江-湖-蓄滞洪区聚合调洪演算模型研究与应用

摘要：为提高纳入蓄滞洪区的河道洪水模拟精度和效率，更大限度发挥蓄滞洪区的综合利用效益，建立了以大湖模型为基础的江-湖-蓄滞洪区聚合调洪演算模型，提出考虑蓄滞洪区运用影响的洪水模拟方案。以鄱阳湖区2020年实际来水作为边界条件，以2020年7月1日为起始时刻开展单退圩堤启用与否工况下的洪水实时调度模拟。模拟结果表明：构建的江-湖-蓄滞洪区聚合调洪演算模型可以合理快速地模拟蓄滞洪区启用时的鄱阳湖水位变化过程。鄱阳湖区单退圩堤启用分洪效果显著，能够降低湖区水位0.2～0.3 m，模拟结果与实际过程相近，如不分洪，湖口站最高水位将超过保证水位。研究成果可为蓄滞洪区调度和水旱灾害防御提供更精确的水文信息支持。

关 键 词：蓄滞洪区； 单退圩堤； 调洪演算； 大湖演算模型； 鄱阳湖

中图法分类号： TV873

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.09.008

0 引 言

蓄滞洪区在保障流域和区域防洪安全方面发挥了重要作用，但是在长江中下游两湖地区（洞庭湖、鄱阳湖），河湖关系复杂、水流紊乱，大型水体调hRXvnI3hTlIi6/ZEGe90bSqAkqJNQUoqAI4syzs9tec=蓄作用明显，基于水动力学的模型方法很难获得较为理想的应用效果，不利于蓄滞洪区洪水过程的模拟计算［1-4］。

基于水文学的大湖演算模型［5-6］，最早是由长江流域规划办公室（现长江水利委员会）在生产工作中提出的，具有原理简单、构建便捷、计算效率高、计算结果可靠等优点，多年来一直作为水文部门洪水作业预报的关键模型。近年来，已有较多学者开展了模型构建以及应用的相关研究。如2003年，张有兴等［7］梳理与分析了《长江流域综合规划》中长江中下游洪水模拟方法，指出了大湖演算模型在应用方面的不足之处，即对不同类型的洪水，大湖演算模型需选用不同的水位流量关系线才能反映实际洪水情况，增加了规划工作难度，也降低了规划工作的科学性，为此研究提出了考虑起涨水位影响的大湖演算改进模型，并选取螺山、汉口、湖口站作为研究对象开展模型应用试验，取得了较好的模拟效果。2004年，顾庆福等［8］利用大湖演算模型开展三峡工程对洞庭湖典型洪水的防洪作用分析，根据三峡工程建成后对荆江和城陵矶地区补偿的调度方式，对1996、1998、1999年洞庭湖区3种不同来水组合的典型洪水进行了分析计算，得到结论：三峡工程不同的实时调度方案，其作用相差大，且对于不同的来水组合类型的洪水，不同的调度方式其作用大小不一。2011年，邹冰玉等［6］开展了大湖演算模型在螺山站单值化后的适应性分析，通过对螺山站单值化后流量报汛资料的分析，针对影响模型的出流量因素提出校正措施，对模型演算工作曲线查算方法进行了完善。2021年万凤鸣等［9］开展了长江中下游防洪调度中改进大湖演算模型应用研究，采用1981～2020年长江中下游主要断面洪水期（5～9月）的实测水位流量资料，按河道、洪水、泥沙等演变状态，对长江宜昌—沙市、沙市—城陵矶、城陵矶—汉口、汉口—湖口江段，用改进大湖演算模型进行洪水演进及分洪计算，并与1983、1996、1998、1999、2001年和2002年的实测资料进行了对比验算，取得了较高的模拟精度。然而随着极端天气事件增多（洪、枯水）、水利工程的运用、报汛方式改革等，给大湖演算模型的应用带来挑战，尤其是对于超标准洪水，涉及蓄滞洪区（含洲滩民垸等蓄滞洪工程）启用，大湖模型缺乏相应处理办法［10-12］。

针对以上问题，本次研究实时计算分析蓄滞洪区运用对干流水位的影响，对大湖演算模型进行优化改造，融合湖容曲线概念，构建了江-湖-蓄滞洪区聚合调洪演算模型，以期为蓄滞洪区调度和水旱灾害防御提供更精确的水文信息支持。

