多级闸门调控下徒骇河流域雨洪资源利用

王坤　杨同春　徐征和　周肆访　王江婷　徐晶

摘要：徒骇河流域缺水严重，水资源供需矛盾尖锐，而汛期雨量丰富且蓄滞工程较为完善，因此提出通过合理地调度使用主河道上的多级闸门来提高雨洪资源利用率以缓解供需矛盾的思路。选用MIKE11软件建立多级闸门调控下雨洪演进模拟模型，主要运用其中的水动力模型（HD）和降雨径流模型（NAM），并将两者进行耦合，设计了闸门全开、水位控制、水位差控制三种调度模式，结合典型年的选取，进行典型工况下雨洪演进模拟。基于模拟结果，利用水量调控计算方法对流域调控水量进行定量分析和比较，结果表明，通过对闸门的调度，可提高雨洪资源利用率，更大程度地解决流域水资源危机。

关键词：徒骇河流域；多级闸门；雨洪资源；模拟；MIKE11；水量调控

中图分类号：TV 122.5 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）02-0050-08

近年来徒骇河流域灾害频发，常出现连旱连涝或是旱涝交织现象，严重制约了国民经济的发展。流域内河道洪水主要由汛期暴雨所致，降水量高度集中，占全年总降水量的60%～80%。降水的年内、年际以及空间分布的不均性给水资源的充分利用带来了困难。为了管理汛期多余水量，以备枯水期之用，就需要制定合理的水量调控措施。徒骇河流域虽缺少对水量进行调控的大中型水库，但河流主干道上已建的多级闸门可以为充分利用汛期雨量提供良好的基础设施。由于现实中闸门的运行存在很大的人为性和随意性，使得雨洪资源量利用率不高。因此，本文提出利用合理的调度规则对闸门运行进行调度，以期充分发挥河道调蓄功能来实现丰水枯用。

目前，已有学者在闸门调度以及雨洪资源利用方面进行了一些研究工作，例如谷洪梅、左其亭等分析了闸门调度对河流水质及水量调控方面的影响；闫轲在总结国内外雨洪利用的经验和教训后，介绍了雨洪资源利用工程和非工程的措施；毛慧慧、田友等在雨洪资源利用现状分析的基础上，对洪水资源化在海河流域水生态恢复中的重要性及其实现途径做了探讨。本人在前人的基础上，以徒骇河流域为研究对象，利用数值模拟软件MIKE11对不同闸门调度模式下的雨洪演进过程进行模拟，计算出不同降水典型年不同闸门运行工况下的可调控水量，并进行规律总结和调度效益分析，为徒骇河流域雨洪资源高效利用提供一定的理论依据。

1流域基本概况

1.1自然地理概况

徒骇河流域属于华北平原，位于海河流域最南部，南邻黄河下游流域。发源于山东聊城莘县古云镇文明寨村东，流向为西南至东北方向，与黄河流向几乎平行。徒骇河流经山东省13个县（区），最终在沾化县东风港暴风站流入渤海，整个流域呈窄长条带状。徒骇河在山东省境内主河道全长406 km，流域面积13 296 km²。

1.2闸门概况

徒骇河水系处于人工调控的多闸门平原河网地区，水流几乎全面受到闸门的控制。干流河道设置了12座节制闸（其中四河头节制闸已经停用）和1座橡胶坝。自上下游顺序为杨庄闸、李凤桃闸、王堤口闸、陶桥闸、南刘桥闸、南营闸、宫家闸、营子闸、樊桥闸、堡集闸和坝上闸，具体分布情况见图1。各级闸门分布较均匀，对汛期洪水具备良好的拦蓄能力，为雨洪资源的利用提供了基础设施保障。通过对闸门的科学调度，可减少洪水下泄，在防洪安全的基础上，将多余水量储存起来，从而大大增加了河道的调蓄能力。为研究方便，将南刘桥闸、营子闸作为徒骇河上、中、下游流域分界线。

1.3水资源供需情况

通过查阅文献以及查找《聊城市统计年鉴》、《滨州市统计年鉴》等统计信息，结合供需水量计算方法，可得徒骇河流域水资源供需情况见表1。

由表可知，保证率为50%的水平年，需水量比可供水量多19 444万m³，缺水率为4 55%；保证率为75%的水平年，需水量比可供水量多79 913万m³，缺水率高达16.39%。由此可知该研究区缺水严重，供需矛盾十分严峻。因此将汛期大量集中的降水储存起来，充分合理地利用当地雨洪资源，可一定程度上缓解供需矛盾。

