（水利工程专业论文）淮河水系水文水力学模型的构建与应用.pdf

学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：钨耵吉妙加r 年i 。月g日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或：其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：笙遗苎五舯年。月争日 摘要 淮河流域地处我国东部，介于长江、黄河两大流域之间，平原广阔，地势低 平，是我国人口密度大，土地利用率高的地区。由于地处特定的气候和下垫面条 件，淮河流域历史上洪、涝、譬、风暴潮灾害频繁。局部的或较大面积的洪涝灾 害时有发生，给流域经济社会发展造成相当大的损失。因此，建立洪水预报系统， 尤其是将水文模型和水力学模型耦合的洪水预报系统，是多年来预报作业人员 的梦想，也是是治淮工作面临的首要任务。 本文通过深入分析淮河水系洪水预报系统技术的发展现状和存在的问题， 提出了淮河水系水文水力学模型的建设思路和系统结构，对系统的设计思想、 系统结构和功能特点做了简要的论述，对模型参数率定与检验做了比较全面的 分析，在此基础上，构建了淮河水系水文水力学模型系统。该系统将作业预报 与图形用户界面有机的结合起来，通过友好的人机交互界面，可以完成多种实 时作业预报任务，在淮河水系2 0 0 5 年实时洪水预报中取得了满意的结果。 主要研究成果包括： ( 1 ) 通过分析淮河上中游洪水特点，及行蔷洪区运用后整个中游所具有的河 网特性，基于水力学方法，建立复杂河网水流数学模型； ( 2 ) 基于水文学方法，建立包括地面径流，地下径流和壤中流的三水源新安 江模型，模拟各控制断面的流量过程。 ( 3 ) 从防汛实时调度的实际要求出发，将水文模型和水力学模型进行耦合， 并编制了相应的模型应用软件，成功地应用于2 0 0 5 年淮河洪水的实时预报。 关键词：淮河流域，水文水力学模型，洪水实时预报，编程，应用 a b s t r a c t h u a i h er i v e rb a s i ni sl o c a t e di nt h ee a s t e r nr e g i o no fc h i n a ，b e t w e e nt h ey a n g t z e r i v e rb a s i na n dy e l l o wf i v e rb a s i n ，a n di sar e g i o nw h e r et h ep o p u l a t i o nd e n s i t yi s b i g g e ra n dt h er a t e o fl a n du t i l i z a t i o ni sh i g h e nb e c a u s eo ft h es p e c i a lc o n d i t i o n so f c l i m a t ea n dg e o g r a p h yi nt h eh u a i h ef i v e rb a s i n ，al o to fd i s a s t e r si n c l u d i n gf l o o d ，w a t e r l o g ，d r o u g h ta n ds t o r mt i d eo c c u rf r e q u e n t l y , w h i c hr e s u l ti nt h eg r e a td a m a g et ot h e e c o n o m i cs o c i e t yo f r i v e rb a s i n t h e r e f o r e ，i th a sb e e nad r e a mo f h y d r a u l i ce n g i n e e r st o d e v e l o paf l o o df o r e c a s t i n gm o d e ls y s t e m ，e s p e c i a l l yam o d e lc o u p l i n gh y d r o l o g y m o d e lw i t hh y d r a u l i c sm o d e l ，a n di ti sa l s oi m p o r t a n tt a s ki nt h eh u a i h er i v e rt r a i n i n g i nt h i sp a p e r , t h ea s p e c t so ft h em o d e ls u c ha sd e s i g ni d e a s ，s y s t e ms t r u c t u r ea n d f u n c t i o nf e a t u r e sa n ds oo nh a v eb e e ni n t r o d u c e d t h em o d e lp a r