趙艷紅，羅煜寧，張秀菊，谷黃河

(1.沂沭泗水利管理局，江蘇 徐州 221009；2.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098)

沂沭泗流域地處我國(guó)東部，介于長(zhǎng)江、黃河兩大流域間，東臨黃海。由于受東亞季風(fēng)氣候的影響，夏季多雨，且多集中在7—8月份，占總降雨量的70%～90%，易導(dǎo)致流域旱澇同期異地發(fā)生、旱澇同期交替[1]及沂河、沭河同時(shí)發(fā)生大洪水的情況[2]。近些年，沂沭泗流域相繼修建完成了一批防洪工程群，尤其是東調(diào)南下工程全面建成后，流域整體防洪能力得以提高。本文以流域1974年典型大洪水為例，對(duì)典型洪水在現(xiàn)狀防洪工程群下的行洪過(guò)程進(jìn)行分析，討論目前防洪調(diào)度中存在的問(wèn)題，為提高流域防洪效益與防洪能力，以及今后實(shí)施流域優(yōu)化調(diào)度提供決策支持。

1 流域水系及主要防洪工程概況

1.1 河流水系

沂沭泗水系是沂、沭、泗(運(yùn))三條水系的總稱，位于淮河流域東北部，河網(wǎng)密布，主要河道相通互聯(lián)，水系極其復(fù)雜。流域面積7.96萬(wàn)km2，約占淮河流域面積的29%。

泗運(yùn)河水系由泗河、南四湖、韓莊運(yùn)河、伊家河、中運(yùn)河等組成，流域面積約4萬(wàn)km2。南四湖在1960年興建二級(jí)壩樞紐工程后分為上下兩級(jí)湖，匯集上游各支流洪水，經(jīng)韓莊運(yùn)河、伊家河及不牢河進(jìn)入中運(yùn)河。中運(yùn)河上接韓莊運(yùn)河和邳蒼區(qū)間來(lái)水，下與駱馬湖間斷相通。

沂河水系由沂河、駱馬湖、新沂河等組成，流域面積約1.48萬(wàn)km2。沂河通過(guò)彭道口閘控制分沂入沭水道使沂河洪水進(jìn)入沭河；通過(guò)江風(fēng)口閘控制邳蒼分洪道使洪水入中運(yùn)河。沂河下游是駱馬湖，其上承沂河并接納泗運(yùn)水系和邳蒼地區(qū)來(lái)水，由嶂山閘和皂河閘及宿遷閘控制下泄。

沭河與沂河平行南下，經(jīng)大官莊樞紐分為兩支，分別南下入新沂河和向東入新沭河，東調(diào)洪水經(jīng)石梁河水庫(kù)調(diào)蓄后入海，流域面積約9260km2。

1.2 防洪工程及其設(shè)計(jì)能力

流域內(nèi)主要防洪工程包括水庫(kù)、河道堤防、節(jié)制閘或分洪閘、湖泊、滯洪區(qū)[3]等，本文預(yù)報(bào)洪水(斷面)為沂河臨沂站、大官莊樞紐、南四湖上級(jí)湖入湖流量過(guò)程。因此，本研究范圍不包括水庫(kù)工程。

1.2.1 沂河防洪工程

包括沂河河道堤防、分沂入沭水道、邳蒼分洪道、劉家道口樞紐(劉家道口節(jié)制閘、彭道口分洪閘)和江風(fēng)口分洪閘。

1.2.2 沭河防洪工程

包括沭河河道堤防、大官莊樞紐(新沭河閘、人民勝利堰閘)。

1.2.3 南四湖、韓莊運(yùn)河及中運(yùn)河防洪工程

包括湖西大堤、湖東堤、二級(jí)壩樞紐、韓莊樞紐、藺家壩閘、湖東滯洪區(qū)、韓莊運(yùn)河與中運(yùn)河堤防等。其中韓莊樞紐包括韓莊閘、伊家河閘、老運(yùn)河閘；湖東滯洪區(qū)包括白馬片(上級(jí)湖泗河～青山段)、界漷片(上級(jí)湖界河～城漷河段)及蔣集片(下級(jí)湖新薛河～郗山段)。

