2020年長江中游富水流域洪水調(diào)度模擬計算分析

柳小珊 盧少為

摘要：2020年7月，長江中游富水流域發(fā)生了洪水，防洪形勢嚴峻。對流域型洪水進行回顧性分析，建立了富水流域暴雨洪水-水庫調(diào)洪-洪水演進耦合模型。計算了富水流域2020年7月4～8日暴雨洪水產(chǎn)匯流過程，模擬了富水水庫與下游河道在調(diào)度方式下的洪水演進。結(jié)果表明：網(wǎng)湖分洪可有效降低陽新段水位，但對下游防洪作用有限;應加快網(wǎng)湖圍堤建設。該調(diào)度方案可為富水流域防汛工作提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：調(diào)洪計算;洪水演進;防洪調(diào)度;富水流域;長江中游

中圖法分類號：TV87 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.12.002

文章編號：1006 - 0081（2021）12 - 0016 - 05

1 富水流域防洪體系

富水水庫位于長江中游富水流域中游，是一座以防洪、發(fā)電為主，兼顧灌溉、航運以及下游滅螺等綜合利用的大（1）型水庫[1]。水庫正常蓄水位57.00 m，死水位48.00 m，防洪高水位58.60 m，千年一遇設計洪水位62.10 m，萬年一遇校核洪水位64.28 m。水庫總庫容16.21億m3，興利庫容5.48億m3，調(diào)節(jié)庫容8.08億m3，防洪庫容2.81億m3，死庫容4.21億m3。

王英水庫位于富水支流三溪河王英河上，控制流域面積243 km2，總庫容5.82億m3，水庫正常蓄水位70.00 m，設計洪水位71.91 m，校核洪水位73.37 m，是一座以防洪、灌溉為主，兼有滅螺、供水、發(fā)電、旅游等綜合效益的大（2）型水利工程。

富水水庫壩址到富池口大閘河道長79.600 km，兩岸干堤總長129.029 km，其中左岸74.672 km、右岸54.357 km。左岸堤防自上而下由長塘湖堤、葵賽湖堤、率州堤、鐘家湖堤、南坦湖堤、上北煞湖堤、北煞湖堤、北煞湖隔堤、十里湖隔堤、十里湖堤、城關(guān)堤、寶塔湖堤、網(wǎng)湖堤、半壁山堤、大閘湖堤等15個堤段組成。其中，保護陽新城區(qū)的十里湖隔堤、十里湖堤、城關(guān)堤、寶塔湖堤的防洪標準為30 a一遇，堤防及穿堤建筑物的等級為3級;其余堤防防洪標準為20 a一遇，堤防及穿堤建筑物的等級為4級。右岸堤防自上而下由中間湖堤、中間湖隔堤、上升湖堤、內(nèi)牧羊湖堤、內(nèi)牧羊湖隔堤、牧羊湖上隔堤、牧羊湖堤、牧羊湖下隔堤、東西湖堤、五里湖堤、五里湖隔堤、西湖堤、絨湖堤、絨湖隔堤、小賽湖堤、下羊湖堤、吳賽湖堤、朱婆湖堤等18個堤段組成，防洪標準為20 a一遇，堤防及穿堤建筑物的等級為4級[2]。

富池口大閘為富水河入長江的閘，1968年建成，由排水閘、船閘等組成，具有擋洪、排水、滅螺、灌溉和航運等功能。該工程原設計流量2 720 m3/s，下游設計水位19.00 m（黃海17.08 m）、上游設計水位19.50 m（黃海17.58 m）;校核流量3 560 m3/s，下游設計水位19.00 m（黃海17.08 m）、上游設計水位19.80 m（黃海17.88 m）;反向擋水時閘上設計水位19.00 m（黃海17.08 m）。1999年后進行了除險加固處理。船閘位于排水閘左側(cè)，為100 t級。閘室凈寬7.0 m，長73.0 m，底部高程6.5 m，最高通航水位21.00 m。富池口電排泵站位于富池大閘右側(cè)，建成于1976年，裝機10×1 600 kW，設計提排流量200 m3/s。

2 研究方法

防洪補償調(diào)度模型為河道洪水演進模塊與富水水庫調(diào)度模塊、分洪模塊耦合而成。防洪調(diào)度模型計算流程見圖1。

2.1 約束條件

約束條件包括：富水水庫汛限水位、庫區(qū)淹沒指標;壩下河道分段安全泄量，富水下游排市段安全泄量為1 300 m3/s，陽新段安全泄量為2 000～6 000 m3/s;網(wǎng)湖、朱婆湖蓄洪區(qū)容積;富池口大閘啟閉狀態(tài)。

2.2 洪水計算方法

采用《湖北省暴雨徑流查算圖表》中的瞬時單位線法計算2020年7月4～8日洪水。

2.3 洪水演進

由河道洪水演進模塊與富水水庫調(diào)洪模塊、分洪模塊耦合而成。采用一維圣維南方程組描述洪水演進，方程組包括連續(xù)方程和動量方程：

[?Q?x+bs?h?t=q?Q?t+?αQ2A?t+gA?h?x+gQQC2AR=0] （1）

式中：x，t為空間坐標和時間坐標;Q為流量，m3/s;[bs]為斷面寬度，m;q為側(cè)向入流，m3/s;A為過水面積，m2;h為水位，m;R為水力半徑，m;C為謝才系數(shù);α為動量修正系數(shù)。

