半干旱区季节性水源实时调度模型

雷四华

（1.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029；2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029）

0 引言

漳卫南运河水系位于太岳山以东，滏阳河、子牙河以南，黄河、马颊河以北，由漳河、卫河、卫运河、漳卫新河和南运河组成，流经山西、河南、河北、山东4省从天津市入渤海，流域面积37700km2。流域地处温带半干旱、半湿润季风气候区，流域年平均气温在 1.5～14.0℃，年平均相对湿度50%～70%；冬季受西伯利亚大陆性气团控制，寒冷少雪；春季受蒙古大陆性气团影响，气温回升快，风速大，气候干燥，蒸发量大，往往形成干旱天气；夏季受海洋性气团影响，比较湿润，气温高，降雨量多，且多暴雨，但因历年夏季太平洋副热带高压的进退时间、强度、影响范围等很不一致，致使降雨量的变差很大，旱涝时有发生；秋季为夏冬的过渡季节，一般年份秋高气爽，降雨量较少[1]。

漳卫南运河区域多年平均年降雨量为549mm，水资源总量 102.1亿 m3，全流域人均 212.0m3，低于海河流域 350.0m3的人均值，不足全国的 1/9，年平均陆面蒸发量470mm，水面蒸发量1100mm。是我国水资源严重短缺的地区之一，而且时空分布不均，水生态环境状况恶化程度高[2]。针对日趋严重的水资源供需矛盾，如果利用漳卫南运河季节性洪水资源，将洪水资源化，对缓解海河流域水资源供需矛盾、促进社会经济持续发展具有重要意义。

1 数学模型

河网水位流量过程求解的基本方程采用明渠非恒定流连续方程和运动方程联合求解[2]。明渠非恒定流连续方程中，可理解为流量随流程的变化率为断面面积随时间变化率。qL为单位长度上的旁侧汇流流量，汇入流量取正号，出流流量为负号，连续方程如下：

式中：Q为明渠流流量；s为距离；A为断面面积；t为时间。

明渠非恒定流运动方程如下：

式中：K为流量模式，是谢才系数；R是水力半径；g重力加速度；Z为水位。

堰闸按自由出流、淹没出流2种方式计算。对于自由出流（孔流或堰流）有计算公式：

式中：m为综合流量系数；b为闸孔净宽；h0为闸前水深；h为计算过流水深，对于堰流h=h0，对于孔流h=a，a为闸前水头或总水头。

水头a计算公式如下：

式中：a0为行近加速度；ν0为行近流速。

对于淹没出流有计算公式：

式中：Zi，Zi+1为断面i和i+1的水位；Ф为淹没出流系数。

由 Preissmann 隐式格式推导公式Z=p-νQ，计算推导系数p，ν值已知，以堰闸为内节点，联合求解可得 ƒ （Q）=0函数。其中，Z为水位，Q为流量。

2 计算水系结构

漳河上游支流众多，水系呈扇形分布，主要支流有清漳河与浊漳河2支，2条河在合漳村汇合后称漳河，流域面积19220km2，山区约占95%。合漳村以下漳河2岸山谷陡峭，水流湍急，比降1/100～1/300，至岳城水库出山区进入平原后，河底平均坡降约1/2430。漳河在岳城水库以下干流河道长约115.38km。卫河发源于河南省辉县苏门山之百泉，先后纳左岸的淇河、汤河、安阳河等十余条梳齿状山区支流，于徐万仓与漳河交汇。卫河干流全长 275.00km，流域面积15142km2，其中山区约占60%。卫河左堤与漳河右堤之间的三角区为大名滞洪区。漳、卫2河于徐万仓相汇后称卫运河。卫运河是蜿蜒型河道，自徐万仓至四女寺枢纽河长161.50km，中间无支流汇入。四女寺枢纽上游、卫运河右岸有恩县洼蓄滞洪区。漳卫新河自四女寺南、北进洪闸向东至大口河入渤海，河道长 257.00km，是人工开挖的比较顺直的微曲型河道。漳卫新河上段分为岔河、减河2支，河长分别为 44.00，53.00km，岔河、减河于大王铺汇合，漳卫南运河河网结构如图1所示。

图1 漳卫南运河河网结构

该研究中漳卫南中下游为研究对象，漳河的岳城水库出流、卫河的元村断面来水为计算上边界，漳卫新河辛集蓄水闸为下边界。

流域上游山区洪水经水库调节后进入平原，这部分水库弃水可以利用中下游的湖泊洼地、河道存蓄起来，提高洪水资源的利用率。漳卫南运河水系中下游河道堤岸建设标准较高，且沿途建有多个闸坝，有较强的蓄水能力，具备了较好的洪水资源利用条件。沿程有漳河、卫河、卫运河、南运河、岔河、减河、漳卫新河，其中卫运河有祝官屯蓄水闸、四女寺枢纽，岔河有七里庄蓄水闸、吴桥蓄水闸，减河有袁桥蓄水闸，漳卫新河有王盘营蓄水闸、罗寨蓄水闸、庆云蓄水闸、辛集蓄水闸[4]；该研究以岳城水库出库流量及卫河元村站流量为模型上边界，模型下边界为下游水闸的水位流量关系，沿程侧向引水及由四女寺节制闸泄流至南运河流量均作为侧向流量处理。

