姜 容，李光熾

(河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098)

0 引 言

淮河流域位于我國南北氣候、高低緯度和海陸相三種過渡帶的重疊地區(qū)，屬大陸性季風氣候，氣候復雜多變，河道網絡密布，降雨時空分布不均。此外黃河奪淮七百年，使淮河水系遭到巨大的破壞，下游失去了入海尾閭[1]，改道入江，泄流不暢，許多支流發(fā)生了變遷或淤廢，加劇了淮河的洪澇災害。因其特殊的地理位置和自然原因，自古以來，淮河流域極易產生水旱災害[2]。近半個世紀內淮河洪水頻繁發(fā)生，每年7～9月份往往出現(xiàn)洪、澇、潮、臺多災并發(fā)，豫、皖、蘇三省區(qū)域水位猛漲，農田被淹，財產損失巨大，甚至威脅流域周邊人民生命安全。而蓄滯洪區(qū)[1]是臨時蓄存超額洪水、阻滯洪水淹沒而形成的低洼場所，可以用來進行防洪調度，對淮河的洪水演進有重要的控制作用。此外，目前采用數(shù)值方法研究蓄滯洪區(qū)主要參數(shù)對洪水過程影響的方法還尚在改進中，統(tǒng)一自由出流和淹沒出流的計算形式，簡化計算，利于掌握最佳參數(shù)，于優(yōu)化防洪有重大作用。

為更好地模擬淮河洪水演進的機理，并及時預防洪水侵略，削減洪峰，通過調節(jié)漲落潮流系數(shù)，調整計算過程曲線與實測過程曲線的吻合程度，并將過堰流統(tǒng)一考慮入模型，使得該模型具有可靠準確的精度，建立淮河洪水預報與調度系統(tǒng)[2]。同時，應用模型分析寬頂堰的堰寬、閘門開關時間及開啟程度這些主要影響因素對蓄滯洪區(qū)防洪效果的影響，結合研究區(qū)域自身的實際情況，為提出優(yōu)化防洪效果的措施提供參考依據(jù)。

1 基本原理

1.1 基本方程

本文采用水動力學方法模擬洪水入侵的運動過程。

采用明渠一維非恒定流方程來模擬河道水流的演進過程[3]：

(1)

式中：Z為斷面水位；B為斷面水面寬度；Q為過水斷面流量；A為過水斷面面積；q為旁側入流；t為時間變量；x為距離變量；Vx為入流沿水流方向的速度。

1.2 方程離散

采用四點線性隱格式[3]以微元控制體為單位對水流的基本方程逐項離散[1]，得到任一計算斷面的差分方程：

(2)

化簡后得三對角線差分方程：

(3)

1.3 計算方法

采用雙追趕法求解三對角線差分方程，以河網節(jié)點水位為基本變量，通過建立節(jié)點的物質守恒方程，耦合聯(lián)立求解節(jié)點指標。[4]為提高求解效率，采用超松弛技術迭代求解首、末節(jié)點水位流量，迭代方程為：

(4)

式中：ω為加權因子，一般取值0.5～1.0。

再按照河道逆順序回代可求得各斷面的水位、流量。

2 模型的建立與驗證

2.1 流域概況

淮河作為七大江河中的一員，從南省桐柏山太白頂開始流出，同時淮河流經信陽、正陽、羅山等縣市，在固始縣交匯于安徽，呈現(xiàn)排列各異的分流水道，經洪澤湖最終匯入長江?；春泳硟群鱼饪v橫，干流前端翹起，垂直落差大，中部和尾端凹陷低洼，落差小，使得洪水來勢兇猛，而下泄緩慢[3]。同時，淮河流域自古是我國中部東西走向的一座“擋風墻”，控制冷暖氣流的前進，易形成強對流天氣系統(tǒng)，導致氣候復雜多變。此外，淮河流域水系復雜，因黃河多次奪道，淮河下游淤積嚴重，排洪能力受限[4]。這些特殊的地形地貌和氣候特征的共同影響，使淮河流域洪水下泄不暢，洪澇災害頻頻發(fā)生，極大地威脅人民生活和生命財產安全。而治淮期間，修建的許多蓄水建筑物，可用來進行防洪調度，控制淮河的洪水演進，一定程度上緩解了洪災壓力。

2.2 研究區(qū)域概化

本文選取淮河干流蚌埠至花園咀河段為典型研究段，該河段無支流匯入，但是有幾個行蓄滯洪區(qū)可以進行防洪調度，將該河段面積最大的蓄滯洪區(qū)-花園湖蓄滯洪區(qū)加入模型，并有閘門控制，對全長為143.31 km的干流進行水流模擬，全段沿程經過蚌埠、吳家渡、臨淮關、五河、浮山、小柳巷、花園咀等水文站，模擬洪水演進過程，為下游的防洪抗災工作提供可靠的技術支持。河網概化見圖1，將淮河干流概化為2條河道，276個斷面，蚌埠站和花園咀站作為外節(jié)點，花園湖蓄滯洪區(qū)作為可調蓄節(jié)點，取典型洪水年2003年蚌埠站流量為上邊界條件，花園咀站水位為下邊界條件。

