研究方法

防洪補(bǔ)償調(diào)度模型為河道洪水演進(jìn)模塊與富水水庫(kù)調(diào)度模塊、分洪模塊耦合而成。防洪調(diào)度模型計(jì)算流程見(jiàn)圖1。

2.1 約束條件

約束條件包括：富水水庫(kù)汛限水位、庫(kù)區(qū)淹沒(méi)指標(biāo);壩下河道分段安全泄量，富水下游排市段安全泄量為1 300 m3/s，陽(yáng)新段安全泄量為2 000～6 000 m3/s;網(wǎng)湖、朱婆湖蓄洪區(qū)容積;富池口大閘啟閉狀態(tài)。

2.2 洪水計(jì)算方法

采用《湖北省暴雨徑流查算圖表》中的瞬時(shí)單位線法計(jì)算2020年7月4～8日洪水。

2.3 洪水演進(jìn)

由河道洪水演進(jìn)模塊與富水水庫(kù)調(diào)洪模塊、分洪模塊耦合而成。采用一維圣維南方程組描述洪水演進(jìn)，方程組包括連續(xù)方程和動(dòng)量方程：

[?Q?x+bs?h?t=q?Q?t+?αQ2A?t+gA?h?x+gQQC2AR=0] （1）

式中：x，t為空間坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo);Q為流量，m3/s;[bs]為斷面寬度，m;q為側(cè)向入流，m3/s;A為過(guò)水面積，m2;h為水位，m;R為水力半徑，m;C為謝才系數(shù);α為動(dòng)量修正系數(shù)。

2.3.1 調(diào)洪模塊

采用水量平衡法進(jìn)行調(diào)洪演算：

[（Q1+Q22-q1+q22）Δt=V2-V1] （2）

式中：[Q1]，[Q2]分別為計(jì)算時(shí)段初、末的入庫(kù)流量，m3/s;[q1]，[q2]分別為計(jì)算時(shí)段初、末的下泄流量，m3/s;[V1]，[V2]分別為計(jì)算時(shí)段初、末水庫(kù)的蓄存水量，m3;[Δt]為計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)，s。

采用MIKE11一維水動(dòng)力學(xué)模型對(duì)壩、閘門(mén)等水工建筑物進(jìn)行調(diào)度模擬。在富水水庫(kù)防洪調(diào)度模型中，水庫(kù)調(diào)洪模塊作為一維水流數(shù)學(xué)模型內(nèi)邊界與一維水動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行耦合。耦合實(shí)現(xiàn)方法為：①將洪水過(guò)程加在壩址斷面上;②將水庫(kù)水位-容積曲線加在壩址斷面上;③通過(guò)控制庫(kù)水位高低對(duì)8孔溢洪道閘門(mén)進(jìn)行調(diào)度，將出流結(jié)果與壩址下斷面進(jìn)行耦合;④對(duì)壩址至富池口河道進(jìn)行洪水演進(jìn)計(jì)算。

2.3.2 分洪模塊

根據(jù)網(wǎng)湖分洪調(diào)度方案，當(dāng)網(wǎng)湖分洪閘前水位達(dá)到21.43 m（凍吳23.31 m），且仍有上漲趨勢(shì)時(shí)開(kāi)閘分洪。若網(wǎng)湖分洪后，水位仍超21.43 m并繼續(xù)上漲，朱婆湖口門(mén)扒口分洪。

分洪模塊計(jì)算方法同水庫(kù)調(diào)洪模塊，由分洪閘閘前水位和閘門(mén)開(kāi)度計(jì)算分洪流量，通過(guò)分蓄洪區(qū)水位-容積曲線得到分蓄洪區(qū)水位。分洪模塊作為一維水流數(shù)學(xué)模型內(nèi)邊界與一維水動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行耦合，耦合實(shí)現(xiàn)方法為：在河道斷面上通過(guò)側(cè)向建筑物模擬分洪閘，通過(guò)水庫(kù)模擬分洪區(qū)。

2.4 初始條件

壩址以下至富池口初始水位為富池口水位往上游試算的初始水位，并將其設(shè)置成熱啟動(dòng)文件，MIKE11模型中通過(guò)熱啟動(dòng)加載初始水面線，再進(jìn)行上游調(diào)洪、下游洪水演進(jìn)連算。

2.5 邊界條件

上邊界為富水水庫(kù)實(shí)測(cè)的出庫(kù)洪水過(guò)程和采用水庫(kù)調(diào)洪模塊演算的過(guò)程。下邊界為富池口大閘閘下2020年7月4～8日實(shí)測(cè)水位過(guò)程。

