感潮河段洪潮补偿调度模型及应用

第３０卷第８期２　０　１　２年８月水　电　能　源　科　学Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　ＰｏｗｅｒＶｏｌ．３０Ｎｏ．８Ａｕｇ．２　０　１　２文章编号：１０００－７７０９（２０１２）０８－００４７－０４感潮河段洪潮补偿调度模型及应用刘　晨，董增川，李　臻，胡晓雨（河海大学水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京２１００９８）摘要：滨海流域进行实时预报调度时，通常建立将水库调度模型与下游感潮河段水位演算模型相结合的综合调度系统，以福建省山仔水库为例，利用主要控制断面的安全水位作为控制条件决定水库的放水过程。

由于感潮河段受上游出库洪水与下游潮位的双重影响，河道水位出现复杂的周期性变化，采用以洪潮分离为出发点的双向波演算法构建感潮河段的水位演算模型，并结合感潮河段的水位变化趋势，考虑水库洪峰来临及下游河段相应时期高低潮位过程，动态调整水库下泄量，以提高下游河道的防洪标准。

关键词：防洪调度；感潮河段；补偿调度；潮洪分离；双向波中图分类号：ＴＶ１２４文献标志码：Ａ收稿日期：２０１２－０１－０７，修回日期：２０１２－０２－２７作者简介：刘晨（１９８８－），女，硕士研究生，研究方向为水文水资源，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｃｈｅｎｚｉ＿３３０＠１２６．ｃｏｍ通讯作者：董增川（１９６３－），男，教授，研究方向为水文水资源，Ｅ－ｍａｉｌ：ｄｏｎｇｚｅｎｇｃｈｕａｎ＠１６３．ｃｏｍ 山仔水库位于福建省连江县境内的敖江中游峡谷中，水库坝址控制流域面积１　６４６ｋｍ２，多年平均径流量５７．８ｍ３／ｓ，水库下游流经连江河段，由连江县东岱乡大涂村汇入东海。

山仔水库是个具有灌溉、发电、供水和防洪等综合利用效益的水利枢纽工程，主要承担下游连江河段的防洪任务。

流域内洪水主要由台风暴雨形成。

７～９月为台风雷雨期，降雨量占全年的３０％以上，在此期极易产生灾害性洪水。

敖江流域下游受潮水影响，每年５～１０月均有台风登陆可能，特殊的地理位置和自然气候常带来暴雨、暴潮等破坏性灾害，洪涝灾害主要成灾于中下游低洼地区。

在距山仔水库约６ｋｍ处设有一塘坂水文站，作为流域的控制出口站，记录多年水位、流量、降雨资料。

下游感潮河宽、坡缓，两岸地形平坦，入海口潮水可顶托至连江大桥。

在入海口１ｋｍ处有琯头潮位站，该站主要受天文潮影响，受干流洪水影响不明显。

影响琯头站的天文潮为不规则半日潮，每日有两个高潮两个低潮。

琯头站记录了２００５～２０１０年逐时段整点潮位资料。

由于敖江流域受到台风雨的影响较大，入海口的海潮变化强烈，对下游２０年一遇的偏低的防洪标准，迫切需要对其进行防洪设计及调度。

在现有工程措施的条件下，分析潮汐变化及降雨径流的共同作用下河段水位变化关系，用于对敖江流域的防洪调度进行指导具有重要意义［１，２］。

为此，基于洪水波运动及潮水周期性变化规律，构建了感潮河洪潮补偿调度模型，并分析了两种补偿调度方案，获得了优化水库对洪水的调蓄能力。

１　感潮河道洪潮补偿调度模型１．１　建立水库调度基本模型洪潮补偿调度模型的目标即是在保证各防洪控制点安全行洪的前提下充分利用下游河道的行洪能力，根据潮水位的高低变化调整水库的下泄流量，使整个调度期内的河道下泄量尽可能接近于河道的行洪能力，具体目标函数为：ｍｉｎＦ＝∑ｎｔ＝１∑ｍｐ＝１ｑ防ｐ，ｔ－ｑ防ｐ，（）安２（１）式中，ｎ为调度期内的时段数；ｍ为防洪控制点个数；ｑ防ｐ，ｔ为防洪控制断面ｐ在ｔ时段内的下泄量；ｑ防ｐ，安为防洪控制断面ｐ的安全下泄量［３～５］。