圖1 沂沭泗流域防洪工程分布與各節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)能力圖

1.2.4 駱馬湖與新沂河防洪工程

包括駱馬湖一線、宿遷大控制、嶂山閘及黃墩湖滯洪區(qū)等。其中，河道堤防包括駱馬湖湖堤、新沂河河堤；分洪閘包括嶂山閘、皂河閘、宿遷閘等。

沂沭泗流域防洪工程分布與各節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)能力如圖1所示。

1.3 防洪工程調(diào)度原理

洪水合理調(diào)度對(duì)發(fā)揮工程效益和減少洪災(zāi)損失至關(guān)重要[4]。現(xiàn)狀情況下沂沭河流域防洪調(diào)度遵循2012年6月修訂的《沂沭泗河洪水調(diào)度方案》(以下簡(jiǎn)稱“規(guī)則調(diào)度”)。根據(jù)調(diào)度方案，流域洪水遵循“沂河、沭河盡可能東調(diào)”原則，沂河、沭河洪水分別以臨沂站、大官莊站預(yù)報(bào)流量作為調(diào)度依據(jù)，南四湖與駱馬湖根據(jù)水位實(shí)施“分級(jí)調(diào)度”[5]。本文以該調(diào)度規(guī)則進(jìn)行計(jì)算，對(duì)調(diào)度結(jié)果進(jìn)行分析。

1.3.1 河道演算模塊

根據(jù)主要河道主要控制站預(yù)報(bào)洪水過(guò)程，以馬斯京根法為基礎(chǔ)建立河道洪水演算模型，即：

(1)

W=KQ=K[Ix+(1-x)O]

合并上述兩式得：

O2=C0I2+C1I1+C2O1

(2)

式中，

I—入流量；O—出流量；W、W1、W2—槽蓄量；K—穩(wěn)定流時(shí)的傳播時(shí)間；C0、C1、C2—系數(shù)。

根據(jù)上游站出流峰值及同次洪水中游河道站洪峰流量，計(jì)算出河段代表流量；由河段代表流量，求得演算河段穩(wěn)定流傳播時(shí)間K；結(jié)合時(shí)段長(zhǎng)Δt(2h或6h)、特征河長(zhǎng)l，河段長(zhǎng)L等，按下面公式計(jì)算：

計(jì)算出演算河段的單元河段數(shù)n及單元河段流量比重因數(shù)Xl，計(jì)算出河段演算系數(shù)C0、C1、C2。

1.3.2 涵閘分流模塊

根據(jù)水力學(xué)公式計(jì)算各涵閘不同流態(tài)(自由孔流、淹沒(méi)孔流、自由堰流、淹沒(méi)堰流)的泄流曲線，依據(jù)閘上水頭、閘下水頭等計(jì)算不同閘門分洪量。計(jì)算方法見(jiàn)式(3)與式(4)。

(3)

式中，B—溢洪道凈寬，m；h1—堰上水頭，m；m—流量系數(shù)；ε—側(cè)收縮系數(shù)。

若為底孔泄流，則泄流公式為：

(4)

式中，ω—孔口出流面積，m2；h2—堰上水頭，m；μ—孔口出流系數(shù)。

1.3.3 湖泊蓄洪模塊

在湖泊水量平衡和動(dòng)力平衡的基礎(chǔ)上，根據(jù)湖泊水位-庫(kù)容關(guān)系、庫(kù)水位與各閘泄量關(guān)系，建立能綜合考慮下游及周邊水系洪水情勢(shì)的湖泊調(diào)度模型。計(jì)算公式見(jiàn)式(5)—(6)。

(5)

q=f(V)

(6)

式中，Q1，q1—時(shí)段初入湖、出湖流量，m3/s；Q2，q2—時(shí)段末入湖、出湖流量，m3/s；V1，V2—時(shí)段初、末湖泊蓄水量，萬(wàn)m3。