區(qū)間入?yún)R：①富水-港口區(qū)間洪水過(guò)程;②三溪河支流洪水過(guò)程;③港口-陽(yáng)新區(qū)間洪水過(guò)程;④陽(yáng)新-絨湖口區(qū)間洪水過(guò)程;⑤絨湖口-富池口區(qū)間洪水過(guò)程。其中，三溪河支流洪水過(guò)程以點(diǎn)源入?yún)R，其他區(qū)間洪水過(guò)程以旁側(cè)均勻入?yún)R。

3 模型驗(yàn)證

選取1996年典型洪水進(jìn)行洪水復(fù)演和糙率試算。1996年典型洪水分洪前富水大閘能強(qiáng)排，利用富水大閘落閘前時(shí)段（1996年7月16日 08：00：00至1996年7月19日20：00：00）率定糙率。經(jīng)計(jì)算，富池口-陽(yáng)新綜合糙率為0.033，陽(yáng)新-港口糙率為0.027，港口-率州綜合糙率為0.025，率州-富水壩下綜合糙率為0.018。從率定結(jié)果可以看出：陽(yáng)新、率州、富水站水位過(guò)程率定結(jié)果較好，可用于富水水庫(kù)下游防洪能力分析及調(diào)度計(jì)算。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 富水流域設(shè)計(jì)洪水

4.1.1 產(chǎn)流計(jì)算方法

（1）面雨量。根據(jù)2020年7月4～8日逐時(shí)段降雨資料，采用富水流域上游通山、富水、洋港、楓林鋪、富池口、陽(yáng)新、三溪口、徐家?guī)X、橫石、萬(wàn)家、大梁、楊芳林、楠林橋、龍港、洪港和木石港等16站長(zhǎng)系列逐時(shí)段雨量資料，根據(jù)各站逐時(shí)雨量系列和權(quán)重，采用泰森多邊形方法，計(jì)算富水流域2020年7月4～8日面雨量為222.25 mm，約為20 a一遇的5 d最大暴雨。

（2）凈雨過(guò)程。采用《湖北省暴雨徑流查算圖表》的初損穩(wěn)損法計(jì)算凈雨過(guò)程，初損采用推薦值22.5 mm，穩(wěn)損采用穩(wěn)損公式計(jì)算的0.70 mm/h，凈雨量為159.79 mm。

4.1.2 匯流計(jì)算方法

采用檢驗(yàn)過(guò)的時(shí)段單位線法，根據(jù)產(chǎn)流計(jì)算得到的凈雨過(guò)程計(jì)算地面徑流過(guò)程，再采用《湖北省暴雨徑流查算圖表》計(jì)算地下徑流過(guò)程，兩者疊加即為設(shè)計(jì)洪水過(guò)程。

根據(jù)富水下游區(qū)間的匯流地勢(shì)地形特點(diǎn)，將區(qū)間劃分為富水-排市、排市-港口（含三溪河入?yún)R）、港口-陽(yáng)新、陽(yáng)新-絨湖口、絨湖口-富池口5個(gè)片區(qū)，其中三溪口至港口片需考慮上游已建王英、蔡賢、羅北口等大中型水庫(kù)的攔洪作用，各匯流片需扣除圍墾、養(yǎng)殖等不能直接匯入富水河的面積，在干流洪水調(diào)度計(jì)算時(shí)，再根據(jù)提排的泵站規(guī)模以點(diǎn)源加入模型。

2020年7月4～8日各片區(qū)洪水過(guò)程見(jiàn)圖2和表1。

4.2 富水2020年洪水調(diào)度成果

2020年型洪水過(guò)程入庫(kù)洪峰流量4 384 m3/s。從汛限水位起調(diào)：①開(kāi)1孔閘門(mén)，庫(kù)水位最高蓄至57.41 m，超過(guò)防洪高水位0.73 m，陽(yáng)新站最高水位21.96 m，未超過(guò)陽(yáng)新站防洪控制水位，但網(wǎng)湖閘前水位21.54 m，超過(guò)分洪控制水位0.15 m（閘前分洪控制水位21.39 m）;②開(kāi)2孔閘門(mén)泄洪，庫(kù)水位降至最高56.85 m，仍超防洪高水位0.17 m，最大下泄流量819 m3/s，外江水位21.08 m時(shí)，陽(yáng)新站水位22.14 m仍未超過(guò)防洪控制水位，網(wǎng)湖閘前水位21.64 m，超過(guò)分洪控制水位0.25 m;③開(kāi)3孔閘門(mén)泄洪，庫(kù)水位降至56.58 m，略接近防洪高水位，最大下泄流量1 164 m3/s，外江水位21.08 m時(shí)，陽(yáng)新站水位22.31 m，達(dá)到防洪控制水位臨界值，網(wǎng)湖閘前水位21.74 m，超過(guò)分洪控制水位0.35 m。為確保陽(yáng)新城關(guān)防洪安全，應(yīng)結(jié)合預(yù)報(bào)適時(shí)啟動(dòng)網(wǎng)湖分洪。若網(wǎng)湖分洪，富水水庫(kù)開(kāi)2孔閘門(mén)泄洪時(shí)陽(yáng)新站水位可降至21.95 m。水庫(kù)調(diào)度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

