淮河上游拟建水库洪水调度方式与防洪库容优化研究

成晨光 刘德波 孙 熙 李 琳 郑二伟

（河南省水利勘测设计研究有限公司 郑州 450000）

1 引言

淮河淮滨以上流域面积16005km2，流域西起桐柏山、伏牛山，南以大别山与长江流域分界，西部、南部为山区、丘陵区，其余为平原。流域位于南北气候过渡地带，季风影响明显，洪水都为暴雨所致，且降雨时空分布不均，暴雨大都发生在6～8月，以7月份为最多，淮南山区常是暴雨中心所在地，淮南支流相继汇入淮河干流，支流下游及淮干防洪压力较大。

经过几十年治理，流域内已建成南湾、石山口、五岳、泼河四座大型水库，对控制山区性洪水发挥了重要作用，在建的淮干出山店水库即将投入运行，五座水库控制山丘区流域面积4630km2，占淮滨以上总流域面积的28.93%，总库容35.17 亿m3，其中防洪库容16.57 亿m3。但仍有竹竿河、潢河上游山区洪水未得到控制，淮干淮滨防洪标准不足20年一遇。

根据《淮河流域防洪规划》：①为保证淮河流域中下游防洪安全，上游淮滨站～王家坝的允许排洪流量为7000m3/s，淮河干流上游修建出山店水库，支流竹竿河修建张湾水库、潢河修建袁湾水库、潢河支流晏家河修建晏河水库，水库建成后，可使准河干流淮滨20年一遇设计流量控制在7000m3/s 以内，减少下游濛洼滞洪区的进洪量；②现状淮滨站10年一遇设计洪峰7210m3/s，即现状淮滨站的防洪标准不足10年一遇，出山店水库基本建成投入运行后，可使淮滨站防洪标准提高至约15年一遇，规划利用张湾、袁湾、晏河三座水库控制所在流域山区洪水，提高下游防洪能力是必要的；③为合理确定各水库防洪库容，尽可能减小水库淹没影响，寻求合理可行的防洪调度方式和经济的水库规模，需结合三座水库建设条件以及山区水库距离防洪控制断面淮滨站距离较远的现状，对防洪调度规则进行优化研究。

规划的张湾水库坝址位于淮河支流竹竿河上游、河南省信阳市罗山县竹竿铺镇上游10km 处，控制流域面积1520km2；袁湾水库坝址位于潢河上游光山县泼陂河镇和晏河镇交界处的袁湾村附近，控制流域面积480km2；晏河水库坝址位于潢河左岸支流晏家河上游，光山县晏河镇与新县吴陈河镇的交界处，控制流域面积277km2。

2 设计洪水及地区组成

表1 马斯京跟法河道演进各河段基本参数表

2.1 设计洪水

根据淮滨以上防洪要求，设计水库包括出山店、张湾、袁湾、晏河水库，淮滨以上设计洪水地区组成的分区分别为水库以上及区间。

各水库设计洪水依据相近水文站的实测资料计算；淮滨站设计洪水，根据本站实测洪水系列计算；出张袁晏～淮区间设计洪水，用淮滨站洪水过程减去上游各水库洪水演进至淮滨站的洪水过程，统计峰量值排频计算。水库至控制断面洪水演进采用参数见表1。

各分区20年一遇设计洪水计算成果见表2。

2.2 典型洪水选取

从实际洪水系列中选取1954年、1956年、1960年、1968年、1983年、2002年6 场较 大 洪 水典型。其中1954年为全流域暴雨，形成多峰型洪水过程，量大而集中；1956年降雨主要发生在出张袁晏～淮区间，形成单峰、尖瘦型洪水过程；1960年、1968年为全流域暴雨，形成单峰、尖瘦型洪水过程；1983年降雨主要在淮南支流，形成单峰、量大的洪水过程；2002年降雨主要在淮干出山店水库上游，形成稍矮胖、双峰型洪水过程，包含了淮滨以上洪水组成的主要类型。

2.3 洪水地区组成方法

此次采用同频率洪水组成法和典型洪水组成法两种方法。同频率洪水组成法考虑两种组合：一是淮滨与出山店、张湾、袁湾、晏河～淮滨区间同频率，水库以上相应；二是淮滨与水库以上同频率，出山店、张湾、袁湾、晏河～淮滨区间相应。前者以未控区间来水为主，上游水库拦蓄的洪水较小，水库调蓄对下游设计断面的设计洪水影响较小，对淮滨防洪最不利；后者对淮滨防洪最有利、对水库防洪最不利；典型洪水组成法按设计断面淮滨的3 天洪量的倍比，放大各区典型洪水过程。