2.3.1 調(diào)洪模塊

采用水量平衡法進行調(diào)洪演算：

[（Q1+Q22-q1+q22）Δt=V2-V1] （2）

式中：[Q1]，[Q2]分別為計算時段初、末的入庫流量，m3/s;[q1]，[q2]分別為計算時段初、末的下泄流量，m3/s;[V1]，[V2]分別為計算時段初、末水庫的蓄存水量，m3;[Δt]為計算時段長，s。

采用MIKE11一維水動力學模型對壩、閘門等水工建筑物進行調(diào)度模擬。在富水水庫防洪調(diào)度模型中，水庫調(diào)洪模塊作為一維水流數(shù)學模型內(nèi)邊界與一維水動力學模型進行耦合。耦合實現(xiàn)方法為：①將洪水過程加在壩址斷面上;②將水庫水位-容積曲線加在壩址斷面上;③通過控制庫水位高低對8孔溢洪道閘門進行調(diào)度，將出流結(jié)果與壩址下斷面進行耦合;④對壩址至富池口河道進行洪水演進計算。

2.3.2 分洪模塊

根據(jù)網(wǎng)湖分洪調(diào)度方案，當網(wǎng)湖分洪閘前水位達到21.43 m（凍吳23.31 m），且仍有上漲趨勢時開閘分洪。若網(wǎng)湖分洪后，水位仍超21.43 m并繼續(xù)上漲，朱婆湖口門扒口分洪。

分洪模塊計算方法同水庫調(diào)洪模塊，由分洪閘閘前水位和閘門開度計算分洪流量，通過分蓄洪區(qū)水位-容積曲線得到分蓄洪區(qū)水位。分洪模塊作為一維水流數(shù)學模型內(nèi)邊界與一維水動力學模型進行耦合，耦合實現(xiàn)方法為：在河道斷面上通過側(cè)向建筑物模擬分洪閘，通過水庫模擬分洪區(qū)。

2.4 初始條件

壩址以下至富池口初始水位為富池口水位往上游試算的初始水位，并將其設置成熱啟動文件，MIKE11模型中通過熱啟動加載初始水面線，再進行上游調(diào)洪、下游洪水演進連算。

2.5 邊界條件

上邊界為富水水庫實測的出庫洪水過程和采用水庫調(diào)洪模塊演算的過程。下邊界為富池口大閘閘下2020年7月4～8日實測水位過程。

區(qū)間入?yún)R：①富水-港口區(qū)間洪水過程;②三溪河支流洪水過程;③港口-陽新區(qū)間洪水過程;④陽新-絨湖口區(qū)間洪水過程;⑤絨湖口-富池口區(qū)間洪水過程。其中，三溪河支流洪水過程以點源入?yún)R，其他區(qū)間洪水過程以旁側(cè)均勻入?yún)R。

3 模型驗證

選取1996年典型洪水進行洪水復演和糙率試算。1996年典型洪水分洪前富水大閘能強排，利用富水大閘落閘前時段（1996年7月16日 08：00：00至1996年7月19日20：00：00）率定糙率。經(jīng)計算，富池口-陽新綜合糙率為0.033，陽新-港口糙率為0.027，港口-率州綜合糙率為0.025，率州-富水壩下綜合糙率為0.018。從率定結(jié)果可以看出：陽新、率州、富水站水位過程率定結(jié)果較好，可用于富水水庫下游防洪能力分析及調(diào)度計算。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 富水流域設計洪水

4.1.1 產(chǎn)流計算方法

（1）面雨量。根據(jù)2020年7月4～8日逐時段降雨資料，采用富水流域上游通山、富水、洋港、楓林鋪、富池口、陽新、三溪口、徐家?guī)X、橫石、萬家、大梁、楊芳林、楠林橋、龍港、洪港和木石港等16站長系列逐時段雨量資料，根據(jù)各站逐時雨量系列和權(quán)重，采用泰森多邊形方法，計算富水流域2020年7月4～8日面雨量為222.25 mm，約為20 a一遇的5 d最大暴雨。

（2）凈雨過程。采用《湖北省暴雨徑流查算圖表》的初損穩(wěn)損法計算凈雨過程，初損采用推薦值22.5 mm，穩(wěn)損采用穩(wěn)損公式計算的0.70 mm/h，凈雨量為159.79 mm。

4.1.2 匯流計算方法

采用檢驗過的時段單位線法，根據(jù)產(chǎn)流計算得到的凈雨過程計算地面徑流過程，再采用《湖北省暴雨徑流查算圖表》計算地下徑流過程，兩者疊加即為設計洪水過程。