考虑最大削峰下水库出流的水库调度约束条件有四方面。

（１）最高库水位约束。

Ｚｔ≤Ｚｔ，ｍａｘ（２）式中，Ｚｔ、Ｚｔ，ｍａｘ分别为ｔ时段末的水库水位、允许最高库水位。

调度期内，不同时期（汛期、非汛期内）水库最高库水位要求不一致。

（２）调度期末水位约束。

Ｚ末＝Ｚ末，控（３）式中，Ｚ末、Ｚ末，控分别为调度期末的库水位、水库所允许的最高控制水位。

调度期末的水位约束为汛期提供洪水库容。

（３）水库下泄能力约束。

ｑｔ≤ｑ能（Ｚｔ）（４）式中，ｑｔ、ｑ能（Ｚｔ）分别为ｔ时段内的水库下泄流量、水位Ｚｔ对应的水库下泄能力。

（４）下泄量变幅约束。

ｑｔ－ｑｔ－１≤Δｑ容（５）式中，｜ｑｔ–ｑｔ－１｜、Δｑ容分别为相邻时段内的水库下泄量变幅、所容许的下泄量变幅值。

该约束条件可避免出现河道水位陡涨陡落，有利于堤防安全。

１．２　感潮河段双向波水流演进约束双向波水位演进是将感潮河道的水位过程分为洪水波与潮水波，并假设这两种水波在传播过程中相互独立。

将洪水波从上游向下游演算，潮水波由下游向上游演算，在河道中的防洪控制断面处［６］将洪水波与潮水波线性叠加，即可获得该控制点的水位。

分别从感潮河道的上游河段与下游河段算起，联立河段水量平衡方程和槽蓄方程，以水位为计算对象，由马斯京根流量演算方程转化而来。

河道水位演进公式为：Ｈ下，ｔ＋１＝Ｃ０Ｈ上，ｔ＋１＋Ｃ１Ｈ上，ｔ＋Ｃ２Ｈ下，ｔ（６）其中Ｃ０＝α１Δｔ－２ｘＬＢ２ＬＢ（１－ｘ）＋α２Δｔ（７）Ｃ１＝α１Δｔ＋２ｘＬＢ２ＬＢ（１－ｘ）＋α２Δｔ（８）Ｃ２＝－α２Δｔ＋２ＬＢ（１－ｘ）２ＬＢ（１－ｘ）＋α２Δｔ（９）式中，Ｈ为断面水深；下标上和下分别代表上断面和下断面；下标ｔ和ｔ＋１分别代表时段初和时段末的相应值；α１、α２分别为上、下断面流量水深关系系数；Δｔ为计算时段；ｘ为河道平均水深；Ｌ为河段长度；Ｂ为河段平均河宽。

利用式（６）将洪水波与潮水波分别从上断面和下断面向中间断面做水位演进计算，得到中间断面的洪水波与潮水波水位［６，７］。

河段中间断面水位由演进后的洪水波与潮水波线性叠加获得：Ｈ中，ｔ＋１＝β０＋β１Ｈ上中，ｔ＋１＋β２Ｈ下中，ｔ＋１（１０）式中，β０、β１、β２均为叠加系数；Ｈ上中，ｔ＋１为上游洪水演算到中间计算断面水深值；Ｈ下中，ｔ＋１为下游潮水波演算到中间计算断面的水深值；Ｈ中，ｔ＋１为中间断面水深［６，７］。

对感潮河段进行计算后，求得防洪控制点的水位Ｚ防（ｔ），并比较求得最高水位Ｚｍａｘ。

若获得的防洪控制点最高水位不超过警戒水位Ｚ安，则ｑ（ｔ）即为所求结果；反之，则进行错潮调度。

１．３　错潮通过分段试算方法求得最大削峰目标下水库出流ｑ（ｔ），再在水库不放水情况下进行演算至防洪控制点，求得整个时段内防洪控制点的水位变化过程｛Ｚ防（ｔ）｝，并计算得防洪控制点整个时段内最大水位差ｍａｘ｛Ｚ安－Ｚ防（ｔ）｝。

当某一时段内Ｚ防（ｔ）＞Ｚ安，则计算系数比为Ｂ（ｔ）＝（Ｚ安－Ｚ防（ｔ））／（ｍａｘ｛Ｚ安－Ｚ防（ｔ）｝）。

假定水库按水库出流ｑ（ｔ）＝ｑ（ｔ）＊Ｂ（ｔ）泄流实现错潮调度，计算防洪控制点的最高水位是否超过Ｚ安，不超过则ｑ（ｔ）即为所求结果；反之，令ｑ（ｔ）＝ｑ（ｔ）＋Δｑ，重新调节水库削峰过程，计算直到防洪控制点的最高水位不超过Ｚ安为止［８～１０］。