1 江-湖-蓄滞洪区聚合调洪演算模型

江-湖-蓄滞洪区洪水模拟模型是一个以大湖演算模型为基础，考虑蓄滞洪区运用影响进行洪水调算的模型。模型结构由入湖流量计算、槽蓄曲线融合、蓄滞洪区进洪模拟、调洪演算4部分组成（图1）。

模型的计算分4个阶段：

（1） 未达到启用标准。

当湖区水位未达到启用蓄滞洪区标准前，为传统的大湖演算模型范畴，即通过入湖流量、湖容曲线、出湖曲线进行水位调算。

（2） 达到启用标准，蓄滞洪区进洪。

湖区水位达到启用标准后，若开启蓄滞洪区，则蓄滞洪区开始进洪，此时蓄滞洪区的影响主要体现在对入湖流量的减少上，即原入湖流量扣减掉蓄滞洪区进洪流量，作为新的入湖流量，再通过湖容曲线和出流曲线进行调洪。

（3） 达到启用标准，蓄滞洪区调洪。

湖区水位达到启用标准后，若开启蓄滞洪区，则蓄滞洪区开始进洪，水位上涨，与河道水位齐平时，不再扣减入湖流量，而是通过融合湖容曲线来反映蓄滞洪区对模型的影响，即将蓄滞洪区的容积与大湖容积曲线融合再联合入湖流量和出湖曲线进行调洪。

（4） 退水阶段。

随着洪水发展，入湖流量减少，出湖流量增加，湖区水位处于退水阶段时，在水位高于蓄滞洪区口门高程时，采用融合湖容曲线进行调洪；当湖区水位低于蓄滞洪区口门高程时，蓄滞洪区与湖区出现物理隔离，恢复传统大湖演算模型进行调洪。

1.1 大湖演算模型

大湖演算模型是长江流域两湖地区常用的洪水预报模型。其原理是将槽蓄能力大的河道看作天然湖泊，河道的槽蓄曲线当作湖泊的容积曲线，河道控制断面的水位流量关系线当作湖泊的出流（泄流）曲线，并基于水量平衡方程进行调洪演算。

在进行大湖调洪演算时，当入流大于出流，水位上升，当入流小于出流，水位下降。因此，将入、出流及蓄水量的变化组成湖泊水量平衡关系，作为调洪演算的基础。

设时段开始时刻为t1，终止时刻为t2，则时段内的水量平衡方程式为

I1+I22Δt-Q1+Q22Δt=V2-V1（1）

式中：I1、I2分别为时段始末入流量，m3/s；Q1、Q2分别为时段始末出流量，m3/s；V1、V2分别为时段始末江湖蓄水量，m3；Δt为时段长，s。

将上式改写为

I—+V1Δt-Q12=V2Δt+Q22（2）

因此，可根据容蓄曲线和水位流量关系曲线绘制Z～VΔt-Q2和Z～VΔt+Q2关系曲线，Z为水位，据此进行调洪演算。根据Z1查得VΔt-Q2，加平均入流量I—得V2Δt+Q22，查得Z2，再以Z2为Z1，重复上述步骤，求得下时段水位，依次类推，即可得到大湖出口断面的水位过程。

1.2 江-湖-蓄滞洪区洪水模拟模型

为了实时计算分析蓄滞洪区运用对干流水位的影响，对大湖演算模型进行优化改造，建立考虑蓄滞洪区运用影响的大湖演算实时调度模型。

1.2.1 入湖流量过程方程

大湖演算模型的入湖流量（输入）为上游来水叠加区间来水，一般采用马斯京根河道演算法（或合成流量法）与降雨径流模型结合求得，记为Q入（原）；运用的蓄滞洪区进洪流量主要采用经验公式（宽顶堰公式，见蓄滞洪区进洪方程）推求，记为q蓄，则纳入蓄滞洪区的大湖演算模型的入湖流量（记为Q入（新））计算公式为