采取水庫(kù)預(yù)泄，即低于汛期限制水位1.0，1.5 m和2.0 m情況下，外江水位21.08 m時(shí)，水庫(kù)開(kāi)1～3孔閘門(mén)的調(diào)洪演算成果見(jiàn)表3。由表3可知，網(wǎng)湖分洪時(shí)可保證陽(yáng)新站水位在防洪控制水位以下。預(yù)泄的作用在于降低水庫(kù)水位，當(dāng)水庫(kù)開(kāi)3孔并預(yù)泄降2.0 m時(shí)，水庫(kù)水位降至55.03 m，庫(kù)區(qū)仍有較大的淹沒(méi)損失。

調(diào)算成果表明：網(wǎng)湖分洪可有效降低陽(yáng)新段水位;預(yù)泄可降低水庫(kù)最高蓄水位，但對(duì)下游防洪作用有限。結(jié)合富水水庫(kù)調(diào)度規(guī)程，可實(shí)現(xiàn)水庫(kù)不產(chǎn)生大的淹沒(méi)損失，也可保證下游陽(yáng)新城關(guān)防洪安全。因此，應(yīng)加快網(wǎng)湖圍堤建設(shè)，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃的富水防洪標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文建立了暴雨洪水—水庫(kù)調(diào)洪—洪水演進(jìn)耦合模型對(duì)富水水庫(kù)和下游網(wǎng)湖聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用進(jìn)行模擬。調(diào)洪計(jì)算結(jié)果表明：富水流域應(yīng)全流域聯(lián)防、干支流聯(lián)動(dòng);汛前汛中能排時(shí)應(yīng)力排搶泄出江，防洪工程實(shí)現(xiàn)上蓄中擋下分下排;網(wǎng)湖分洪可有效降低富水下游陽(yáng)新段水位;預(yù)泄可降低水庫(kù)最高蓄水位，但對(duì)下游防洪作用有限。富水水庫(kù)與分蓄洪區(qū)形成補(bǔ)償調(diào)度，實(shí)施前期預(yù)泄與后期控泄、分洪調(diào)度。本研究可為流域暴雨洪水預(yù)報(bào)預(yù)警、防洪調(diào)度和科學(xué)決策提供可靠依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 何娟，江焱生，姚黑字，等.富水水庫(kù)下泄對(duì)下游防汛形勢(shì)影響研究[J]. 中國(guó)水利，2017（5）：66-68.

[2] 梁家珍，胡煥發(fā).2017年富水水庫(kù)主汛期暴雨洪水及調(diào)度簡(jiǎn)析[J].水電與新能源，2017（12）：54-57，60.

（編輯：李 慧）

Simulation and calculation analysis of 2020 flood regulation of

Fushui River Basin of middle reach of Yangzte River

LIU? Xiaoshan ，? LU Shaowei

（Hubei Institute of Water Resources Survey and Design ，Wuhan 430064， China）

Abstract：In July， 2020， flood occurred in Fushui River Basin of middle reach of Yangzte River， and the flood control situation was serious. We made a retrospective analysis of the basin flood， established a couple model of rainstorm flood， reservoir regulation and flood routing of the Fushui River Basin， calculated the generation and confluence? process of the rainstorm flood in the basin from July 4 to 8， 2020 and analyzed the flood routing in the Fushui Reservoir and the downstream of the river channel under the regulation model. The results showed that the flood diversion by Wanghu Lake effectively lowered the water level of Yangxin section， but the flood control effect on the downstream was limited; the construction of the polder dyke should be strengthened. The flood regulation scheme can provide technical experience for flood control of the Fushui Basin.

Key words： flood regulation calculation;flood routing; flood control regulation; Fushui Basin; middle reach of Yangzte River