齊鵬云 萬能勝 劉恒恒 賴錫軍 熊竹陽 韓琦

摘 要：平原地區(qū)閘站等水利工程在防洪除澇中起著重要作用，合理的調度可有效減輕洪水災害?；?020年巢湖洪水事件，采用河網一維非恒定流模型，結合實測水情研究了牛屯河分洪閘——銅城閘調度對巢湖洪水外排能力的影響。結果表明，銅城閘分洪使巢湖閘泄洪量增加分洪量的33-50%，但使洪水通過裕溪閘下泄的流量減少了分洪量的50-67%。河網區(qū)水量分配關系復雜，單一閘站的調度可改變整個河網區(qū)的水量格局，實際調度中，河網水利工程調度應結合實際水情工情，科學研判。

關鍵詞：洪水;調度;數(shù)值模型;閘壩;巢湖

水工建筑物是調控自然河湖水流、防治水旱災害的重要工程措施。我國水利工程大規(guī)模建設在除害興利方面發(fā)揮了重要作用[1]。巢湖為我國第五大淡水湖泊，流域河流集中匯水于巢湖，通過巢湖閘控制下泄裕溪河外排長江。巢湖流域屬長江中下游防洪保護區(qū)巢湖閘上流域面積共9186 km2，涉及合肥市、巢湖市、湖區(qū)的一般城鎮(zhèn)及保護耕地2 000 hm2以上的大圩[2]。巢湖閘下裕溪河水系是汛期高水位時巢湖洪水唯一外排通道，汛期洪水經過巢湖閘利用自然水位落差外排，防洪除澇壓力巨大[3-5]。裕溪河自蟹子口分成兩支，一支為裕溪河主河道，洪水經裕溪閘自排入江，另一支為牛屯河（蟹子口至銅城閘段亦名后河），洪水經新橋閘自排入江，兩支在中下游經三汊河再次溝通（圖1）。牛屯河在銅城老街處建有一閘分流裕溪河水流至牛屯河口，該閘即為銅城閘，承擔著分泄巢湖洪水的任務。

巢湖經由裕溪河、牛屯河外排洪水的通道相互連通，形成典型的環(huán)狀河網結構。該系統(tǒng)內河網水流互為頂托，相互作用，水流流態(tài)不穩(wěn)，銅城閘等閘門的開啟以及裕溪河和牛屯河河口長江水位波動變化等都會改變環(huán)形河網內部水量的分配格局，影響巢湖洪水總體外排能力[3，4]。基于非恒定流控制方程的河網水動力模型精確可靠，是模擬分析河網區(qū)復雜洪水演進過程的主要方法，被廣泛應用[6-9]。

目前，牛屯河分洪如何影響裕溪河的排洪進而影響巢湖閘下泄流量的過程尚不明確。尚不能確定如何調度以充分發(fā)揮其工程效益。為此，本文采用水動力方法分析計算了銅城閘泄流對巢湖閘下泄流量，亦即巢湖洪水出湖洪量的影響。該成果對指導巢湖洪水快速外排入江有重要的指導意義。

一、研究區(qū)域

銅城閘是巢湖流域防洪工程中的重要組成部分。銅城閘位于含山縣銅閘鎮(zhèn)后河、三汊河、牛屯河交匯處，為巢湖流域牛屯河分洪道進水閘，汛期當長江水位低于巢湖洪水位時，銅城閘開閘泄洪，并具有防洪、蓄水功能，是巢湖流域重要的建筑物工程。

銅城閘始建于1990年，2017年7月至2019年10月重建，重建后銅城閘設計排洪標準為20年一遇，設計排洪流量采用1000m3/s，相應閘上水位12.0m、閘下水位11.9m;共11孔、每孔凈寬8.0m，閘底檻高程3.4 m，底板順水流向長18.0m。工作閘門為露頂式平面定輪鋼閘門，配套QP-2×400kN-12.0m卷揚式啟閉機。銅城閘工程控制運用辦法，主要依據《巢湖防汛抗旱調度暫行規(guī)定》（省防指〔2012〕41號文），并根據銅城閘設計運行參數(shù)制訂。

二、研究方法

（一）裕溪河-牛屯河河網水動力模型

銅城閘對巢湖洪水外排影響采用水動力數(shù)值模型方法定量模擬分析。研究建立了基于河網一維非恒定水流控制方程組的裕溪河-牛屯河水動力模型[8]。模型主要控制方程為：

式中：Z為水位，m;Q為流量，m3/s;K為流量模數(shù);m3/s;q為單位河長旁側入流，m3/s;A為主槽過水斷面面積，m2;a為動量校正系數(shù);g為重力加速度，m/s2;x為沿水流方向距離，m;t為時間，s;B為河道寬度，m。

模型模擬范圍包括裕溪河及其支流清溪河入河段、漕河、黃陳河、后河、三汊河以及牛屯河。概化了巢湖閘、裕溪閘、銅城閘、新橋閘和黃雒閘五個主要控制閘。

圖1 裕溪河-牛屯河水動力模型范圍以及河網拓撲

模型上游邊界為巢湖閘，下游邊界為裕溪閘和新橋閘。西河考慮黃雒閘的控制。清溪河取湯河入河口處以下段、漕河取漕河橋以下段，黃陳河取長豐橋入河段。

（二）計算方案

裕溪河-牛屯河的排洪受巢湖與長江水位雙重制約。長江頂托裕溪河和牛屯河洪水下泄。巢湖閘上游水位與長江水位的落差是決定了裕溪河及牛屯河排水能力的大小。同時，受河網串聯(lián)影響，銅城閘成為了改變裕溪河和牛屯河下泄水量格局的重要因素。