淮河干流河網概化圖

2.3 過閘堰流的處理

將可調蓄節(jié)點——花園湖蓄滯洪區(qū)的水位流量關系QL1=f(ZL1)，線性化處理成QL1=PL1-VL1ZL1[2]。水流經過堰閘時，假設上游水位為Zi，下游水位為Zi+1，閘寬B，閘底高程Zd，如圖2所示。

圖2 過閘堰流示意圖

淹沒出流的計算公式為：

(5)

自由出流的計算公式為：

(6)

統(tǒng)一自由出流和淹沒出流的計算形式為：

(7)

當上、下游水深比θ不小于2/3時，水流為淹沒出流，θ小于2/3，水流為自由出流。

2.4 數(shù)值驗證

建模時，將主槽和灘地糙率換算成各個斷面的綜合流量模數(shù)，同時區(qū)分水系，Q>0時設立落潮流系數(shù)修正糙率，Q<0時設立漲潮流系數(shù)修正糙率，從下邊界斷面開始逐河段向上游調整糙率。以確定性系數(shù)[5]作為水流模擬過程與實測過程之間的吻合程度的驗證指標，計算公式為：

(6)

表1 模擬結果表

結果表明，2003年各站除臨淮關站的擬合效果相對較差之外，其他站的水位計算曲線與實測曲線吻合效果確定性系數(shù)都達到了0.995以上，則證明該模型有可靠準確的精度，與實際應用較吻合。

3 模擬分析

蓄滯洪區(qū)的面積、底高、堰寬、閘門的開啟程度、閘門的啟閉時間等因素均會對蓄滯洪區(qū)的防洪效果有所影響。而花園湖蓄滯洪區(qū)是天然形成的區(qū)域，其水位庫容為定值，故本文僅對寬頂堰的堰寬、閘門開關時間及開啟程度這些因素對淮河干流的防洪影響進行討論，旨在優(yōu)化蓄滯洪區(qū)的防洪調度，為國家防洪領導機構研究制定決策提供科學依據(jù)。

為觀察方便，本文仍選用上節(jié)中2003年各站的水位流量作為邊界條件，以蓄滯洪區(qū)下游小柳巷站水位為典型進行分析。假設蓄滯洪區(qū)面積為A的規(guī)則柱狀區(qū)域，由水閘控制寬頂堰與干流的連通。

3.1 寬頂堰堰寬的影響

根據(jù)堰流公式可定性判斷，當水流過閘時，堰寬越大，過堰流量越大，則蓄滯洪區(qū)就可能越快蓄滿，在不考慮閘門開關時間調控的情況下，堰寬增大將不利于蓄滯洪區(qū)對洪水的控制作用。

為進一步定量說明堰寬對淮河干流防洪效果的影響，通過模型的計算來具體分析堰寬變化對洪水過程線的影響。假設蓄滯洪區(qū)面積A為200 km2，閘門在計算時段全開，蓄滯洪區(qū)底部高程10 m，初始水位等于底部高程，寬頂堰堰頂高程11 m，堰寬分別取10，20，30，40 m，觀察洪水過程線，計算結果如圖3所示。從曲線可看出，在堰寬較小時，隨著堰寬的增大，下游水位在各時段均隨之減小。隨著堰寬的增大，當B為20、30、40 m時，第一次洪峰水位逐個減小，而第二次洪峰水位逐個升高。這是由于小柳巷站出現(xiàn)兩次峰值水位，當繼續(xù)增大堰寬時，在出現(xiàn)第一次洪峰時蓄滯洪區(qū)更易蓄滿，若第二次洪峰來臨前，蓄滯洪區(qū)已達蓄滿狀態(tài)，則會出現(xiàn)蓄水量向干流回灌的現(xiàn)象，導致第二次洪峰有所上升[6]。

從以上分析可知，堰寬會對蓄滯洪區(qū)防洪效果產生影響，但不是決定性因素，增大堰寬可以更快地將干流的洪水分流到蓄滯洪區(qū)內，但也必須考慮蓄滯洪區(qū)蓄滿后回灌是否與下次洪峰重疊的問題，因此防洪調度時可適當調整堰寬，做綜合的統(tǒng)籌規(guī)劃。

圖3 不同堰寬的洪水過程線

3.2 閘門的影響

模型中假設閘門開啟程度參數(shù)KD，閘門全開時KD=1，閘門關閉時KD=0，那么KD是值為0～1的參數(shù)。在洪峰來臨時，增大閘門開啟程度，以便更快地將干流洪水導入蓄滯洪區(qū)內，而洪峰過去后，則可以將閘門關小，使蓄滯洪區(qū)內水緩慢流回干流，不致引起干流水位的大起大落。