a m e t e r sh a v ea l s ob e e n c a l i b r a t e da n dv e f i f l e d b a s e do nt h ea n a l y s i sf o rt h es t a t ea n dc o n d i t i o n so ft h eh u a i h e f i v e rb a s i n ，t h em o d e ls y s t e mc o u p l i n gt h eh y d r o l o g ym o d e lw i t hh y d r a u l i c sm o d e lh a s b e e nd e v e l o p e d b yc o m b i n i n go p e r a t i o n a lf o r e c a s t i n gw i t hg r a p h i c su s e ri n t e r f a c e ， t h es y s t e mc a na c c o m p l i s hm a n yt a s k si nr e a lt i m eo p e r a t i o n a lf l o o df o r e c a s t i n gb y f r i e n d l yi n t e r f a c e t h i sm o d e ls y s t e mh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e df o rt h er e a l t i m e f l o o df o r e c a s t i n gi nt h eh u a i h er i v e ri n2 0 0 5 t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e ： ( 1 ) t h r o u g ha n a l y s i so f t h ef l o o dc h a r a c t e r i s t i c si nt h eu p p e ra n dm i d d l ec o u r s eo f t h eh u a i h ef i v e r ，a sw e l la st h ef i v e rn e tc l l a r a c t e r i s t i c so f t h em i d d l er e a c h e sa f l e rt h e f l o o ds t o r a g e ，t h em o d e lo f c o m p l i c a t e df i v e rn e th a sb e e nd e v e l o p e da c c o r d i n gt o h y d r a u l i c sm e t h o d ( 2 ) t h ex i n a n j i a n gm o d e li n c l u d i n gs u r f a c er u n o f f , g r o u n d w a t e rr u n o f fa n d s u b s u r f a c er u n o f f h a sb e e nd e v e l o p e da c c o r d i n gt oh y d r o l o g i c a lm e t h o d i tc a nb eu s e d t os i m u l a t et h ed i s c h a r g ep r o c e s so f t h ec o n t r o ls e c t i o n s ( 3 ) b a s e do nt h er e q u i r e m e n to ft h er e a l t i m ef l o o df o r e c a s t i n g ，i ti sd e v e l o p e dt h e m o d e ls y s t e mt h a tc o u p l e sh y d r o l o g ym o d e lw i t hh y d r a u l i c sm o d e l ，a n dt h es o f t w a r e h a sb e e ne d i t e da n ds u c c e s s f u l l ya p p l i e df o rt h er e a l t i m ef l o o df o r e c a s t i n gi nt h e h u a i h er i v e ri n2 0 0 5 k e yw o r d s ：h u a i h ef i v e rb a s i n ，h y d r o l o g ya n dh y d r a u l i c sm o d e l ，s o f t w a r ee d i t e d ， a p p l i c a t i o n 1 1 问题的提出 第一章绪论 淮河流域地处我国东部，介于长江、黄河两大流域之间，平原广阔，地势低 平，是我国人口密度大，土地利用率高的地区。