為了分析銅城閘分洪對巢湖閘下泄量的影響。考慮不同的巢湖水位條件以及長江水位條件的組合，模擬計算這些情景條件下的巢湖閘隨銅城閘分洪量的變化，得出銅城閘分洪對裕溪河水量分配關系的影響以及與巢湖閘、裕溪閘的泄流量關系。設計情景方案時，巢湖水位以巢湖閘7-8月洪水水位為參照，從11.0m至13.4m設置不同量級的水位。長江水位以7月23日至8月20日的平均水位為基礎，兩兩組合，考慮銅城閘不同等級分洪量對巢湖閘和裕溪閘下泄水量的影響。（見表1）

三、結果分析

（一）銅城閘分洪對巢湖閘泄流影響

根據情景模擬結果，統(tǒng)計了在不同的巢湖水位和新橋閘與裕溪閘組合條件下銅城閘的不同分洪量級與巢湖閘增泄量的定量關系（圖2）?？梢钥闯?，隨著銅城閘分洪量的增加，巢湖水體被帶動下泄，巢湖閘泄流能力會隨之增加。巢湖閘的增泄量與當時的巢湖水位以及長江水位有關。一般地，巢湖閘增泄量小于銅城閘分洪量的1/2。在銅城閘分洪量小于100m3/s的較小流量條件下，巢湖閘增泄量接近銅城閘分洪量的40-50%。但是隨著銅城閘分洪量的增加，受河道行洪能力及水量分配格局變化等制約，銅城閘分洪量帶動巢湖閘增泄的效率逐步減小。在銅城閘分洪量大于500m3/s的大流量條件下，巢湖閘增泄流量約在33%以下。在給定銅城閘分洪量的前提下，巢湖水位越低，巢湖閘增泄量越小;長江水位越低，巢湖閘的增泄量越小。

（二）銅城閘分洪對裕溪閘影響

綜合不同方案組的情景模擬成果（表2），我們統(tǒng)計了在不同的巢湖水位和新橋閘與裕溪閘組合條件下銅城閘的不同分洪量級與裕溪閘增泄量的定量關系，繪于圖3?？梢郧逦乜闯觯S著銅城閘分洪量的增加，裕溪閘泄流量隨之減少。裕溪閘泄流量減少與當時的巢湖水位以及長江水位有關。一般地，裕溪閘減泄量高于銅城閘分洪量的1/2。在銅城閘分洪量小于100m3/s的較小流量條件下，裕溪閘減泄量接近銅城閘分洪量的50-60%。但是隨著銅城閘分洪量的增加，其對裕溪閘減泄量的影響愈加明顯。在銅城閘分洪量大于500m3/s的大流量條件下，裕溪閘減泄流量約為銅城閘分洪量的67%以上?？傮w來看，在給定銅城閘分洪量的前提下，巢湖水位越低，裕溪閘減泄量越小;長江水位越低，裕溪閘的減泄量越小。

（三）計算成果合理性復核驗證

為了進一步核驗銅城閘對裕溪河-牛屯河水量格局的影響分析成果。我們先以2020年8月19日銅城閘不同開度條件下流量測驗數(shù)據來核驗計算成果的合理性。2020年月19日，巢湖研究院向相關部門申請調度銅城閘的開啟度，評估銅城閘開啟對巢湖泄流的影響，獲取了當時水情條件下銅城閘不同泄流量對裕溪河-牛屯河水量影響的第一手資料。實測表明，當銅城閘開啟度從11孔全開（提出水面）降至開度為1.0m，銅城閘泄流量從452m3/s降至189m3/s。相應地，巢湖閘流量從995m3/s降至905m3/s。三汊河流量從-10m3/s提高到274m3/s。

以巢湖水位Z=11.6m和11.4m組合下游新橋閘和裕溪閘下當日平均水位的計算方案進行對比（表5），可以發(fā)現(xiàn)計算成果與實測接近，模擬得到的銅城閘分洪的增加量可使巢湖閘下泄流量增加其增加量值的29-30%，實測的為34%。說明模型模擬結果能合理地反映裕溪河各關鍵節(jié)點和支流的分流關系，且可合理反映銅城閘泄流對巢湖閘及裕溪閘泄流的影響。

四、結論

本文研究明確了銅城閘分洪量對裕溪河-牛屯河水量分配格局的影響。由于牛屯河和裕溪河構成了較為復雜的河網，水量分配格局較為復雜。研究基于動力關系模型揭示了巢湖排洪關鍵節(jié)點銅城閘分洪量對裕溪河-牛屯河重要斷面流量的影響。結果表明，銅城閘分洪可帶動巢湖洪水下泄，增加巢湖閘泄流量，但同時也不可避免地使裕溪閘泄流下降。一般地，銅城閘分洪在小流量（<100m3/s）情況下可使巢湖閘泄量增加分洪量的40-50%，裕溪閘減泄量為其50-60%。在大流量（>500m3/s）條件下，巢湖閘增泄流量約為分洪量的33%以內，裕溪閘的減泄量約為其67%以上。在給定銅城閘分洪量的前提下，巢湖水位越低，長江水位越低，巢湖閘增泄量和裕溪閘減泄量就越小。

研究結果表明，河網區(qū)水量分配關系復雜，單一閘站的調度可改變整個河網區(qū)的水量格局。在利用現(xiàn)有水利工程設施開展調度時，應充分做好科學分析計算，實現(xiàn)科學精準調度。

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