Q入（新）=Q入（原）-ni=1q蓄，i（3）

式中：q蓄，i为第i个蓄滞洪区的进洪流量，依据启用时间并演算至干流河道控制断面；n为所启用的蓄滞洪区总数。

1.2.2 槽蓄曲线融合方程

大湖演算模型的槽蓄曲线记为（Hi，Vi（原）），蓄滞洪区的容积曲线记为（Hi，vi（蓄）），纳入蓄滞洪区的大湖演算模型的槽蓄曲线记为（Hi，Vi（新）），则Vi（新）的计算如公式（4）所示，槽蓄曲线融合示意图如图2所示。

Vi（新）=Vi（原）+nj=1vi（蓄），j（4）

式中：i为第i个江段，vi（蓄），j为第j个蓄滞洪区水位Hi对应的容积。

1.2.3 蓄滞洪区进洪方程

蓄滞洪区影响干流水位的因素包括蓄滞洪区相对位置、进洪过程及蓄滞洪区启用时间，其中进洪过程直接影响干流瞬时水位及蓄滞洪区分洪效果。在分洪模拟计算时，其影响因素包括分洪口门形态（口门初始宽度）、河道内外水位及水位差、蓄滞洪区有效容积等［13］。

依据洪水风险图编制技术细则，采用侧堰（宽顶堰）公式开展分洪流量过程的计算。其计算原理如下：当溃口高程底于堤外周围区域高程时，影响溃口分洪流量形态，易形成淹没出流；当溃口底高程高于周围地面时，溃决洪水能向周边区域顺利下泄，进洪过程流态gbv4vzwlmxWR5koMJBz8/aLW/s9VowFuTfzf+KslAWk=基本为自由出流［14-15］。本文采用侧堰公式计算进洪过程，公式为

Qb=mσB 2g（Z-Zb）32（5）

式中：m为自由溢流的流量系数，σ为淹没系数，m与σ的确定参照水力学计算手册或参考书；Qb为决口处出流，m3/s；Z为决口处河道水位，m;Zb 为溃口顶部高程，m；B为溃口宽度，m。

现状条件下，常采用主动破口的形式进行分洪，模型提供是否启用接口，控制蓄滞洪区启用状态，但溃口的发展仍然有一定不确定性，考虑溃口一定程度会受进洪水流冲刷影响，形成横向展宽和纵向冲刷，在实际破口过程中，由于溃口宽度通常在数百米，纵向冲刷相比于横向展宽的影响十分有限，因此溃口着重考虑横向展宽。

河道内外水位差直接决定溃口处的流速（势能转为动能），而流速的大小直接影响溃口口门扩宽变化，根据长江、汉江等堤防分洪溃口的实际资料，分析研究得出堤防溃口内外江平均水位差（ΔZ）和最大水位差（ΔZmax）分别与口门平均扩宽率（Rb）的关系，如公式（6）所示。分蓄洪区入流效果示意如图3所示。

R—b=

1.44ΔZ—-0.867ΔZ—≥0.6

1.97ΔZmax-3.68ΔZmax ≥1.87

（6）

式中：Rb为口门平均扩宽率，m/h；Z为水位，m。

基于上述公式，考虑分洪历时t，则当满足溃口展宽最大水位差和平均水位差条件下，口门累积展宽为

ΔB=R—b×t（7）

同时，累积进洪量可通过时段进洪量累加得到，计算公式为

S=Ni=1Qb，i×Δt（8）

式中：S为分洪入堤防保护区内的水量，m3；Δt为分洪时段；N为分洪时段数。

2 实证研究

2.1 研究区概况

鄱阳湖是中国最大的淡水湖，位于长江中游南岸、江西省北部，承纳赣、 抚、信、饶、修等五河来水，经调蓄后由湖口注入长江，是一个季节性、吞吐型、过水型的湖泊，湖面丰枯变化非常大，“高水是湖，低水为河”为其基本特点。

鄱阳湖区圩堤数量众多，是鄱阳湖区工程防洪体系的基础和主体，肩负着保护湖区人民生命财产安全的防洪任务。根据《鄱阳湖区综合治理规划》［16］，保护耕地面积5万亩以上、保护县城或圩内有机场、铁路等重要设施的圩堤为重点圩堤，其他圩堤为一般圩堤。现阶段纳入《鄱阳湖区综合治理规划》的保护耕地面积200 km2以上的圩堤共155座，堤线总长2 460 km，保护耕地3 907 hm2，保护人口694万人，其中重点圩堤46座、一般圩堤109座。此外，鄱阳湖区设有康山、珠湖、黄湖、方洲斜塘4处国家级蓄滞洪区，可蓄滞洪水26.84亿m3。康山蓄滞洪区规划为重要蓄滞洪区，珠湖、黄湖、方洲斜塘为一般蓄滞洪区。