表2 各分区20年一遇设计洪水特征值表

3 水库防洪调度方式的拟定

防洪调度方式的可操作性和防洪效果至关重要，如何确定满足淮滨防洪任务（20年一遇控制在7000m3/s）的调度方式和相对经济的水库防洪库容是该研究的关键。

对于承担下游防洪任务的水库，一般有固定泄量调度和补偿调度两种方式。其中，补偿调度方式分为预报补偿调度方式和经验性补偿调度方式，目前淮河流域淮滨以上水雨情测报系统尚不完善，流域面积较大、流域内中小型水库众多，洪水预报方案及精度还有待研究，因此工程规划设计阶段不考虑预报补偿调度方式。此次研究根据淮河淮滨站以上流域特点，拟建水库分别选取固定泄量、分级控泄、错峰调度方式，就防洪调度方式及防洪库容的经济合理性进行研究。

4 防洪调度方式分析及水库防洪库容的确定

根据防洪要求，出山店、张湾、袁湾、晏河水库建成后，保证淮滨站20年一遇设计流量不超7000m3/s，即Q三库响应+Q出山店响应+Q区间≤7000m3/s（将水库出库演进至淮滨断面的洪水称为响应洪水）。其中Q区间=5520m3/s，Q出山店响应=1200m3/s，故Q三库响应≤280m3/s，即三座水库防洪调度的任务是将响应洪水与淮滨洪峰叠加的流量控制在280m3/s 之内。

4.1 调度方式及指标分析

4.1.1 固定泄量法

水库固定泄量法调度方式示意图见图1，图为淮滨洪水过程线与水库出入库洪水过程线、水库出入库洪水演进至淮滨响应洪水过程线的相对关系；Q限表示淮滨的允许流量，即7000m3/s；Q固表示水库的固定泄量；Δt1表示水库与淮滨洪水的峰现时间差，当水库洪水与区间洪水同步时，Δt1与水库至淮滨断面的演进时间基本相同；Δt2表示淮滨超Q限的时长；W蓄表示固定泄量法水库拦蓄洪量；W超限表示防洪控制断面超限的洪量；W有效表示通过水库拦蓄洪水对下游防洪控制断面洪水的有效削减量。

三座水库控泄流量初步按削峰率一致分配，张湾、袁湾、晏河控泄量分别为150m3/s、80m3/s、50m3/s。水库防洪库容及水库调蓄后淮滨流量见表3。

调算结果分析：①三座水库防洪库容分别为4.81 亿m3、1.72 亿m3、0.98 亿m3；②综合考虑水库兴利目标、移民征迁投资等因素，采用固定泄量法调度方式，水库防洪库容最大，对上游主要城镇以及高速、铁路等重要设施造成淹没影响最大。

4.1.2 分级控泄

通过分级控泄调度减少无效防洪库容，即当淮滨流量较小时，水库可适时加大泄量。水库分级控泄调度方式示意见图2。图中T始表示开始减小控泄量的时间；T止表示淮滨洪水回落至Q始后水库开始加大泄量的时间；Q1表示水库分级控泄的较小控泄量，张湾、袁湾、晏河分别为150m3/s、80m3/s、50m3/s；Q2表示较大控泄量，考虑水库下泄洪水在洪水传播过程中的坦化作用，应在不影响防洪效果的前提下适当加大，经分析计算，张湾、袁湾、晏河对应的Q2取800m3/s、400m3/s、400m3/s；起蓄流量Q始表示开始减小泄量时淮滨断面的流量；Δt3表示淮滨洪水从Q始至洪峰的涨峰历时，为保证与淮滨洪峰叠加得流量是水库较小的控泄量，并考虑水库下泄洪水在演进过程中的坦化作用，Δt3大于洪水从坝址至防洪控制点的传播时间。张湾水库至淮滨站的洪水演进时间为33h，袁湾、晏河水库至淮滨站的洪水演进时间为39h，经过对不同Q始拟定方案对不同典型过程计算分析，张湾水库需在淮滨流量大于2000m3/s 时减小控泄量，袁湾、晏河水库需在淮滨流量大于1000m3/s 时减小控泄量。

图1 固定泄量法调度方式示意图

图2 分级控泄调度方式示意图

根据以上分析初拟三座水库防洪调度方式如下：

张湾水库：淮滨＜2000m3/s，控泄800m3/s；淮滨＞2000m3/s，控泄150m3/s。

袁湾水库：淮滨＜1000m3/s，控泄400m3/s；淮滨＞1000m3/s，控泄80m3/s。

晏河水库：淮滨＜1000m3/s，控泄400m3/s；淮滨＞1000m3/s，控泄50m3/s。

调算水库防洪库容及水库调蓄后淮滨流量成果见表3，调算结果分析：三座水库防洪库容分别为4.21 亿m3、1.72 亿m3、0.93 亿m3，与固定泄量法相比，分级控泄调度方式降低防洪库容的作用较小，主要原因是水库可加大泄量补偿凑泄的时间有限。