淮河流域是我国重要粮棉生产基 地，煤矿等资源丰富，洪水威协范围内是我国人| _ i 最为密集、经济发展具有巨大 潜力地区之一。由于地处特定的气候和下垫面条件，淮河流域历史上洪、涝、旱、 风暴潮灾害频繁。局部的或较大面积的洪涝灾害时有发生，给流域经济社会发展 造成相当大的损失。因此，防洪在相当长的一段时间里是治淮工作面临的首要任 务。 淮河水系集水面积约1 9 万k m 2 ，占流域总面积的7 1 。淮河发源于河南省桐 柏山，流经河南、安徽，至江苏杨州的三江营入长江，全长约1 0 0 0 k m ，总落差 1 9 6 m ，平均比降为0 2 。从淮源到洪河口为上游，集水面积3 万多k m 2 ，河长 3 6 4 k m ，落差1 7 4 m ，占淮河总落差的8 8 8 ，河段平均比降0 5 0 ；从洪河口至 洪泽湖出口为中游，集水面积近1 3 万k m 2 ，河长4 9 0 k m ，落差仅1 6 m ，只占总落 差的8 2 ，平均比降只有0 0 3 。；洪泽湖以下为下游，集水面积3 万多k m 2 ，长 1 5 0 k m ，落差6 m ，平均比降0 0 4 。 淮河中上游水系呈不对称的扇形分布，干流偏南。南岸支流众多，均发源于 山区和丘陵区，源短流急，较大的支流有史灌河、淠河、东淝河、池河等。史、 淠河是南岸主要支流，均发源于大别山区。北岸主要支流有洪汝河、沙颍河、涡 河、包浍河等。沙颍河为淮河最大的支流，发源于伏牛山区，其京广铁路以西为 山丘区，周口以下为平原区。洪汝河发源于伏牛山区。其他均为发源于黄河南堤 的平原河道。 淮河主要支流都在中游，由于两岸支流众多，河道平坦，洪水的传播往往受 到支流、颍河和淠河来水、峡口影响和洪泽湖的顶托，造成河道水位偏高，水流 排泄不畅。为此在于流修建了1 8 个行洪区和4 个蓄洪区。进入汛期，淮河干流 中上游山区产生暴雨洪水并迅速汇集到中游，由于中游河道比降的突然平缓，下 泄不畅，沿淮湖泊、洼地成为滞蓄洪水的场所。下游河网地区是一个锅底状平原 洼地，一遇大暴雨极易形成洪涝灾害。所以，有计划的运用蓄滞洪区蓄纳超额的 洪水是目前减轻洪灾损失的有效途径之一。要达到最大限度的减少洪灾范围和损 失这一总目标，就要继续进行防洪工程体系建设，努力提高河道的防洪抗灾能力。 在工程治理的同时，如何合理有效的利用淮河中游行蓄洪区，通过科学调度尽量 减少淮河洪水对中下游地区的威胁，减少洪灾损失已成为当务之急。因此，建 立一套实用、可靠、先进的洪水预报系统，提高洪水预报的精度、增加预见期， 为制定防洪调度方案提供灵活、方便的计算分析手段，也为实时洪水调度、防洪 减灾和防汛管理工作提供决策依据和信息服务。 针对淮河流域的洪水特性，国家确立了“蓄泄兼筹”的治淮方针，在流域内 兴建了一系列的防洪工程。在山区修建水库，中游开辟行蓄洪区、整治加固堤防， 下游拓宽河道，开辟入海和入江水道，增大流域出流泄量等工程。经过5 0 多年 的治淮建设，淮河流域基本形成了一套比较完整的防洪工程体系，但在洪水预报 调度、灾情评估等非工程措施中投入相对较小，而且近年来由于防洪工程的实旌， 下垫面变化很大，以致原有开发研究的系统难以满足淮河流域防汛调度的要求， 需要开发具有较高精度和快速响应的淮河流域洪水预报调度系统，提高淮河流域 防汛调度的自动化水平。 而且，防洪工程是有一定标准的，无限制地提高防洪工程标准既不经济也不 可能，在工程防洪措施无法抵御超标准洪水发生时，防洪非工程措施就成为最重 要的防洪减灾手段。洪水预报是防洪非工程措施的一个重要组成部分，是防灾减 灾的重要决策依据，而且随着社会和经济的发展，洪灾损失越来越大，洪水预报 的作用因之也越来越重要，在一定的条件下，洪水预报将成为最重要的决策因素。 因此，十分有必要充分利用当前飞速发展的计算机和信息技术，研究新的洪水预 报技术和手段，提高预报精度，增长预见期，以满足防洪减灾对洪水预报日益增 加的需求。 淮河地处我国的南北气候过渡带，暴雨洪水频繁，加上流域下垫面条件复杂， 行蓄洪区等水利工程较多，洪水预报的难度非常大。以往，水文部门的洪水预报 的主要依据是淮河流域淮河水系实用水文预报方案“1 ，科研部门、大专院校 和生产部门针对淮河流域的具体问题也开发了一些预报模型。这些预报方案和描 写虽然具有一定的精度，解决了一些实际问题，但是，它们存在着预报方法单一、 功能不全、使用不够方便、缺乏专家交互修j 卜功能等不足。所以，有必要为淮河 开发一套结构合理、功能齐全、使用方便的耦合的水文水力学洪水预报系统，当 发牛洪水时，则可迅速地对其发展趋势做出预测和预报，经分析制定出防洪调度 方案，指挥抢险救灾，有效地运用水利工程体系，努力缩小灾害范围，最大限度 地减少灾害损失。 