基于水量平衡的歷史典型洪水過(guò)程還原方法

郁 昱，李 君，薛瀟凡，洪美玲

（1.江蘇省水文水資源勘測(cè)局南通分局，江蘇 南通 226000；2.南通市九圩港水利工程管理所，江蘇 南通 226000）

0 引言

淮河流域地處長(zhǎng)江、黃河之間，隸屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，具有大陸性氣候特征，雨季暴雨頻繁，洪水發(fā)生頻繁。僅新中國(guó)成立以來(lái)，淮河流域就發(fā)生十多次比較大的洪水，包括1954 年、1968年、1969 年、1983 年、1991 年、1996 年、2003 年、2005 年、2007 年和2020 年歷史典型洪水，每場(chǎng)洪水特點(diǎn)鮮明。新中國(guó)治淮70 多年來(lái)，流域內(nèi)修建水庫(kù)6300 余座，總庫(kù)容329 億m3，其中大型水庫(kù)44 座，與行蓄洪區(qū)等工程錯(cuò)落分布，組成了一個(gè)復(fù)雜的水庫(kù)與河道、行蓄洪區(qū)聯(lián)合防洪系統(tǒng)。要制定科學(xué)合理的淮河流域防洪調(diào)度方案，必須依據(jù)流域天然洪水過(guò)程。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及科技進(jìn)步，淮河流域防洪工程不斷增加，對(duì)洪水天然過(guò)程改變也在不斷加深。因此，開(kāi)展歷史典型洪水過(guò)程還原，科學(xué)合理地進(jìn)行洪水調(diào)度，不僅可以降低下游的洪峰水位，減小洪災(zāi)損失，而且有利于洪水資源利用。

1 水庫(kù)入庫(kù)天然洪水過(guò)程

對(duì)水庫(kù)資料而言，現(xiàn)有水庫(kù)的水位、蓄量、出庫(kù)流量及對(duì)應(yīng)的時(shí)間，通過(guò)水量平衡方程推求出水庫(kù)的入庫(kù)過(guò)程，即：

式中：V(t+1)、V(t)分別為t+1時(shí)刻與t 時(shí)刻的水庫(kù)蓄水量（億m3）；

Q(t+1)、Q(t)分別為t+1時(shí)刻與t 時(shí)刻的水庫(kù)入庫(kù)流量（m3/s）；

q(t+1)、q(t)分別為t+1 時(shí)刻與t 時(shí)刻的水庫(kù)出庫(kù)流量（m3/s）；

Δt 為t+1 時(shí)刻與t 時(shí)刻的時(shí)間間隔，計(jì)算中已統(tǒng)一化為1h。

由于一次洪水過(guò)程中，歷時(shí)相對(duì)很短，且蒸發(fā)、滲漏等損失的水量與次洪總量相比很少，故計(jì)算過(guò)程中可不考慮水量的損失。

當(dāng)水庫(kù)上游還存在其他水庫(kù)時(shí)，該水庫(kù)的天然入庫(kù)洪水應(yīng)等于上游水庫(kù)入庫(kù)洪水在該水庫(kù)壩址處的響應(yīng)流量加上水庫(kù)間的區(qū)間洪水，水庫(kù)間的區(qū)間洪水計(jì)算公式如下：

式中：Q庫(kù)區(qū)(t)為t 時(shí)刻區(qū)間流量；Q'(t)為該水庫(kù)t 時(shí)刻由水量平衡反推得到的入庫(kù)流量；n 為該水庫(kù)上游的水庫(kù)個(gè)數(shù)；qi(t)為第i 座水庫(kù)t 時(shí)刻出庫(kù)在該水庫(kù)壩址處的響應(yīng)流量。

該水庫(kù)的天然入庫(kù)洪水計(jì)算公式如下：

式中：Q(t)為該水庫(kù)t 時(shí)刻天然流量；Qi(t)為第i座水庫(kù)t 時(shí)刻入庫(kù)流量在該水庫(kù)壩址處的響應(yīng)流量。

在水庫(kù)入庫(kù)流量推求過(guò)程中，由于多種因素的影響，推求的入庫(kù)流量過(guò)程線(xiàn)常出現(xiàn)鋸齒狀的跳躍，而且Δt 越小，鋸齒越嚴(yán)重，不符合洪水過(guò)程的一般規(guī)律。采用滑動(dòng)平均的方法，在選取Δt=1h的基礎(chǔ)上，采用以下公式計(jì)算水庫(kù)入庫(kù)流量，用t 到t+1 時(shí)刻的平均值代替t 時(shí)刻的瞬時(shí)值，盡可能地消除鋸齒。