4.1.3 错峰调度

错峰调度可以有效地减小水库的防洪库容，水库错峰调度方式示意图见图3，图中符号意义与前述一致，Q1为水库错峰期下泄流量，取值常较小甚至为0，Q2为非错峰期下泄流量。

考虑张湾、袁湾、晏河三座水库特点：①张湾水库控制流域面积大，坝址以上洪水对淮滨洪水的峰量贡献最大，错峰补偿调度意义较大，可在淮滨洪峰相应时段尽量少泄，其余时段适当加大泄量；②袁湾、晏河水库距离淮滨断面较远（洪水传播时间为39h），且考虑下游龙山枢纽也有一定调节作用，两库防洪调度方式尽量简便有效，仍采用固定控泄。

张湾水库错峰调度关键在于确定T始、T止、Q1、Q2四个参数：

（1）T始的取值

T始的确定与分级控泄调度方式一致，即在淮滨流量达到2000m3/s 时，开始错峰。

（2）T止的取值

图3 错峰调度方式示意图

经过不同典型洪水的计算分析，淮滨洪水过程线超7000m3/s 的时段长Δt2＜2d，且张湾水库错峰2天可满足所有典型年的错峰要求，T止-T始时段长取2 天。

（3）Q1的取值

Q1的确定首先要满足淮滨防洪要求，即：

Q1+Q袁湾固定控泄+Q晏河固定控泄≤Q限-Q区间-Q出山店响应=280m3/s

考虑袁湾、晏河水库淹没影响限制条件，要求固定控泄量满足：

Q袁湾固定控泄≥120m3/s

Q晏河固定控泄≥80m3/s

相应的张湾水库Q1应满足：

0 ≤Q1≤80m3/s

若张湾水库Q1取0，即采取闭闸错峰调度方式，同样对上游城镇造成较大淹没，综合考虑三座水库的规模限制，Q1取80m3/s。

（4）Q2的取值

考虑水库下泄洪水在演进过程中的坦化作用，Q2应在保证张湾水库出库相应洪水与淮滨洪峰叠加的流量为80m3/s 的前提下适当加大，经调算，Q2取300m3/s。

综上所述三座水库防洪调度方式为：

张湾水库：当淮滨流量突破2000m3/s 时，且流量持续上涨，控泄80m3/s 持续2 天；其余时段控泄300m3/s。

袁湾水库：固定控泄120m3/s。

晏河水库：固定控泄80m3/s。

各库防洪库容及淮滨流量成果见表3。

4.2 防洪调度方式及防洪库容的比选

固定泄量法操作简单，需要的防洪库容较大，水库淹没影响较大。

分级控泄理论上可以减小水库的防洪库容，结合淮河上游山区水库距离防洪控制断面距离较远、洪水传播时间较长的实际特点，需要按较小控泄量的时段较长，水库可加大泄量补偿凑泄的时段较短，分级控泄减小水库防洪库容的作用有限。

经判别指标和调算成果的分析比较，本研究提出张湾水库错峰，袁湾、晏河水库固定控泄的防洪调度方式：①三座水库的防洪库容分别为3.71 亿m3、1.41 亿m3、0.75 亿m3，较前两种方式有明显的减小，水库规模更经济；②调度方式以淮滨站已出现的水情作为判别指标，可操作性强；③随着水文预报、防洪调度技术的不断成熟，错峰调度逐步具有可行性。

表3 水库防洪库容及水库调蓄后淮滨流量表

5 结论与展望

（1）本文在分析洪水组成、建库条件的基础上，以满足流域防洪要求和较小的征地移民影响为目标，对距离控制断面较远的拟建水库（群）洪水调度方式进行研究，拟定以淮滨控制断面流量为判别条件的不同泄量方式组合，优化防洪调度方式。

（2）通过本流域研究分析，对于水库距离防洪控制断面较远的流域，采用错峰调度可以减小水库无效防洪库容。

（3）水库距离防洪控制断面越近，对下游防洪贡献越大；水库距离防洪控制断面的距离越远，河道槽蓄能力对洪水坦化作用较大，对下游防洪贡献越小；淮河淮滨站以上拟建的张湾、袁湾、晏河三座水库距离淮滨断面较远，对于水库入库洪水的削峰率达到96.6%，实际削峰7990m3/s，但对于淮滨站的削峰率仅有17.2%，实际削峰1660m3/s，这也是本流域的实际特点。

此次初拟的防洪调度方式以淮滨断面流量为判别条件，从上下游全局综合考虑，结合防洪目标，为提高实时调度的科学性，可进一步附加降雨、入库流量等作为判别指标，进一步研究完善■