常用的水文学方法通常能够预测山流量过程，并具有一定的预见期，而无法 预测出水位过程，淮河防汛的特点是所有工程等的启用控制均是用水位作标准 的，而水力学模型却可以计算出水位过程，但水力学模型没有预见期，因此将水 文学模型和水力学模型联合运用，能够最佳而有效地解决淮河的防洪需求，为此， 建立淮河水系水文水力学耦合模型的设想提到了议事口程。 1 2 国内外研究进展 根据水文学发展的特点，可以分为萌芽时期( 1 6 0 0 年以前，为了生产需要) 、 奠基时期( 1 6 0 0 1 9 0 0 年，实验水文学的兴起) 、实践时期( 1 9 0 0 1 9 5 0 ，深入讨 论水文规律，理论联系实际) 和现代化时期( 水文学理论的深入研究和有关学科 的渗透) 几个阶段。1 。原先水文预报主要是经验型的，如1 9 3 2 年舍尔曼 ( l k s h e r m a n ) 提出的单位线法；3 0 年代末施奈德( w m s n y d e r ) 又提出了综 合单位线法；以后纳希提出瞬时单位线法等，这些方法在我国至今仍然有应用。 我国近代水文学是1 9 世纪末叶才逐渐丌始的，1 9 1 2 年成立的江淮水利局，就在 淮河测验水位和流量。新中国成立后，我国的水文事业得到了较快的发展。流域 模型的发展，国外从6 0 年代初开始，我国也在生产实践的基础上，于7 0 年代逐 渐完善了新安江模型“，国外与之相应的模型还有萨克拉门托模型、水箱模型 等等。随着计算机技术的发展与普及，人们对自然界的认识的不断提高，近年来 又发展了分布式水文模型等5 1 ，这些模型都紧密与地形、地貌相结合，使得水文 预报技术有了长足的进步，预报的精度也有提高。 人类在改造自然的长期斗争中，特别是在兴建水利1 ：程中，通过反复实践总 结，逐步认识了液体运动的各种规律，形成了水力学这门科学。描述明渠非恒定 流的基本方程最早是法国科学家b a r r e d es a i n tv e n a n t 于1 8 7 1 年提出的，即圣 维南方程组“1 “，它是一阶双曲线型拟线性偏微分方程组，目前在数学上无法求 得其解析解。明渠中非恒定流是一种具有自由水面的波动“，按变化率分为连续 波、不连续波，按主要作用分为重力波、压力波、表面张力波，按水质点运动方 式分振动波、位移波，按水波传播方向和波高分顺行正波、顺行负波、逆行正波、 逆行负波，按波长又分为深水波、浅水波等等，不同性质的波有不同的基本方程 式和求解方法。由于无法求得解析解，目前只好用数值方法求解，分三大类：差 分法、有限元法和有限分析法。差分法是数值计算方法中最古老的方法，时至今 日仍然在广泛应用：有限元法始于1 9 5 0 年，到6 0 年代中期开始引入到流体运动 的计算；有限分析法是1 9 8 1 年由陈景仁提出的。2 0 世纪4 0 年代中期，明渠非 恒定流的研究在美国已处于初始阶段，而到了2 l 世纪，水力学研究欣欣向荣， 国外以及国内都有大批的水力学研究机构成立。我国水力学科学的发展，是随着 我国水利灌溉、防洪、航运、供水等工程建设的大力发展而发展起来的，尤其是 近年来，水利生产实际的需要和科技水平的不断提高，水力学这门实用性很强的 学科，分支也越来越多，如工程水力学、明渠水力学和水波水力学等。2 1 世纪， 水力学的理论框架也发生了根本性的变革，研究对象从自然尺度向细观尺度发 展，突破传统的均匀连续介质假设，非线形理论和随机理论得到广泛应用“”3 。 水文学、水力学与计算机技术紧密结合，出现全新的现代化知识体系。在水 文及水力学模型的研究中，加强两者的耦合研究，建立综合的水文水力学模型， 用于水利工程规划和洪水预报调度，同时探索g i s 技术在水文模型、水力学模型 中的应用，是近年来研究的重点。目前在淮河上的研究虽较多，但真正能用到实 际生产中的具有较高精度的，目前还很难有所突破。究其根源，主要是下垫面情 况等过于复杂所致。 本文提出了一种实用的流域洪水预报计算系统集成的方法。针对淮河河道特 征复杂、水利工程比较多，洪水计算时首先将流域水系进行概化，将流域概化成 互相联系的不同类型的节点，不同类型的节点采用不同的计算模型。主要节点类 型有：产汇流分区、洪水演进的河道、蓄洪区、行洪区等，相应用到的计算模型 是：产汇流模型( 新安江) 、河道洪水演进的水文学或水力学模型( 水力学调度 模型等) 。水文水力学模型的研制问题不大，但在模型的集成时却很困难，就是 节点之间的耦合问题，必须清楚节点问是怎样耦合的、节点问是怎样交换数据的、 节点的计算顺序是怎样的，才能将一个个分散的模型组成有机的整体，才能模拟 出洪水在整个流域中的流动情况。解决好了子流域问的拓扑关系( 水系流向) ， 从而使我能教易地解决复杂淮河水系洪水预报计算的模型( 水文学模型、水力学 模型) 耦合集成。 1 3 本文研究主要内容和技术路线 ( 1 ) 研究内容 2 0 0 3 年淮河发生了新中国成立以来仅次 ：1 9 5 4 年的第二位流域性大洪水，淮 河出现三次大的洪水过程。淮河洪水来势猛，水位高，持续时间长，经过科学调 度，充分发挥水库、河道堤防、行蓄洪区等防洪工程的作用，淮河干流堤防没有 出现重大险情，不仅确保了淮北大堤、洪泽湖大堤、蚌埠与淮南城市圈堤等重要 堤防、大中型水库、交通干线的防洪安全，而且干支流堤防无一决口，水库无 垮坝，有效地减轻了灾害损失。