1.3.4 滯洪區(qū)滯洪模塊

類似湖泊蓄洪模塊，建立滯留區(qū)滯洪模型。

2 典型洪水調(diào)度

2.1 1974年典型洪水概況

1974年8月，沂沭河和邳蒼地區(qū)出現(xiàn)大范圍暴雨，繼發(fā)流域大洪水。降雨過(guò)程主要在8月10—14日，最大雨量達(dá)435.6mm。本次大洪水特點(diǎn)是：南四湖來(lái)水不大，但沂河、沭河同時(shí)遭遇大洪水，且沭河洪水為建國(guó)以來(lái)最大。暴雨后臨沂站流量?jī)H一天就從79m3/s上漲至最大洪峰流量10600m3/s。沭河大官莊站14日與沂河同時(shí)出現(xiàn)洪峰，由于沭河暴雨中心出現(xiàn)在中游，沭河大官莊還原后的洪峰流量為11100m3/s，相當(dāng)于百年一遇標(biāo)準(zhǔn)。邳蒼地區(qū)處于暴雨中心附近，與邳蒼分洪道分泄的洪水疊加后，中運(yùn)河最大洪峰流量3790m3/s、最高水位26.42m，為建國(guó)以來(lái)最大。新沂河沭陽(yáng)站16日晚出現(xiàn)歷年最高水位10.76m，最大流量6900m3/s。

本文以沂河、沭河、南四湖、中運(yùn)河、駱馬湖各主要斷面預(yù)報(bào)流量、水位資料為依據(jù)，以上游測(cè)站的預(yù)報(bào)洪水過(guò)程作為邊界條件，依照調(diào)度方案計(jì)算下游站點(diǎn)的洪水過(guò)程，并與下游站點(diǎn)實(shí)測(cè)洪水過(guò)程進(jìn)行對(duì)比分析。計(jì)算節(jié)點(diǎn)包括：①彭道口閘、劉家道口閘、港上、新安、運(yùn)河站等各節(jié)點(diǎn)的流量；②駱馬湖上下級(jí)湖的水位；③嶂山閘與沭陽(yáng)閘的泄流量。

2.2 1974年典型洪水調(diào)度結(jié)果

根據(jù)《沂沭泗河洪水調(diào)度方案》(2012年6月修訂)對(duì)1974年8月洪水進(jìn)行計(jì)算，洪水調(diào)度結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 沂沭河1974年歷史洪水預(yù)報(bào)調(diào)度結(jié)果分析 單位：m3/s；m

(1)臨沂站預(yù)報(bào)洪峰為10132m3/s，與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差為-4.4%。根據(jù)臨沂站預(yù)報(bào)流量過(guò)程計(jì)算得到彭道口閘和劉家道口閘流量過(guò)程，其中彭道口閘，以下泄能力下泄，剩余流量經(jīng)劉家道口下泄。彭道口閘最大洪峰流量達(dá)到3096m3/s，與實(shí)測(cè)值基本吻合；劉家道口閘預(yù)報(bào)流量偏大8.0%，劉家道口閘流量超過(guò)8000m3/s，因此需要開(kāi)啟江風(fēng)口閘泄洪2520m3/s。由劉家道口閘預(yù)報(bào)流量過(guò)程計(jì)算的港上站洪峰流量偏小11.7%。

(2)大官莊預(yù)報(bào)洪峰為9286m3/s，與實(shí)測(cè)值(大官莊(老)+大官莊(新))相比偏大72%，據(jù)統(tǒng)計(jì)當(dāng)年沭河上游有68處漫溢決口，因此實(shí)測(cè)值本身偏小。根據(jù)沭河大官莊站預(yù)報(bào)洪水過(guò)程計(jì)算的大官莊(新)和大官莊(溢)偏大，新安站預(yù)報(bào)洪水過(guò)程洪峰較實(shí)測(cè)值偏小24%。

