分洪調(diào)度對安徽巢湖泄洪影響研究

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(diào)度可有效減輕洪水災(zāi)害?；?020年巢湖洪水事件，采用河網(wǎng)一維非恒定流模型，結(jié)合實(shí)測水情研究了牛屯河分洪閘——銅城閘調(diào)度對巢湖洪水外排能力的影響。結(jié)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(wǎng)區(qū)水量分配關(guān)系復(fù)雜，單一閘站的調(diào)度可改變整個(gè)河網(wǎng)區(qū)的水量格局，實(shí)際調(diào)度中，河網(wǎng)水利工程調(diào)度應(yīng)結(jié)合實(shí)際水情工情，科學(xué)研判。

關(guān)鍵詞：洪水;調(diào)度;數(shù)值模型;閘壩;巢湖

水工建筑物是調(diào)控自然河湖水流、防治水旱災(zāi)害的重要工程措施。我國水利工程大規(guī)模建設(shè)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?qū)匍L江中下游防洪保護(hù)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(hù)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(shí)巢湖洪水唯一外排通道，汛期洪水經(jīng)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(jīng)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(jīng)新橋閘自排入江，兩支在中下游經(jīng)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(dān)著分泄巢湖洪水的任務(wù)。

巢湖經(jīng)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(wǎng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)內(nèi)河網(wǎng)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(wǎng)內(nèi)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(wǎng)水動力模型精確可靠，是模擬分析河網(wǎng)區(qū)復(fù)雜洪水演進(jìn)過程的主要方法，被廣泛應(yīng)用[6-9]。

目前，牛屯河分洪如何影響裕溪河的排洪進(jìn)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(diào)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(jì)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(dǎo)巢湖洪水快速外排入江有重要的指導(dǎo)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(jìn)水閘，汛期當(dāng)長江水位低于巢湖洪水位時(shí)，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(shè)計(jì)排洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，設(shè)計(jì)排洪流量采用1000m3/s，相應(yīng)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?biāo)飨蜷L18.0m。工作閘門為露頂式平面定輪鋼閘門，配套QP-2×400kN-12.0m卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。銅城閘工程控制運(yùn)用辦法，主要依據(jù)《巢湖防汛抗旱調(diào)度暫行規(guī)定》（省防指〔2012〕41號文），并根據(jù)銅城閘設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)制訂。

二、研究方法

（一）裕溪河-牛屯河河網(wǎng)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(wǎng)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(cè)入流，m3/s;A為主槽過水?dāng)嗝婷娣e，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(shí)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(gè)主要控制閘。

圖1 裕溪河-牛屯河水動力模型范圍以及河網(wǎng)拓?fù)?/p>

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(jì)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(shí)，受河網(wǎng)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?？紤]不同的巢湖水位條件以及長江水位條件的組合，模擬計(jì)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(guān)系的影響以及與巢湖閘、裕溪閘的泄流量關(guān)系。設(shè)計(jì)情景方案時(shí)，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(shè)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(chǔ)，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(jié)果分析

（一）銅城閘分洪對巢湖閘泄流影響

根據(jù)情景模擬結(jié)果，統(tǒng)計(jì)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(guān)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(dāng)時(shí)的巢湖水位以及長江水位有關(guān)。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(jì)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(guān)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(dāng)時(shí)的巢湖水位以及長江水位有關(guān)。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(jì)算成果合理性復(fù)核驗(yàn)證

為了進(jìn)一步核驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)來核驗(yàn)計(jì)算成果的合理性。2020年月19日，巢湖研究院向相關(guān)部門申請調(diào)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(dāng)時(shí)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(shí)測表明，當(dāng)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(yīng)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(dāng)日平均水位的計(jì)算方案進(jìn)行對比（表5），可以發(fā)現(xiàn)計(jì)算成果與實(shí)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(shí)測的為34%。說明模型模擬結(jié)果能合理地反映裕溪河各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和支流的分流關(guān)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(jié)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(gòu)成了較為復(fù)雜的河網(wǎng)，水量分配格局較為復(fù)雜。研究基于動力關(guān)系模型揭示了巢湖排洪關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)銅城閘分洪量對裕溪河-牛屯河重要斷面流量的影響。結(jié)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(shí)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(nèi)，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(jié)果表明，河網(wǎng)區(qū)水量分配關(guān)系復(fù)雜，單一閘站的調(diào)度可改變整個(gè)河網(wǎng)區(qū)的水量格局。在利用現(xiàn)有水利工程設(shè)施開展調(diào)度時(shí)，應(yīng)充分做好科學(xué)分析計(jì)算，實(shí)現(xiàn)科學(xué)精準(zhǔn)調(diào)度。

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