本次研究数据来源于长江水利委员会水文局，其降雨和水位流量观测数据时段长均统一处理为1 h。

2.2 模拟方案

考虑鄱阳湖流域主要水利工程、水文控制节点，构建鄱阳湖江-湖-蓄滞洪区聚合调洪演算模型，如图4所示。鉴于单退圩数量众多，本模型按照耕地面积分为万亩以下和万亩以上2组，打捆使用。

模型输入为湖口以上入流，包括区间来量（汉口至湖口区间、鄱阳湖区间）、鄱阳湖五河合成流量（外洲、李家渡、梅港、渡峰坑、虎山、万家埠、柘林）、汉口流量，输出为湖口站水位。其入流计算式为

It=Q汉口，t+Q五河，t-1+Q汉湖区间，t+Q鄱阳湖区间，t（9）

式中：Q汉口，t=Q螺山，t-1+Q沙洋，t-1；Q五河，t-1=（Q外洲，t-1+Q李家渡，t-1+Q梅港，t-1+Q虎山，t-1+Q渡峰坑，t-1+Q柘林，t-1+Q万家埠，t-1）；Q汉湖区间，t为汉口至湖口区间流量；Q鄱阳湖区间，t为鄱阳湖区间流量。

2.2.1 区间降雨径流方案

汉口—湖口区间面积为34 460 km2，鄱阳湖区间面积为24 768 km2 ，以蓄满产流法编制产流方案。区间径流计算是以小区的产汇流参数，分析其地区规律，最后扩大到整个区间。

汉口—湖口区间、鄱阳湖区间产汇流计算要素参见表1，降雨径流相关图以及区间汇流单位线参见图5～6，其中汉口—湖口区间的降雨径流相关图即为图5，鄱阳湖区间的降雨径流相关图在图5的基础上各节点乘1.10。

区间产汇流方案均引自《长江流域预报方案》（2016年），方案精度在乙级以上，在此不多赘述。

2.2.2 水位流量关系

用九江、湖口的合成流量来代替八里江流量与湖口站水位建立相关关系。根据特征河长原理，取合成流量24 h后的湖口站水位，即Zi+τ～Qt。当湖口站出现逆流时，湖口站水位受长江顶托而抬高，相关线偏于左端，这时的流量应用九江与湖口的流量差代替。点绘实测水位流量，进行单值化处理，最终确定8条水位流量关系簇线（图7）。

2.3 典型洪水

以2020年鄱阳湖流域超历史大洪水［17-18］为例，检验模型的可靠性。2020年7月上旬，赣北赣中连续发生两次强降雨过程，全省降雨量为多年同期均值的4倍，列历史第1位，强降雨导致“五河”及鄱阳湖一周内接连发生12次编号洪水，受“五河”及长江来水共同影响，鄱阳湖区水位快速上涨，星子站7月5日01：00开始超警戒，12日23：00出现洪峰水位22.63 m（超警戒3.63 m，超历史0.11 m），超警戒历时58 d；出口控制站湖口站7月6日02：00涨至警戒水位19.50 m，12日19：00出现洪峰水位22.49 m（距保证水位仅0.01 m，居有实测记录以来第2位），超警戒历时41 d。

为减轻鄱阳湖区防洪压力，江西省及时启动鄱阳湖区185座单退圩堤（洲滩民垸）开闸清堰、分蓄洪水，实行退田还湖工程22 a来首次全部进洪。

2.4 结果分析

基于洪水模拟方案，以鄱阳湖区2020年实际来水作为边界条件，从2020年7月1日开始模拟，根据《长江洪水调度方案》［19-20］，当湖口站水位达到20.50 m时，启用江西省万亩以下受湖洪控制的单退；当湖口站水位达到21.68 m时，启用江西省万亩以上受湖洪控制的单退，如预报湖口站水位继续上涨，首先运用鄱阳湖区的康山蓄滞洪区，相机运用珠湖、黄湖、方洲斜塘蓄滞洪区蓄纳洪水。模拟结果见图8和表2。