同樣，閘門啟閉時間對蓄滯洪區(qū)防洪控制效果有很大的影響。而蓄滯洪區(qū)與干流的連接點和小柳巷站之間有一定距離，根據(jù)兩個斷面洪峰出現(xiàn)的時差可確定洪水波的傳播時間為2 h，即蓄滯洪區(qū)啟用后2 h后洪水波的影響會在小柳巷站映射[7]。這是調控下游斷面水位的一個重要參數(shù)。為計算分析閘門開啟時間的影響，本文保持上節(jié)條件不變，取堰寬為20 m，計算時段內，閘門開啟后不關閉，觀察不同閘門開啟時間下洪水過程線的變化，如圖4所示。

圖4 閘門不同開啟時間下的洪水過程線

可見，閘門開啟后，斷面水位有所下降，當蓄滯洪區(qū)水位與干流連接斷面水位相同時，研究斷面水位又會回復至無調蓄時的狀態(tài)。300 h時開啟閘門，水位正在上升階段，開啟后第一次洪峰下降較為明顯，調蓄效果好；750h時開啟閘門，第一次洪峰在退水階段，閘門開啟后對第二次洪峰略有影響，此時為第二次洪峰水位上升階段，開啟閘門后減小了第二次洪峰水位，但由于第二次洪水水量較大，調蓄效果不明顯。這是因為，在洪峰來臨前開閘能有效降低下游水位而，當閘前后水位相同時，若不及時關閉閘門，蓄滯洪區(qū)中的水會回灌入淮河干流，此時若正好與下次洪峰重疊，反而會增大洪水威脅。因此，閘門開啟時間必須依照水位變化曲線的形狀來選取，最好在洪峰來臨前水位的上升階段，當然，也要考慮綜合蓄滯洪區(qū)本身的庫容，否則水位控制的效果可能不明顯。實際運用中，上下游可能有多個蓄滯洪區(qū)進行協(xié)調，以彌補單個蓄滯洪區(qū)蓄量較小的缺陷。

為進一步確定最佳開閘時間，根據(jù)上文分析，故以開閘時間與下游斷面(小柳巷站)第一次洪峰水位關系作為選擇依據(jù)，分析開閘時間與洪峰水位間的關系，如圖5所示?？蛇x取最適合小柳巷站監(jiān)測斷面防洪控制的開閘時間為計算開始后的120 h左右，即本例中的14日9時(計算開始時刻為9日9時)。

圖5 開閘時間與洪峰水位關系圖

4 洪水控制技術

現(xiàn)有水庫、堤防、水閘等防洪工程，要加強工程管理，在確保工程本身安全的前提下，利用現(xiàn)代化通訊設施，進行科學合理調度，建立洪水預報系統(tǒng)，嚴格控制運用閘、堰的防洪調度原則，進行洪水調度，充分發(fā)揮蓄滯洪區(qū)的防洪效益。

針對上章關于堰寬對淮河干流防洪影響的規(guī)律研究，可適當調整寬頂堰堰寬的大小，使其抑制洪水能力得到優(yōu)化。選擇堰寬時，既要讓炸開的決口足夠大，使得干流的洪水較快地流入蓄滯洪區(qū)，又不能使決口太大，以致干流水位回落時，蓄滯洪區(qū)中的水過快地回灌，使得干流水位變化大起大落[7,8]，本例中選擇堰寬為20 m。

實際運用中，常常在危急時刻炸開一個決口逼迫干流水流入蓄滯洪區(qū)，顯然，炸開后的決口無法隨時“關閉”，這種情況下控制閘門關閉時間并不容易實現(xiàn)，這使得閘門開啟時間的選擇顯得尤為重要[8]。針對上章關于閘門對蓄滯洪區(qū)防洪效果的規(guī)律研究，可調整閘門開啟程度、開啟時間，統(tǒng)籌規(guī)劃何時開始削減水位，使得蓄滯洪區(qū)的調蓄作用“用在刀刃上”，可選擇在洪峰來臨前水位上升階段開閘，更有利于提高防洪效果，削減洪峰水位，本例中選擇在14日9時開啟閘門。

5 結 語

本文通過建立河網通用水流模型，分析研究蓄滯洪區(qū)重要參數(shù)對淮河干流防洪的影響，建立洪水預報系統(tǒng)。結果表明，該模型具有適用性。應用模型，得出以下規(guī)律：

(1)增大寬頂堰堰寬利于蓄滯洪區(qū)快速泄洪，但應控制避免蓄滿回灌的影響。

(2)閘門開啟程度與啟閉時間決定蓄滯洪區(qū)調蓄的“刀刃”作用，模擬演算出最佳時間、開啟度，可為實踐中“何時炸開決口，炸開多大的決口”提供參考依據(jù)。

針對上述蓄滯洪區(qū)幾個重要參數(shù)的影響規(guī)律，提出相應的洪水控制技術。

本模型人為確定參數(shù)得出的結果未必最優(yōu)，將計算機自動尋優(yōu)的算法[9]用于模型的建立，可能會獲得更好的結果。此外，關于蓄滯洪區(qū)的防洪效果，單個蓄滯洪區(qū)調洪效果十分微弱，在上下游設置多個蓄滯洪區(qū)進行綜合協(xié)調，效果可能將會更加顯著。

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