2研究方法

2.1闸门调控下雨洪演进模型建立

通过对国内外已公开发布的水力学模型进行收集和分析，徒骇河流域雨洪演进模型选用了一维水力学模型软件MIKE11。本研究中主要应用其中的水动力模型和降雨径流模型，并将其进行耦合。水動力模型HD中的可控建筑物模块（SO）是HD模型的特色，提供了丰富的闸门操作设计。模型中可设置不同的调度方案及其优先级，可对各类实际工况运行情况进行模拟。

2.1.1降雨径流模型（NAM）

NAM模型是一个由一系列以简单定量关系描述水文循环中各种陆相特征连接起来的集总参数的概念性水文模型，模拟自然流域的降雨径流过程。降雨产生的径流以旁侧入流的形式耦合到HD模型的河网中。

NAM模型调整的参数包括地表、根区储水层及地下水储水层相关参数。徒骇河流域上、中、下游段水文站均有较长的降雨、流量资料满足NAM建模的需要，因此利用各子流域的降雨径流资料建立NAM模型，用于计算区间入流。利用MIKE11的自动率定功能，结合人工调参方式对NAM模型中的各参数进行率定，使得模拟结果与实测结果吻合程度较好（图2-图4），表2即为NAM模型中各参数的取值。

2.1.2水动力模型（HD）

HD模型基于垂向积分的物质和动量守恒方程，即一维非恒定流圣维南（Saint-Venant）方程组来模拟河流或河口的水流状态。方程组包括连续性方程和动量方程，其具体表达式如下。模型采用明渠非稳定流隐式格式有限差分解，其差分格式采用了六点中心隐式差分格式（Abbott格式），离散后的线形方程组用追赶法求解。

（1）式中：x，t分别表示空间坐标和时间坐标；Q，h分别表示断面流量和水位；A，R分别表示断面的过水面积和水力半径；B_s为河宽；q为旁侧入流量；C为谢才系数；g为重力加速度；α为垂向速度分布系数。

水动力模型率定的主要参数是河道糙率。本文选取20 13年的流量过程分段进行糙率的率定，经过调算，徒骇河上、中、下游段糙率分别为为0.029、0.033、0.035。在MIKE View结果查看中导出上、中、下游闸门模拟计算值，然后与实测值进行比较，分析模型的稳定和准确程度。上、中、下游的日径流过程模拟结果见图2-图4。由模型的率定结果可知，徒骇河干流上游的计算结果与实测值吻合较好。相比之下，下游计算结果与实测值吻合稍差，其原因是河道闸门较多，在实际调度过程中受不确定性因素的影响比较大，模型运行过程中系统误差逐渐累积造成。

2.1.3可控建筑模块

MIKE11中可控建筑物模块（S0）可以方便有效地用来模拟灌溉渠道、河流、水库中的控制闸门及其它控制建筑物（如桥梁、涵洞、管道、堤坝、堰、泵站等）的操作运行。本研究中模拟涉及到的闸门共11级。由于该流域全年总降水量的78%集中在汛期（6月-9月），考虑流域降雨径流过程的延迟作用，故模拟时段为6月-10月。

根据各闸门所在位置、闸底高程、闸孔尺寸及最高蓄水位等因素的差异，考虑不同典型年的暴雨量大小，结合可控建筑物模块提供的闸门调度模式，现制定以下三种调度模式。

（1）全开控制。汛期时各闸门全部开启，模拟没有闸门控制的河道水流流态。

（2）水位控制（H控制）。汛期闸前水位高于最高蓄水位时，闸门开启，否则关闭。最高蓄水位由收集到的闸门设计参数中获得，并将各闸对应水位作为阈值输入到模型中。

（3）水位差控制（dH控制）。当闸前闸后水位差达到特定值时，闸门开启，否则关闭。通过进行模型调试，最终确定这一特定值为0.5 m。

在调度过程中，闸门的启闭速度设置为0.001m/s，系统由设定好的调度参数和阈值，根据水流状态自动控制各级闸门的运行状态。

2.2调控水量计算方法

根据徒骇河河道规划现状，河道上已建的11级闸门将天然河道划为11个串联水库（i=1，2，…，11），本研究以旬为单位将模拟期划为15个时段（t=1，2，…，15）。调控水资源量按下式[21-221计算？

（2）

3结果及分析

3.1模型模拟结果及分析

经统计徒骇河流域近30年（1984年-2013年）的降水资料，利用皮尔逊III型频率曲线进行水文频率分布曲线适线后，最终选取降水频率为5%、10%和20%的雨洪典型年，依次为2004年、2013年和2005年。分别模拟了徒骇河流域在三种闸门运行工况下的洪水演进过程，选取上、中、下游分界点为三个节点，以H控制调度为例，模拟得到的水位、流量过程线见图5-图7。