(3)南四湖上級(jí)湖預(yù)報(bào)入庫(kù)洪峰流量485m3/s，遠(yuǎn)小于二級(jí)壩閘的泄流能力，因此上級(jí)湖水位維持起調(diào)水位。下級(jí)湖預(yù)報(bào)入庫(kù)洪峰流量801m3/s，小于韓莊樞紐泄流能力，下級(jí)湖也維持起調(diào)水位?？傊?，南四湖預(yù)報(bào)流量過(guò)程與實(shí)測(cè)流量過(guò)程有較大差異。

(4)根據(jù)南四湖預(yù)報(bào)出庫(kù)流量，計(jì)算臺(tái)兒莊站洪峰流量為882m3/s，較實(shí)測(cè)值偏小。根據(jù)南四湖預(yù)報(bào)出庫(kù)流量和邳蒼區(qū)間預(yù)報(bào)流量，計(jì)算得到運(yùn)河站預(yù)報(bào)流量過(guò)程，預(yù)報(bào)洪峰為2895m3/s，較實(shí)測(cè)值偏小23.6%。

(5)以運(yùn)河站和港上站預(yù)報(bào)洪水過(guò)程以及湖濱區(qū)間預(yù)報(bào)洪水過(guò)程，計(jì)算駱馬湖的入庫(kù)洪水過(guò)程，經(jīng)調(diào)洪演算得到駱馬湖出庫(kù)和水位變化過(guò)程，計(jì)算得到駱馬湖1974年典型洪水最高庫(kù)水位24.58m；計(jì)算嶂山閘最大泄量5489m3/s，皂河閘最大泄量1000m3/s，峰現(xiàn)時(shí)間誤差在18h(3個(gè)計(jì)算時(shí)段)以內(nèi)。

根據(jù)嶂山閘和新安預(yù)報(bào)洪水過(guò)程結(jié)合嶂沭區(qū)間預(yù)報(bào)過(guò)程，演算得到沭陽(yáng)站洪水過(guò)程，計(jì)算沭陽(yáng)站洪峰流量7252m3/s。

2.3 現(xiàn)狀調(diào)度方案結(jié)果分析

沂沭河流域內(nèi)分布的水庫(kù)、湖泊、分洪閘等防洪工程在保障流域安全方面發(fā)揮了重要作用。經(jīng)計(jì)算，在發(fā)生1974年歷史大洪水，流域各防洪工程斷面流量或水位均未超過(guò)工程設(shè)計(jì)能力，洪水均能順利經(jīng)新沭河、新沂河等入海。但受上游潰堤、預(yù)報(bào)精度、調(diào)度方案等諸多因素的影響，調(diào)度結(jié)果與實(shí)測(cè)值之間還存在一定誤差，在調(diào)度過(guò)程中各節(jié)點(diǎn)分洪流量還存在需要調(diào)整的地方。

2.3.1 調(diào)度誤差

(1)大官莊站流量誤差原因：流域節(jié)點(diǎn)的洪水預(yù)報(bào)受到多種因素的影響[6]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，1974年8月沭河上游有68處漫溢決口，因此導(dǎo)致大官莊站實(shí)測(cè)值較預(yù)報(bào)值?。桓鶕?jù)沭河大官莊預(yù)報(bào)洪水過(guò)程計(jì)算的大官莊(新)和大官莊(溢)值較實(shí)測(cè)值大。

(2)沂河彭道口閘計(jì)算流量與實(shí)測(cè)流量間誤差原因：由于本次洪水調(diào)度系根據(jù)調(diào)度方案，即完全按照“規(guī)則”進(jìn)行調(diào)度，“方案規(guī)則”與“調(diào)度決策”有一定差異。同時(shí)，由于部分工程建成年代滯后于洪水發(fā)生時(shí)間，其“設(shè)計(jì)能力”與“實(shí)際能力”間也存在差異，因此，造成了彭道口等防洪工程的計(jì)算洪峰與實(shí)際值的誤差。

(3)缺乏實(shí)測(cè)資料：部分節(jié)點(diǎn)或區(qū)間，例如臺(tái)兒莊、運(yùn)河站邳蒼區(qū)間、駱馬湖實(shí)際出流包括嶂山閘、宿遷閘與皂河閘等缺少實(shí)際洪水信息，在計(jì)算時(shí)無(wú)法進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，也是誤差產(chǎn)生的原因之一。