根據(jù)富水下游區(qū)間的匯流地勢地形特點，將區(qū)間劃分為富水-排市、排市-港口（含三溪河入?yún)R）、港口-陽新、陽新-絨湖口、絨湖口-富池口5個片區(qū)，其中三溪口至港口片需考慮上游已建王英、蔡賢、羅北口等大中型水庫的攔洪作用，各匯流片需扣除圍墾、養(yǎng)殖等不能直接匯入富水河的面積，在干流洪水調(diào)度計算時，再根據(jù)提排的泵站規(guī)模以點源加入模型。

2020年7月4～8日各片區(qū)洪水過程見圖2和表1。

4.2 富水2020年洪水調(diào)度成果

2020年型洪水過程入庫洪峰流量4 384 m3/s。從汛限水位起調(diào)：①開1孔閘門，庫水位最高蓄至57.41 m，超過防洪高水位0.73 m，陽新站最高水位21.96 m，未超過陽新站防洪控制水位，但網(wǎng)湖閘前水位21.54 m，超過分洪控制水位0.15 m（閘前分洪控制水位21.39 m）;②開2孔閘門泄洪，庫水位降至最高56.85 m，仍超防洪高水位0.17 m，最大下泄流量819 m3/s，外江水位21.08 m時，陽新站水位22.14 m仍未超過防洪控制水位，網(wǎng)湖閘前水位21.64 m，超過分洪控制水位0.25 m;③開3孔閘門泄洪，庫水位降至56.58 m，略接近防洪高水位，最大下泄流量1 164 m3/s，外江水位21.08 m時，陽新站水位22.31 m，達到防洪控制水位臨界值，網(wǎng)湖閘前水位21.74 m，超過分洪控制水位0.35 m。為確保陽新城關(guān)防洪安全，應結(jié)合預報適時啟動網(wǎng)湖分洪。若網(wǎng)湖分洪，富水水庫開2孔閘門泄洪時陽新站水位可降至21.95 m。水庫調(diào)度計算結(jié)果見表2。

采取水庫預泄，即低于汛期限制水位1.0，1.5 m和2.0 m情況下，外江水位21.08 m時，水庫開1～3孔閘門的調(diào)洪演算成果見表3。由表3可知，網(wǎng)湖分洪時可保證陽新站水位在防洪控制水位以下。預泄的作用在于降低水庫水位，當水庫開3孔并預泄降2.0 m時，水庫水位降至55.03 m，庫區(qū)仍有較大的淹沒損失。

調(diào)算成果表明：網(wǎng)湖分洪可有效降低陽新段水位;預泄可降低水庫最高蓄水位，但對下游防洪作用有限。結(jié)合富水水庫調(diào)度規(guī)程，可實現(xiàn)水庫不產(chǎn)生大的淹沒損失，也可保證下游陽新城關(guān)防洪安全。因此，應加快網(wǎng)湖圍堤建設，實現(xiàn)規(guī)劃的富水防洪標準。

5 結(jié) 語

本文建立了暴雨洪水—水庫調(diào)洪—洪水演進耦合模型對富水水庫和下游網(wǎng)湖聯(lián)合調(diào)度運用進行模擬。調(diào)洪計算結(jié)果表明：富水流域應全流域聯(lián)防、干支流聯(lián)動;汛前汛中能排時應力排搶泄出江，防洪工程實現(xiàn)上蓄中擋下分下排;網(wǎng)湖分洪可有效降低富水下游陽新段水位;預泄可降低水庫最高蓄水位，但對下游防洪作用有限。富水水庫與分蓄洪區(qū)形成補償調(diào)度，實施前期預泄與后期控泄、分洪調(diào)度。本研究可為流域暴雨洪水預報預警、防洪調(diào)度和科學決策提供可靠依據(jù)。

參考文獻：

[1] 何娟，江焱生，姚黑字，等.富水水庫下泄對下游防汛形勢影響研究[J]. 中國水利，2017（5）：66-68.

[2] 梁家珍，胡煥發(fā).2017年富水水庫主汛期暴雨洪水及調(diào)度簡析[J].水電與新能源，2017（12）：54-57，60.

（編輯：李 慧）

Simulation and calculation analysis of 2020 flood regulation of

Fushui River Basin of middle reach of Yangzte River

LIU? Xiaoshan ，? LU Shaowei

（Hubei Institute of Water Resources Survey and Design ，Wuhan 430064， China）

Abstract：In July， 2020， flood occurred in Fushui River Basin of middle reach of Yangzte River， and the flood control situation was serious. We made a retrospective analysis of the basin flood， established a couple model of rainstorm flood， reservoir regulation and flood routing of the Fushui River Basin， calculated the generation and confluence? process of the rainstorm flood in the basin from July 4 to 8， 2020 and analyzed the flood routing in the Fushui Reservoir and the downstream of the river channel under the regulation model. The results showed that the flood diversion by Wanghu Lake effectively lowered the water level of Yangxin section， but the flood control effect on the downstream was limited; the construction of the polder dyke should be strengthened. The flood regulation scheme can provide technical experience for flood control of the Fushui Basin.

Key words： flood regulation calculation;flood routing; flood control regulation; Fushui Basin; middle reach of Yangzte River