流程图见图１。

图１　错潮计算流程图Ｆｉｇ．１　Ｓｔａｇｇｅｒｉｎｇ　ｔｉｄｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ２　结果与分析２．１　参数率定通过分析，感潮河段的双向波水位演算上边界采用山仔水库出流演算至观音阁断面的洪水预报过程，下边界采用潮汐预报的琯头２００５～２００７年潮水位过程。

连江感潮河段分成３个断面，因塔头站断面位于潮区界以上，主要受洪水作用，不受潮水顶托影响，故选择塔头断面为中间控制断面。

利用该河道各断面的实测断面资料，建立河宽水深关系Ｂ＝ｆ（Ｈ），分别求得各断面的平均河宽Ｂ，平均河长Ｌ。

鉴于连江感潮河段河床稳定、坡度较缓，可认为水深随河宽的变化不大，故假定Ｂ、α为常数。

利用实测３场次暴雨洪水资料，分别从上游和下游向塔头控制断面演算，进行洪水波和潮水波的双向叠加。

率定后参数为：α上１＝α上２＝１９０，α下１＝α下２＝１　１００，β０＝－０．７７，β１＝０．３３，β２＝０．５７（上标中的上、下分别为从上游断面和下游断面开始演算）。

利用该结果对２００７０８０９场次洪水进行双向波水位演算校核，结果见表１。

由表可看出，水位计算误差、下泄流量相对误差分别在０．２ｍ、·８４·水　电　能　源　科　学 ２０１２年第３０卷第８期刘　晨等：感潮河段洪潮补偿调度模型及应用表１　塔头站双向波水位演算结果比较Ｔａｂ．１　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｔ　Ｔａｔｏｕｓｔａｔｉｏｎ　ｂｙ　ｕｓｅｉｎｇ　ｂｉ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｗａｖｅｓ　ｍｏｄｅｌ塔头断面最高水位／ｍ实测计算塔头断面最大下泄流量实测计算峰现误差／ｈ３．３０　３．４６　２７９．０　２９３．６　１注：塔头断面最大下泄流量单位为ｍ３／ｓ。

１０％以内，峰现时间误差为１ｈ，因此认为双向波水位演算模型可较好地模拟感潮河段的水位过程。

２．２　水库调度演算根据水库调度模型的基本约束条件，结合山仔水库实际的防洪要求及下游感潮河段的潮水影响建立两套水库调度方案：①规则调度方案。

基于山仔水库防洪调度原则，确保下游连江塔头防洪任务的规则调度方案。

在满足约束条件下，尽可能保持汛限水位。

当水库水位小于等于正常高水位时，水库最大下泄量不得超过控制下的安全泄流量；当大于正常高水位时，闸门全开，水库下泄量不受控制。

②补偿调度方案。

考虑下游潮水影响的补偿调度模型。

该方案主要是利用洪峰与高潮水位来临的不同时段控制水库出流量，实现错峰错潮的目的。

首先按最大削峰原则得到水库出流量，由感潮河段双向波水位演算获得控制断面水位。

当水位小于警戒水位，可适当增大水库出流量；反之减小水库出流量。

２．３　结果分析目前，敖江中下游防洪标准为２０年一遇，以塔头断面２０年一遇设计洪水，需将最大下泄量控制在３　９９０ｍ３／ｓ。

以入海口琯头站预报潮位过程为例，按规则调度和补偿调度两种方案进行洪水调控，其中塔头断面的控制水位为４ｍ。

调度起调时间、结束时间分别为２００７年８月２１日１１：００、２２日１１：００，计算时段长１ｈ，起调水位８０ｍ，起调时刻泄流５０ｍ３／ｓ。

其中，汛限水位８７ｍ，相邻时段泄量允许变幅１００ｍ３／ｓ。

水库调度部分模拟过程见图２，调度特征值见表２。

由图、表可看出，水库调度模型与下游感潮河道双向波水位演算模型结合，求得两种调度方案对应的感潮河段防洪控制点的最高水位均小于警戒水位４ｍ，达到防洪要求，其中通过补偿调度水库的最大削峰率由图２　水库调度模拟过程线图Ｆｉｇ．２　Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｈｙｄｒｏｇｒａｐｈｓ　ｆｏｒ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ表２　补偿调度与规则调度结果比较Ｔａｂ．２　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｕｌｉｎｇ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ调度方案最大流量／（ｍ３·ｓ－１）入库出库削峰率／％塔头断面最高水位／ｍ补偿调度５　２８０　２　７００　４８．９　３．４３１规则调度５　２８０　２　７１０　４８．６　３．５７９４８．６％提高到４８．９％。