2.3.2 問(wèn)題探討

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，1974年典型洪水情況下，大官莊樞紐存在防洪壓力過(guò)大、南四湖上下級(jí)湖水位差不合理的情況。

(1)大官莊樞紐除了要承接沭河來(lái)水，還要承接分沂入沭分洪量，因此當(dāng)沂河和沭河同時(shí)遭遇大洪水，1974年典型洪水，大官莊樞紐防洪壓力很大。按照流域調(diào)度方案計(jì)算，現(xiàn)狀水利工程條件下大官莊樞紐最大泄量達(dá)到了設(shè)計(jì)流量。因此，在流域調(diào)度中，應(yīng)靈活運(yùn)用調(diào)度方案，對(duì)沂河分沂入沭流量結(jié)果進(jìn)行人工干預(yù)、調(diào)整，以減輕大官莊樞紐防洪壓力。

(2)二級(jí)閘泄流設(shè)計(jì)能力較大，而1974年南四湖來(lái)水過(guò)程較小，因此，若按照調(diào)度方案調(diào)度，則計(jì)算結(jié)果為入庫(kù)洪水全部及時(shí)下泄，上級(jí)湖庫(kù)水位基本不升高，維持在起調(diào)時(shí)刻的33.86m，下級(jí)湖最高水位也基本維持在31.81m。與二級(jí)閘實(shí)際泄流能力不符[7]，也與歷史調(diào)度中上下級(jí)湖水位差在約1.5m左右的“經(jīng)驗(yàn)值”有較大差異，同時(shí)，上級(jí)湖和下級(jí)湖出庫(kù)洪峰流量出現(xiàn)時(shí)間也和實(shí)際有較大差別。此外，調(diào)度時(shí)僅考慮防洪，未考慮興利蓄水，這導(dǎo)致在實(shí)際入湖洪水較小時(shí)，湖泊仍保持較大的下泄量。

(3)駱馬湖庫(kù)容小，承接了沂河、南四湖、邳蒼區(qū)間等多支洪水，在遭遇大洪水的情況下水位上升較快，防洪壓力大。因此，在發(fā)生大洪水情況下，可充分利用南四湖調(diào)洪能力大和水位上升慢的特點(diǎn)，適當(dāng)減少下泄量，在韓莊樞紐下泄過(guò)程中統(tǒng)籌考慮南四湖、中運(yùn)河、駱馬湖水情，這樣在保證南四湖安全的前提下，可以降低中運(yùn)河和駱馬湖的防洪壓力。

3 結(jié)論與建議

沂沭泗流域已形成了相對(duì)完善的防洪工程體系，在現(xiàn)狀水利工程下，當(dāng)流域發(fā)生1974年典型洪水時(shí)，通過(guò)上游水庫(kù)、南四湖、駱馬湖對(duì)洪水的調(diào)蓄，大官莊和劉家道口樞紐等工程對(duì)洪水的合理調(diào)度分泄，洪水均能順利經(jīng)新沭河、新沂河等入海，可以保障流域內(nèi)人民生產(chǎn)生活安全。

流域調(diào)度方案在實(shí)施時(shí)仍存在靈活運(yùn)用、合理調(diào)整的空間。在今后的研究中，尤其是在研究流域優(yōu)化調(diào)度[8]問(wèn)題時(shí)，應(yīng)考慮不同水系、不同工程間的流量合理分配、上下級(jí)湖水位差的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等問(wèn)題。建議在遵循防洪調(diào)度方案“沂沭河洪水盡可能東調(diào)”原則及“按照臨沂站與大官莊樞紐預(yù)報(bào)流量、按照南四湖上下級(jí)湖水位”分級(jí)調(diào)度的基礎(chǔ)上，結(jié)合歷史洪水調(diào)度實(shí)踐，對(duì)流域各計(jì)算節(jié)點(diǎn)的流量或水位結(jié)果進(jìn)行干預(yù)、調(diào)整，以使流域防洪綜合效果更加顯著。