国家防总和安徽省先后启用了9 处行蓄洪区，对 降低干流洪峰水位，缩短高水位持续时间，减轻淮北大堤等重要堤防的防守压力 发挥了重要作用，实现了牺牲局部保全局，舍弃一般保重点的战略意图。由于条 件限制，当时非t 程决策措旌不尽完善，行蓄洪区应用后，水流特性发生了巨大 变化，水位变幅很难预测，工程应用效果不能及时得到，给调度决策带来一定的 困难。凶此大水过后，对淮河中游洪水调度进行了研究，针对淮河大型水库以下 洪泽湖以上地区( 包括干流南润段、邱家湖、姜家湖、唐垛湖、寿西湖、董峰湖、 上六坊、下六坊、石姚段、洛河洼、汤渔湖、荆山湖、方邱湖、临北段、花园湖、 香浮段、潘村洼、鲍集圩行洪区，蒙洼、城西湖、城东湖、瓦埠湖蓄洪区) 河段 的具体情况，建立了一套参数稳定、成果可靠、计算速度快、方便实用、参数及 控制条件修改操作简单的洪水预报调度数学模型”，为淮河中游行蓄洪区调度运 用提供技术支撑。 系统具体开发内容为： 1 ) 建立水文模型 在淮河大型水库以下( 其中颍河周口以下、涡河毫县以下) 至洪泽湖地区， 建立三水源新安江模型，模拟各控制断面的流量过程，并能根据预估降水模拟各 控制断面的流量过程。 2 ) 建立水力学模型，率定有关参数，使之具有预测淮河中游不同行蓄洪区运 用后各控制站水位、流量的变化过程，行洪区、蓄洪区的蓄水过程，分洪口门流 量过程等功能。模型应满足计算结果稳定、可靠且计算速度快，能够满足洪水调 度计算的要求；模型具有预测运用不同行蓄洪区对降低干流各控制站洪水位的功 能；模型能够适应不同来水过程的洪水调度计算要求。 3 ) 模型软件化。将模型软件化，并将水文模型和水力学模型进行耦合。从防 汛实时调度的实际要求出发，在使用者和设计者之间架起一座桥梁即系统界 面，利用界面、菜单等方式，把众多的控制条件和可变参数及成果分析方法简化 到可视化界面中，具有使用方便、操作简单的特点，不需要对模型计算有多少了 解，便可进行“模拟计算”和“成果分析”。当实时洪水发生时，根据当时的实 际情况计算各选方案的洪水过程，适应防汛调度现代化发展的需要。 ( 2 ) 技术路线 预报成果质量的高低，直接关乎防汛工作大局，关乎一个单位的声誉，并影 响到服务市场中的竞争力。在作业预报的实践过程中，对预报方案的编制、作业 预报的制作、以及预报精度评定等诸多环节中，始终严格遵守质量标准。在预报 模型方案制定中，特别注重特殊点据的分析，不唯精度高低，重在规律研究；在 作业预报中，重在对预报结果的综合分析，重在对特殊水情认识的升华；在作业 预报精度评定中，严格按照不同的预见期分别进行精度评定，凡正式发布的预报， 都必须全部纳入评定范围，保证精度的客观性和科学性。一个好的预报系统，不 仅仅要强调自动化、先进性、功能的完备性，更重要的是要切合预报对象的具体 特点，要充分融汇预报员的丰富经验与智慧，同时，预报系统赖以支撑的基础技 术环境也至关重要。因此，在该系统的建设中，我们狠抓水情预报的基础性技术 工作，提倡规范化、标准化建设。如规范化预报方案库的设计、标准化基本方法 库和基本模型库等。此外，在强调“现代”、积极开展新方法、新技术研究的同 时，不轻易扬弃“历史”。传统的作业预报方法是几代预报员几十年工作的结晶， 是一笔宝贵的财产。系统的建设旨在通过对现代信息处理技术、计算机技术、交 互式预报技术的有效运用”，在模型计算的基础上，在计算机平台上“仿真”预 报员“图上综合分析”的全过程，重点将传统的“手工预报方式”等过程计算机 化。 模型建设的具体技术路线是：为满足水情信息化建设的要求，提高水情分析 预报的时效性，软件直接与数据库连接，建立水文模型、水力学模型，结合经验 模型，并加入人工修正模型，同时利用外单位技术优势，对模型进行科学规划、 合理调试，为淮河水系洪水预报和分析提供切实的保障。 1 4 本文研究预期成果 本文通过对淮河上中游洪水、水文模型和水力学模型等的分析和研究，预期 成果希望如下： ( 1 ) 充分了解淮河干流地形基本特征、洪水特性以及水文水力学模型特性。 ( 2 ) 通过优化技术，建立一套实用、方便的洪水预报调度软件系统。 ( 3 ) 模型能够应用于具有行蓄洪区的复杂河网，能够模拟计算出任一断面的 水位、流量过程，能模拟行蓄洪区的分洪时间、分蓄洪过程、蓄洪区内水位变化 过程及行蓄洪区分洪后降低干流水位的效果。 ( 4 ) 系统操作简单、灵活、实用、可靠。 ( 5 ) 通过1 9 9 6 2 0 0 2 年淮河洪水率定、2 0 0 3 年的洪水检验以及2 0 0 5 年实际洪 水的应用，率定一套完整、可靠的水文模型和水力学模型参数。 ( 6 ) 建立的模型应用软件适应防汛调度现代化发展的需要。 ( 7 ) 实现水文模型与水力学模型的联合运用，实现真：i _ f 意义上的底层无缝集 成耦合。 