式中：Q(t+1)、Q(t)分別為根據(jù)式（1）求得的t+1 時(shí)刻與t 時(shí)刻的水庫(kù)入庫(kù)流量。

圖1、圖2 為2005 年響洪甸水庫(kù)、佛子嶺水庫(kù)入庫(kù)流量過(guò)程。

圖1 2005 年響洪甸水庫(kù)入庫(kù)流量過(guò)程圖

圖2 2005 年佛子嶺水庫(kù)入庫(kù)流量過(guò)程圖

2 區(qū)間天然洪水過(guò)程

在進(jìn)行天然洪水還原的過(guò)程中，需要使用區(qū)間流量資料。水庫(kù)以下區(qū)間洪水過(guò)程根據(jù)各水庫(kù)出庫(kù)流量和控制斷面的實(shí)測(cè)流量過(guò)程，以及水庫(kù)到河道控制斷面的河道洪水演進(jìn)（馬斯京根法或匯流曲線(xiàn)）推求。本研究通過(guò)河道洪水演算模型，將各水庫(kù)的出庫(kù)流量演算至控制斷面，控制斷面實(shí)測(cè)流量與各水庫(kù)出庫(kù)演算至控制斷面的流量之差即為控制斷面與各水庫(kù)之間的區(qū)間流量。

式中：Q實(shí)測(cè)(t)為t 時(shí)段控制斷面實(shí)測(cè)流量；Qi(t)為第i 座水庫(kù)出庫(kù)流量演算至控制斷面t 時(shí)段的流量；n 為水庫(kù)的個(gè)數(shù)。

河道洪水演算可采用水力學(xué)和水文學(xué)兩類(lèi)方法。在水文學(xué)方法中，馬斯京根法是廣泛應(yīng)用的方法。本項(xiàng)目主要采用馬斯京根法進(jìn)行河道洪水演算，對(duì)于缺少馬斯京根法參數(shù)的河段，則采用河槽匯流曲線(xiàn)法或平推法等進(jìn)行河道洪水演算。

以響佛橫區(qū)間為例，響佛橫區(qū)間的上游水庫(kù)為響洪甸和佛子嶺水庫(kù)，橫排頭斷面的實(shí)測(cè)流量與響洪甸水庫(kù)和佛子嶺水庫(kù)的出庫(kù)流量演算至橫排頭的流量之差即為其區(qū)間流量。因此，按照上述計(jì)算方法，20070702 號(hào)響佛橫區(qū)間流量過(guò)程如圖3 所示。

圖3 20070702 號(hào)響佛橫區(qū)間流量過(guò)程圖

3 控制斷面天然洪水過(guò)程

利用各水庫(kù)的入庫(kù)洪水過(guò)程及其還原后的下游區(qū)間洪水過(guò)程，運(yùn)用水庫(kù)到河道控制斷面的河道洪水演進(jìn)，將各水庫(kù)的入庫(kù)流量演算至下游控制斷面，而各水庫(kù)入庫(kù)演算至控制斷面的流量過(guò)程與區(qū)間流量過(guò)程之和即為天然洪水過(guò)程，計(jì)算公式如下：

式中：Q區(qū)間(t)為t 時(shí)段控制斷面與各水庫(kù)之間的區(qū)間流量；Qi(t)為第i 座水庫(kù)入庫(kù)流量演算至控制斷面t 時(shí)段的流量；n 為水庫(kù)的個(gè)數(shù)。

水庫(kù)入庫(kù)洪水至下游控制斷面的河道洪水演進(jìn)仍采用馬斯京根方法、河道匯流曲線(xiàn)或平推流量法。還原主要控制斷面天然洪水過(guò)程可為評(píng)價(jià)不同水庫(kù)的防洪作用提供支撐。

以淠河控制斷面橫排頭為例，橫排頭上游相關(guān)水庫(kù)為響洪甸水庫(kù)、佛子嶺水庫(kù)，區(qū)間為響佛橫區(qū)間。橫排頭的天然流量為響洪甸和佛子嶺水庫(kù)的入庫(kù)演算至橫排頭斷面的流量過(guò)程與其對(duì)應(yīng)區(qū)間流量過(guò)程之和。因此，按照上述計(jì)算方法，20070702 號(hào)洪水橫排頭斷面天然流量過(guò)程還原結(jié)果如圖4 所示。

圖4 20070702 號(hào)洪水橫排頭斷面天然流量過(guò)程圖

4 結(jié)語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展及科技進(jìn)步，淮河流域防洪工程不斷增加，對(duì)洪水天然過(guò)程改變也在不斷加深。本文基于淮河水系歷史典型洪水，運(yùn)用水量平衡原理，分別針對(duì)水庫(kù)入庫(kù)洪水過(guò)程、干支流重要控制斷面洪水過(guò)程以及水庫(kù)下游區(qū)間洪水過(guò)程，提出了一種簡(jiǎn)單快捷的天然洪水過(guò)程還原計(jì)算方法，并以響洪甸水庫(kù)、佛子嶺水庫(kù)、響佛橫區(qū)間、橫排頭斷面歷史典型洪水分別為例，開(kāi)展天然洪水還原計(jì)算，研究結(jié)果對(duì)流域防洪具有參考意義■