由图8和表2可知，不启用两组单退圩，洪峰水位将在22.80 m左右，超保证水位0.30 m；仅启用单退圩，洪峰水位将在22.68 m左右，超保证水位0.18 m；启用万亩以上和万亩以下两组单退圩，模拟洪峰为22.48 m，较实况偏低0.01 m，但峰现时间较实况偏晚25 h。鄱阳湖区单退圩堤启用分洪效果显著，降低湖区水位0.2～0.3 m，如不分洪，湖口站最高水位将超过保证水位22.50 m。本文模拟结果与之相近，但峰现时间偏晚，这可能与本文单退圩是打捆一次性使用，而实际单退圩在达到启用标准之前已经开始运用有关。在实际作业预报中，可将单退圩解捆接入模型，结合实际情况动态调整单退圩的启动状态（次序和时间等）以提升预报精度。

3 结 论

本文以大湖演算模型为基础，通过改进入湖流量过程方程、新增槽蓄曲线融合方程和蓄滞洪区进洪方程等途径优化江-湖-蓄滞洪区洪水模拟方法，形成江-湖-蓄滞洪区聚合调洪演算模型，以支撑蓄滞洪区运用对干流水位影响分析及其进洪过程模拟。选取鄱阳湖区为研究对象，建立江-湖-蓄滞洪区聚合调洪演算模型，并以鄱阳湖区2020年实际来水作为边界条件，实时调度模拟从2020年7月1日开始进行单退圩堤启用与否工况下的洪水演进过程。模拟结果表明，该模型能够快速、合理地模拟蓄滞洪区启用时的鄱阳湖水位变化过程，鄱阳湖区单退圩堤启用分洪效果显著，能够降低湖区水位0.2～0.3 m，模拟结果与实际过程相近；如不分洪，湖口站最高水位将超过保证水位。该模型有效地提高了纳入蓄滞洪区的河道洪水模拟精度和效率，可为蓄滞洪区调度和水旱灾害防御提供精确的水文信息支持。

为提高纳入分蓄洪区的河道洪水模拟精度和效率，本文提出江-湖-蓄滞洪区聚合调洪演算模型，建立了考虑蓄滞洪区运用影响的洪水模拟方案，以鄱阳湖区2020年实际来水作为边界条件，从2020年7月1日开始进行单退圩堤启用与否工况下的大湖演算实时调度模拟。模拟结果表明：提出的模型可以合理快速地模拟分蓄洪区启用时的鄱阳湖水位变化过程，为分蓄洪区调度和水旱灾害防御提供更精确的水文信息支持。鄱阳湖区单退圩堤启用分洪效果显著，能够降低湖区水位0.20～0.30 m，模拟结果与实际过程相近，如不分洪，湖口站最高水位将超过保证水位22.50 m。

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（编辑：谢玲娴）

Construction and application of river-lake-flood detention basin aggregation flood routing model

CHEN Yubin1，2，3，ZHANG Tao1，2，3，TONG Bingxing1，2，3，XU Yinshan1，2，3

（1.Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China； 2.Intelligent Changjiang Innovation Team of Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China； 3.Center of Technology Innovation for Intelligent Water Simulation，Forecasting and Operation of the River Basin，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）

Abstract：

To improve the accuracy and efficiency of flood simulation within flood detention basin and maximize its benefits，a river-lake-flood detention basin aggregation flood routing model was proposed based on the Great Lake Model.On this basis，a flood simulation scheme that considers the application of flood detention basins has been established.Taking the actual water inflow in the Poyang Lake area in 2020 as the boundary condition，and taking 1st July 2020 as starting time point，the real-time scheduling simulation of the flood was carried out under the influence of whether or not applying the farming polders.The simulation results show that the proposed model can reasonably and quickly simulate the water level change process over Poyang Lake when the flood detention basin has been applied.After the farming polders are applied，the effect of flood falling is remarkable，with the highest water level in the lake area being reduced by 0.2～0.3 m.Without flood diversion，the highest water level at Hukou Station would exceed the guaranteed water level.The study can provide more accurate hydrological information to support flood detention area scheduling and drought-flood disaster defense.

Key words：

flood detention basin； farming polder area； flood routing； Great Lake Model； Poyang Lake