第二章模型结构设计 2 1 模型结构设计原则 2 1 1 模拟范围 系统覆盖淮河水系大型水库以下( 沙颖河为周口以下、涡河为毫县以下) 至 洪泽湖地区，其中区间产汇流模型采用三水源新安江模型，淮河干流王家坝至洪 泽湖河段、史灌河蒋家集至淮干入河口段、淠河横排头至淮干入河口段、沙颍河 阜阳至淮于入河i ：1 段、涡河蒙城闸至淮干入河i ：i 段、池河明光至淮干入河1 3 段采 用水力学模型，淮河水系示意图见图2 1 。 图2 1淮河水系示意图 王家坝洪泽湖为淮河中游河段，平均纵比降为万分之0 3 ，属弯曲性河流， 沿河两侧湖泊洼地交错，河流在湖洼间蜿蜒穿行，稍大洪水即漫滩行洪。其中王 家坝正阳关问为上段，河流长1 5 3 k i n ，平均比降为万分之0 3 5 ，河槽宽2 0 0 3 0 0 m ，平槽泄量仅1 0 0 0 m 3 s 。正阳关至涡河口平槽泄量2 5 0 0 m 3 s ，涡河l 以下 3 0 0 0 m 3 s ，过窄的河槽使洪水极易上滩，水位迅速上涨，且居高不下。中游窑河 口至洪泽湖长2 2 3 k n ，其河底低于洪泽湖湖底高程近10 o m ，洪水壅积难下，两 岸易形成关门淹，又顶托支流洪水下泄，不能通畅的宣泄上游来水。因此，河床 狭窄，洪水比降平缓是淮河中游河道主要特点。 淮河沿岸建有许多行洪区和蓄洪区，中游各支流及行蓄洪区位置如图2 2 。 蓄洪区的主要作用是滞蓄洪水，减轻下游防洪压力。目前淮干两侧现有蒙洼、城 西湖、城东湖、瓦埠湖4 个蓄洪区，其中城东湖、城西湖、瓦埠湖位于淮河中游 腹地，历史上就是上中游洪水滞蓄刚旋的地方，蓄洪面积1 0 0 0 多i ( i 2 ，滞洪能 力近6 0 亿一，蓄洪区能有效的削减洪峰，保障淮北大堤、对津浦铁路及许多城 镇安全起到了重要的作用。 行洪区无控制，主要是扩大过水断面，降低淮河干流沿程水位，利用本身库 容拦蓄一部分洪量，增加了调蓄作用，缩短了洪水波的传播时间。现建有南润段、 邱家湖、姜家湖、唐垛湖、寿西湖、董峰湖、上六坊、下六坊、石姚段、汤渔湖、 洛河洼、荆山湖、方邱湖、临北段、花园湖、香浮段、潘村洼、鲍集圩1 8 个行 洪区。 在充分运用沿淮行蓄洪区后，目前，淮河干流的实际防洪标准是上游不足 1 0 年一遇，中游不足4 0 年一遇，下游不足5 0 年一遇，因此行蓄洪区的运用与 否对淮河防洪标准的影响很大。由于淮河主槽太小，大洪水时要靠运用沿淮行蓄 洪区，增加河道过水断面，加大泄量，沿淮行蓄洪区在遇中小洪水时可分泄淮河 洪水2 0 - - 4 0 ，大洪水时则可达到4 0 - - 6 0 。在沿淮行洪区运用后，现状淮河干流 河道安全行洪流量正阳关以上6 0 0 0 m 3 s ，正阳关至蚌埠河段8 5 0 0 m s s ，蚌埠以下 1 2 0 0 0 m 3 s 。如果在大洪水期不能按规定的行洪水位启用行蓄洪区，淮河的防洪 标准将大大降低。例如，1 9 9 1 年淮河发生了不足2 0 年一遇的洪水，寿西湖行洪 区由于人员无法撤退而未启用，致使正阳关最高水位达到2 6 5 1 m ，超过4 0 年 一遇的设计洪水位0 0 1 m ( 而鲁台子相应洪峰流量7 4 5 0m 3 s ，约1 5 年一遇) ， 淮北大堤防守十分紧张，被迫开启了城西湖进洪闸蓄洪。同样由于方邱湖未行洪， 使蚌埠最高水位达到2 1 9 8 m ，蚌埠城市圈堤在广大军民大力防守下，才抗御 了这场洪水的袭击。由此可见，淮河行蓄洪区及时、顺利运用对保障淮河干流 的防洪安全起到了十分重要的作用。 2 1 2 河网概化原则 淮河水系洪泽湖以上集水面积1 5 8 万l ( i i l 2 ，根据预报节点分布，共划分为多 个水文预报单元( 不含大型水库) ，对重要支流和干流采用水力学模型( 图2 3 、 2 4 、2 5 、2 6 ) 。 淮河中游支流众多，水系复杂，加上河道两侧的行蓄洪区，增加了河网结构 的复杂性。水力学模型范围包括淮河中游王家坝至洪泽湖干流河道，其问的主要 支流有史灌河蒋家集至河口、淠河横排头至河d 、池河明光至河 _ | 、颍河阜阳至 河口、茨淮新河上桥闸至河口、涡河蒙城闸至河口，其问的行洪区有南润段、邱 家湖、姜家湖、唐垛湖、寿西湖、董蜂湖、上六坊堤、下六坊堤、石姚段、洛河 洼、汤渔湖、荆山湖、方邱湖、临北段、花园湖、香浮段、潘村洼和鲍集圩，蓄 洪区有蒙洼、城西湖、城东湖和瓦埠湖。按照是否有水流汇入或流出来确定交汇 点，两个交汇点之间的河道称为一个河段，蓄洪区有闸门控制，可以按照堰流公 式计算处理。同时考虑到干流上二蚌埠枢纽的控制作用，由于枢纽由节制闸、分洪 道、船闸、电站等组成，其运行调度情况复杂，难于模拟计算，因此考虑蚌埠枢 纽时，大水时采用敞泄方式，可以不考虑闸的影响，只是在中小型洪水时按堰流 公式计算处理。 水文模型输入 图2 3水文模型输入概化图 蒙河入流 城西湖 图2 4淮干王家坝至j 下阳关河段行蓄洪区概化图 阳关 淠河入流 涡河入流 寿西湖瓦埠湖石姚段洛河洼 图2 5淮干正阳关至吴家渡河段行蓄洪区概化图 图2 6淮干吴家渡至洪泽湖河段行蓄洪区概化图 翕 一一一潘 继占一埘自一 2 1 3 淮河水系调度原则 调度决策需要掌握两大方面知识，第类是事实，即广泛共有的知识。第二 类是试探式知识。