1）河道共6条，1漳河，2卫河，3卫运河，4岔河，5减河，6漳卫新河。

2）河流交汇节点6个，①、②、⑥ 为外节点，③、④、⑤ 为内节点。

3）水闸节点：卫运河的祝官屯枢纽（A），岔河的七里庄蓄水闸（B）、吴桥蓄水闸（C），减河的袁桥蓄水闸（D），漳卫新河的王营盘蓄水闸（E）、罗寨蓄水闸（F）、庆云蓄水闸（G）、辛集闸（H）。

河网节点处理方法如表1所示，分内外节点处理。外节点包括上、下边界条件，模型上边界有岳城和卫河元村流量过程，下边界为辛集闸的水位流量关系。对内节点根据河网关系分别处理。

3 节点模拟处理

季节性水资源来得快、猛，利用不当很容易造成灾害，因此尽可能对中小洪水利用。尽量利用水库、拦河闸坝、自然洼地、人工湖泊、地下水库等蓄水工程拦蓄洪水；延长洪水在河道、蓄滞洪区等滞留时间；恢复河流及湖泊、洼地的生态环境，并最大可能补充地下水[5]。

表1 河网节点处理方法

该调度模拟针对洪水特点，常规调度时，蓄水闸均为开闸泄洪，为了提高洪水结束后河道蓄量，模拟计算时，蓄水闸的调度方式做适当调整。在洪水调度计算结束时间的n小时以前，水闸为全开调度；计算的最后n小时，蓄水闸采用水位控制，当满足允许最高水位和闸上下允许最大水位差时，水闸为关闭状态，否则来水量全部下泄。符合以下条件之一时闸门关闭：1）上、下游水位差在允许范围内，闸门顶高程与上游水位差大于预先设定值，且上游水位大于下游水位；2）上游水位不大于堰底高程。

当不具备关闭条件时，闸门开启，分为淹没、自由出流进行计算。当下游水位大于堰底高程为淹没出流，淹没出流系数一般选择 0.4～0.5。自由出流时，当闸门开启高度与上游水深比值大于 0.65时为堰流，否则为孔流。堰流系数一般选择 0.4～0.5。该调度控制方式可保证蓄水闸在洪水过后达到理想的最大蓄量，并为实际调度提供平均过闸流量，具有实际应用价值。

洪水泄流期间从排洪河道2侧引水可有效提高洪水资源利用量，漳卫南运河水系洪水主要由上游山区暴雨产生，洪水期中下游2侧通常仍具有引水蓄洪能力，因此，可在模型中增加侧向引水，模拟提高洪水资源利用量。

漳卫南运河实行跨水系侧向引水途径主要有入白洋淀、衡水湖、沧州地区等通道，以及漳南渠、民有渠等，在技术可行方案合理情况下可适当启用大名泛区、恩县洼。河道2侧的引水闸、扬水泵站等，也是洪水资源利用的有效引水工程，运河2侧采用多年平均引水流量统计，闸站总引水流量可达60m3/s，若启用蓄滞洪区及跨流域引水，总引水流量可达240m3/s。

4 结语

该模型整理分析了 1996、2000年漳卫南运河洪水资料，模型采用 1996年资料进行模型参数率定，使用 2000年资料进行模型验证，经过了多次调参试算，得到了1套计算结果较为理想的参数，洪峰水位率定误差小于 0.50m，洪峰流量相对误差小于12%。该模型适合计算多种情景洪水及引水利用过程，计算效率、精度可满足实际调度要求。

利用好季节性洪水资源，可适度缓解供需矛盾，补充地下水，为此，应加快季节性洪水资源利用研究与实践。

[1] 水利部海河水利委员会.[EB/OL].[2011-04-01]http://www.hwcc.gov.cn/pub/hwcc/static/lygk/lyzs.htm.

[2] 漳卫南运河管理局.[EB/OL].[2011-03-01].http://www.zwnj.gov.cn/main3.php?menu = 基本情况&menuid =1&xwlx = 流域概况 &id = 2233&lx = 流域概况.

[3] 李家星.水力学[M].南京：河海大学出版社，1995: 168-188.

[4] 水利部海河水利委员会.海河流域重点防洪工程基础资料汇编 （河道堤防）[R].2004: 136-216.

[5] 南京水利科学研究院，中国水利水电科学研究院，水利部海河水利委员会，等.海河流域洪水资源安全利用关键技术研究[R].2005: 174-223.