由模拟结果可以看出：P=5%典型年降水比較分散，河道出现三次洪峰，上游洪峰比中游洪峰早4d左右，比下游洪峰早6 d左右。南刘桥闸、营子闸及坝上闸闸门开启的时间分别为6月27日、7月6日、7月11日，此时所对应的水位分别为26.5 m、16.8 m、5.8 m；P=10%典型年降水比较集中，受降水影响，河道出现一次较大洪峰，且洪峰流量较大，下游峰值可达1 025 46 m³/s，上、中、下游闸门开启的时间分别为6月28日、7月16日、7月18日；P=20%典型年，由于降水分散且雨期较晚，河道在8月份出现两次较大洪峰，最大洪峰出现在9月下旬，上、中、下游闸门开启的时间分别为6月28日、7月16日、7月22日。

3.2调控水量计算结果及分析

徒骇河属于天然河道，虽枯水期有断流，但河道常年有水，统计多年6月初平均水深为L 0 m，选取两闸之间平均断面，计算其过水面积，从而计算出水库的初始蓄水量，见表3。另外，I_i，t、Q_i，t利用第而章MIKE11HD输出的流量结果；P_i，t利用NAM输出的旁侧入流流量结果。利用2.2节调控水量计算方法可得不同典型年下徒骇河流域可调控水量，见表4。

分析表4中数据可知，在三种调度工况下，若典型年降水比较分散，通过闸门的调度运行，可以将更多的雨洪水储存在河道中。峰值河道调控水量和汛期之后河道调控水量遵循以下规律：调控水量由多到少依次为：水位（H）控制调度、水位差（dH）控制调度、全开调度。例如P=5%典型年三种调度可调控峰值水量依次为22 401万m³、16 882万m³、13142万m³，汛期之后可调控水量依次为15 336万m³、11 027万m³、7 373万m³；若典型年降水较为集中，即使通过闸门的运行来调节雨洪，但为保证防洪安全会导致大量雨洪水下泄。在三种调度工况下，峰值河道调控水量差异不大，但汛期之后河道调控水量仍呈现以上规律。例如P=10%典型年三种调度可调控峰值水量依次为13 402万m³、11 804万m³、10 242万m³。10月下旬，H控制调度时可调控水量为7 247万m³，dH控制调度时调控水量为6 003万m³，而全开调度时调控水量仅为5 470万m³；若典型年雨期较晚，则汛期结束之后，河道调控水量也会相对较多。例如P=20%典型年，在10月下旬，H水位调度时河道调控水量为7 599万m³，dH控制调度时调控水量为6 636万m³，而全开调度时调控水量为5 803万m³。

3.3闸门调度效益分析

徒骇河流域现有闸门归行政区管理，堤闸管理处对闸门的操作存在很大的人为性和随意性，尤其是在汛期，当洪水来临时，管理者往往为了快速下泄洪水，而几乎将闸门全部打开，使得流域水量流失严重，造成浪费。因此，研究中将汛期闸门运行现状概化为全开模式，并以此为基础，与其他两种调度模式比较得出闸门调度效益。基于不同闸门运行工况下的雨洪演进模拟结果以及可调控水量计算结果，可以得到徒骇河流域通过调度后可增加的雨洪资源利用量，见表5。结果显示，根据汛期来水情况，采用H和dH控制调度来调节闸门的启闭可以使雨洪资源的利用能力得到进一步提高，也可以在一定程度上缓解徒骇河流域水资源供需矛盾压力。

4结语

本文通过MIKE11模型，实现了不同典型年不同闸门调度模式下雨洪演进过程的模拟，并利用可调控水量计算方法分别对各工况下的调控水量进行了计算分析。通过模拟，可最终率定出徒骇河上游段糙率为0.029，中游段糙率为0.033，下游段糙率为0.035。从计算分析结果中可以看出，徒骇河流域可调控雨洪资源量十分丰富，最高可达22 401万m³。并且在闸门全开调度、水位（H）控制调度、水位差（dH）控制调度三种调度工况下，具有不同降雨特征的典型年峰值调控水量和汛期之后河道调控水量同时呈现以下规律：水位（H）控制调度下可调控水量最多，水位差（dH）控制调度次之，全开调度方式下最少。

通过对三种调度方式下的可调控水量进行比较分析，可知根据汛期来水实际情况，通过对各级闸门进行水位或水位差控制调度会大大提高雨洪资源的利用效率，对缓解徒骇河流域水资源供需矛盾具有重要意义。随着徒骇河流域在雨洪资源化管理运用方面的完善以及闸门信息化和自动化调控系统的发展，其将对流域水量调控及经济发展起到日益显著的作用。