如：润河集已出现洪峰，只要后期天气晴朗，即使特征断面的 水位超过行洪水位，也可以不行洪。在实际调度决策中，需综合考虑上述两类知 识，考虑各行蓄洪区使用后对其他行蓄洪区的影响。决策目标主要围绕着用与不 用，用哪个和哪几个，以及次序等方面，具体应用原则归纳如下： ( 1 ) 当控制站水位低下各行蓄洪区的设计行蓄洪水位时，则没有必要使用行 蓄洪区。 ( 2 ) 行洪区的使用，不但取决于各个断面的水位，还与这些断面的水位涨率 及未来天气有关。水位较高，但涨率小，且未来天气无大雨，也可不用行洪区。 ( 3 ) 如预测鲁台子流量超过6 0 0 0 m 3 s ，则中游多个行洪区有可能都要用。 ( 4 ) 如控制站己出现洪峰，后期天气晴朗，则即使水位超过行洪水位，也可 不用行洪区。 ( 5 ) 在行洪区都已用的情况下，如水位仍然超过蓄洪水位，则启用蓄洪区。 ( 6 ) 一个行洪区处于用与不用的关键时刻，与未来天气和水位涨率有关。 ( 7 ) 唐垛湖离正阳关近，容量大，对缓解正阳关水位十分有效。 ( 8 ) 王家坝水位达2 9 m 时，视具体情况后考虑是否启用漾洼分洪。 ( 9 ) 由于漾洼分洪涉及到安徽和河南两省的利益，具有特殊性，所以要慎重。 ( 1 0 ) 正阳关水位达2 6 m 时，可考虑启用城东湖蓄洪。 ( 1 1 ) 润河集水位达2 7 1 ，且正阳关水位达2 6 5 时，要考虑启用城西湖。 ( 1 2 ) 一般情况下，先行洪，后蓄 j 。 ( 1 3 ) 漾洼应用后对降低王家坝和润河集的水位比较有效，再用南润段效果并 不明显。所以，从行蓄洪损失考虑，在漾沣尚未分洪的情况下，如需行洪，则南 润段先行洪。如水势比较凶猛，漾洼已经分洪，则在考虑行洪时，南润段放在最 后。 ( 1 4 ) 一般情况下，行洪区开启的先后顺序，需综合考虑各行洪区对应的特征 断面的水位超过行洪水位的幅度，以及该行洪区的淹没损失。 ( 1 5 ) 城西湖的库容比城东湖要大得多，但淹没损失也要大得多，一般情况下， 最后考虑使用城西湖。但有时城东湖先分洪后，仍需启用城西湖，而城西湖又没 有充分利用。在此情况下，先用城西湖，也许一个城西湖就能解决问题，这样能 避免城东湖的损失。 各行蓄洪区的堤顶高程、设计行洪水位、行洪流量及调度运行原则如表2 1 和表2 2 。 表2 1 蓄洪区运用原则 蓄洪能力进洪情况泄洪情况 名称 所在地 运用原则 ( 亿m 3 )( 岫3 s )( m 3 s ) 当淮干王家坝站水位达到 王家坝闸曹台子闸 2 9 o m ，且有上涨趋势时， 蒙洼安徽阜南7 5 0 1 6 2 6 2 0 0 0 开启王家坝闸，蒙洼蓄洪 区蓄洪 当出现下列情况之一时， 开启城西湖闸蓄洪( 1 ) 润 城西湖闸临淮岗闸 河集水位如超过2 7 1 0 m ， 城西湖安徽霍邱 2 9 5 城西湖大堤出现严重险情 6 0 0 08 0 0 ( 2 ) 正阳关水位已达 2 6 5 0 m ，淮北大堤等重要 堤防出现严重险情 正阳关水位达2 6 o m 时， 城东湖闸 城东湖闸 视淮北大堤等重要堤防安 城东湖安徽霍邱】5 9 1 0 7 41 0 7 4 全状况，适时开闸蓄洪， 以控制正阳关水位 当蒙洼、城东湖、城西湖 安徽寿 东淝闸东淝闸 蓄洪后，正阳关以下支流 瓦埠湖西、长丰、 1 2 8来水过大，威胁淮北大堤 1 5 0 01 5 0 0 淮南 及淮南矿区安全时，瓦埠 湖蓄洪 表2 2 行洪区运用原则 行洪堤实际堤顶设计行洪设计行洪 名称 运用原则 长度( k i n )高程( m )水位( i n )流量( m 3 s ) 南照集南照集水位2 7 9 m 漫堤行 南润段 1 1 52 8 8 2 82 6 0 0 2 7 9洪 赵集赵集水位2 5 6 m 开| 1 行洪 邱家湖 1 2 6 82 7 3 2 6 93 1 0 0 2 56 临淮岗闸下临淮岗闸下2 5 4 m 开口行 姜家湖 1 6 4 92 7 5 2 6 56 0 0 2 5 4 洪 止阳天正阳关水位2 5 m 开口行洪 唐垛湖 2 4 4 42 7 2 63 1 0 0 2 5 黑泥沟 黑沉沟水位2 5 9 m 开口行 寿西湖2 7 3 12 8 2 6 43 2 0 0 2 5 9 洪 焦岗闸下 焦岗闸下2 4 6 m 漫堤行洪 董蜂湖 1 8 8 52 6 2 七5 2 3 0 0 0 2 4 6 上r 六 4 2 0 52 482 3 5 风台 凤台城关水位2 3 9 m 开口 2 8 0 0 坊堤 2 3 9 行洪 田家庵 田家庵水位2 3 2 m 开口行 石姚段 1 17 3 2 5 5 2 3 83 0 0 0 2 32 洪 田家庵水位2 4 2 5 m 以上 田家庵 开口行洪，青年闸下水位 汤鱼湖 2 4 2 62 6 2 5 1 4 3 0 0 2 4 2 5 2 0 5 m ，尹家沟格堤漫堤行 洪 田家庵 田家庵水位2 2 5 开i ：3 行 洛河洼 1 1 82 3 9 - 2 3 2 9 6 0 0 2 2 5 洪 田家庵 田家庵水位2 3 1 5 m 开口 荆山湖 2 8 7 6 2 3 8 2 2 6 4 6 0 0 2 31 5 行洪 吴家渡 吴家渡水位2 1 6 m 开口行 方邱湖 2 9 8 l 2 3 3 2 1 43 5 0 0 2 1 6 洪 临淮关 临淮关水位1 9 9 m 开口行 临此段 1 9 62 2 2 2 1 6 2 7 0 0 1 9 9 洪 临淮关 临淮关水位1 9 9 m 开口行 花园湖3 2 3 62 1 3 2 0 8 5 2 0 0 1 9 9 洪 五河 3 1 0 0 五河水位1 8 6 m 开口行洪 香浮段 2 3 1 42 0 1 8 6 1 8 6 3 4 0 0 浮 浮山水位1 8 1 m 开口行洪 潘村涟3 9 2 71 9 3 1 7 7 4 6 0 0 1 8 1 鲍集圩3 7 91 9 71 6 5 口门行洪 2 2 水文模型 本次计算采用三水源新安江模型，模型结构见图2 7 。 出：蒸散发el 输入：降雨p 冰面蒸发e m b 士w mkl i m 透水面积产流r ；产流面积 1 f r 产流面积 f r 不适水面积产流 r b 力水w 层w u 层w l 层w d 表层 自由 水s 面径流i 一陋面总 磷i 睫q s 中轿e 睫中总 r i f q kq i g 河 阿 总 a 流 u h l 、c 8 量 一 兀 面 积 出 流 l 输出 k e i 刊流域 跹i 警 l 吨丽r g 魁 li 流0 g 图2 7 三水源新安江模型结构图 图中输入为实测雨量p ，实测水面蒸发e m ；输出为流域出口流量q ，流域蒸 散发e 。模型结构及计算方法可分为以下四大部分。 ( 1 ) 蒸散发计算 用三个土层的模型，其参数为上层张力水容量u m ，下层张力水容量l m ，深 层蒸散发系数c ，蒸散发折算系数k ，所用公式如下： 当上层张力水蓄量足够时，上层蒸散发e u 为 当上层已干，而下层蓄量足够时，下层蒸散发e l 为 e l ：k 木e m 木w l l f 当下层蓄量亦不足，要触及深层时，蒸散发e d 为 e d = c * k * e m ( 2 ) 产流量计算 据蓄满产流概念，参数为包气带张力水容量w m ，张力水蓄水容量曲线的方 次b ，不透水面积的比值i m ，所用公式为 删- w m * ( 1 + b ) ( 1 一i m ) a = 删( 1 ( 卜w w m ) “) 当p - k m h m 0 ，则r - o 不然，则当p - k * e m + a 制定方案一 预报 这个循环过程，赢到能准确判定洪水的最级时，进行调 度决策并实施调度方案。 ( 2 ) 为科学的概括防洪调度工作，在防洪调度中实施预报、制定方案、选 定调度方案进行决策这三个动作时，是视控制站洪水状态而定的。为了说明这一 问题，对每一个要运用的防洪工程而言，町将控制站分别定义为预报节点、调度 节点和调度决策点。 预报节点是在进行预报作业时主要是为了预测未来时刻t ( 预报的预见期) 的洪水状态，明确防洪问题和决策目标，判断启用防洪工程的必要性。即预测那 些控制点自g 水位、流量值可能超过保证值而造成麻烦，需要启用哪些工程以缓解 问题，保障防洪安全。洪水状态是由流域内一些测站的水、雨情数据来描述的， 为了预测未来洪水状态必须输出些控制点( 即预报节点) 的水位、流量预报。 讽度节点也叫防洪形势分析点。防洪决策是事前决策，其工作方式是循环的 逐步接近的方式，即随着水雨情状态的发展，防洪形势，防洪问题也将不断发展 变化。i 司此在能准确作出调度决策点洪水预报之前，在能准确作出决策点上游洪 水来源地区控制站( 调度点) 的洪水预报时，就要初步拟定防洪调度方案( 预案) ， 并随着防洪形势的发展，不断修正预案( 即逐步接近) 直到确定调度方案( 即决 策) 。 调度决策点是启用工程的判据站( 如王家坝站是启用蒙洼的判据站) 。即在 洪水到防洪工程之前能准确作出该站点的预报时，必须确定该工程的运用时机和 方式( 实时调度方案) ，该控制站即启用该工程的决策点。 预案和实时调度方案一防洪调度方案将随着防洪形势发展，不断修改逐步接 近的，预案与实时调度方案是相对的并无严格的界限。 决策目标一防洪调度是一个系统工程，它的任务是运用防洪工程体系保障防 洪安全和圆满的完成防洪任务( 即通过工程的拦、蓄、排把洪水削减和压低到堤 防的保证水位以下，实现x x 型洪水不决口的要求) 。对一个流域来说决策目标 是一定的，而随着洪水的形成与发展，决策目标的重点则是变化的。如在淮河息 县、洪汝河、以及南岸的潢河、竹竿河等支流出现大洪水时，防洪的决策目标主 要是运用蒙洼、宿鸭湖、老王坡压低王家坝的洪水，但同时还要考虑和下游淠河、 沙颍河、史灌河来水错峰和运用梅山、鲇鱼山、佛子岭、响洪甸水库拦洪以及是 否运用城东湖、城西湖的问题。洪水到达王家坝则决策目标主要是运用上述工程 及沿淮的行洪区压低水位以确保淮北大堤和淮南、蚌埠的i 委l 堤。 淮河水系调度工作分区主要包括王家坝以上地区，王家坝至润河集地区，润 河集至正阳关( 鲁台子) 地区，正阳关至蚌埠( 吴家渡) 地区，蚌埠至洪泽湖地区， 其防洪决策目标各不相