泗河流域暴雨洪水调控模型研究

原标题：

泗河流域雨洪调控利用模拟研究

摘要：

为研究分析流域水利工程群协同调控的雨洪资源利用效益,以泗河流域为研究对象,统筹水库、闸、坝、河渠、地下水回灌区等点线面水利要素,集成水库、闸坝调控技术,构建流域雨洪调控模型,对15年流域雨洪调控利用情况进行情景模拟研究,结果表明,复合调控情景比常规调控情景出口雨洪弃水减少7.4%,流域雨洪蓄渗利用量年均增加2460.9万m3,且河道流量更趋于均匀,河道生态得到明显改善,兖州地下水漏斗区年均多调引洪水资源1996.3万m3,比常规调控情景增加34%,流域雨洪资源利用效益显著。研究可为流域雨洪资源利用实践提供理论和技术借鉴。

关键字：

泗河流域; 雨洪资源; 情景模拟; 协同复合调控;

刘德东(1980-),男,高级工程师,博士,主要从事水文水资源和水生态规划研究。E-mail:east_liu@foxmail.com;

基金：

水利部公益性行业科研专项经费项目(201504054);

引用:

刘德东，公绪英，谭乐彦，等． 泗河流域雨洪调控利用模拟研究［J］. 水利水电技术，2020，51(10) : 10-19.

LIU Dedong，GONG Xuying，TAN Leyan，et al． Simulation study on rain-flood resources control and utilization in Sihe river basin［J］. Water Resources and Hydropower Engineering，2020，51( 10) : 10-19.

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0 序言

中国人均水资源量只有2100 m3,仅为世界人均水平的28%,全国城市中有约三分之二缺水,约四分之一严重缺水,人多、地少、水缺是我国的基本国情。尤其是我国北方,水资源短缺形势更加严峻。加上我国处于季风气候影响区,大部分区域水资源时程分配极不均匀,如北方河北、山东等省区全年70%以上降水集中于汛期,大部分径流在汛期以洪水形式出现,出于安全考虑,有60%以上洪水径流不得不排泄入海。在水资源总量较少、总体缺水的情况下,降水径流时程分布不均,造成部分雨洪难以利用,进一步加剧了缺水程度。为了经济 会的发展,不得不牺牲农业和生态用水,将有限的水资源供给生活、工业,这不仅影响了农业生产,还迫使地下水过渡开采,地下水漏斗连片发展,造成地面沉降、海水入侵、河湖干涸等生态环境问题。新一轮全国地下水超采区评价结果显示,全国超采区面积近30万km2,其中特大型超采区(面积≥5 000 km2)16个,面积近14万km2,主要分布在河北、山东、河南等地,超采引发的资源、生态与地质环境问题已经引起国家重视,各地也正在积极开展研究和治理实践。

挖潜利用雨洪资源是提高地表水利用率,缓解水资源供需缺口,加强蓄水补源,减少地下水开采,改善地下水生态的重要举措。面对水资源的紧缺形势,2003年水利部提出了由控制洪水向管理洪水转变的治水思路,并将洪水资源化列为2003年重点调研课题,国家防总在2005年全国防汛抗旱工作会议上再次强调“想方设法开发利用洪水资源,是新时期防洪保安全、抗旱保供水、生态保良好的必然选择,要将其列为防汛工作中的一项重要任务,抓紧抓好”。从此,国家各个层面进行了大量研究、规划和建设工作,科技部接续设置“十五”国家科技攻关课题“海河流域洪水资源安全利用关键技术研究”[4] “十一五”国家支撑计划项目“雨洪资源化利用技术研究及应用”等,水利部设置现代水利科技创新计划项目“海河流域雨洪资源利用研究”“太湖流域洪水资源化利用研究”,水利部公益行业科研专项经费项目有“海河流域洪水调控技术与防洪格局研究”“丹江口流域洪水资源化利用初步研究”等[5,6,7];在省市层面,北京市科委设置市重点项目“北京山区雨洪资源综合开发技术研究与示范”,广东省设置水利科技创新项目“广东省雨洪资源利用技术及激励政策研究”等[8],各层面针对各地不同情况对雨洪资源利用理论、关键技术进行了研究,在雨洪资源评价、潜力评估、利用措施体系、风险效益评估、水库汛限水位调控、水库联合调度等方面取得了可喜成果。与此同时,多地根据本区域水资源及工程特点,编制雨洪资源利用规划,指导雨洪资源利用工程的实施,如深圳市2006年编制了《深圳雨洪资源利用规划研究》,规划了山区雨洪资源利用体系、城区雨洪资源利用体系、河道雨洪资源利用体系、地下水雨洪资源利用体系、境外雨洪资源利用体系等5大雨洪利用体系,工程项目113项,总投资88.66亿元,分近、中、远三期实施,目前取得了显著供水、防洪、生态效益。山东在2014年,编制了《山东省雨洪资源利用总体规划》,规划实施大中型水库增容、新建山丘区水库等八大类工程,匡算总投资645.74 亿元,分两期实施,目前一期工程基本完成,合计新增兴利库容10.57 亿m3,新增供水量约6.0 亿m3,发挥了重要的经济、 会和生态效益。

但是总体而言,雨洪资源利用研究和实践以个体工程、单类技术为主,从流域整体角度,着眼水利工程群进行协同调控、开发利用雨洪资源的系统利用技术研究较少,对流域主要水利工程进行协调调控的技术支撑还较薄弱。流域内水利工程群进行协同调控是挖潜利用雨洪资源、缓解水资源供需矛盾的重要方向。为此,以泗河为典型流域,针对水库、闸、坝、河渠、地下水回灌区等点线面水利要素,集成雨洪调控技术,进行流域层面雨洪资源的协同调控利用模拟研究,为流域雨洪资源利用提供理论和技术支撑。

在雨洪模拟方面,目前应用较多的模型平台有SWMM、SWAT、MIKE BASIN等,都可进行产汇流分析和径流模拟,其原理也有类似之处,但在模型模拟尺度、性能、应用模块、模拟领域等方面各有所长,SWMM本质是城市水系统综合模拟平台,模型有较完备的管 水流、LID和水质模拟功能,在城市管 设计、城市雨洪模拟、城市水污染模拟及海绵城市、低影响开发对径流影响模拟方面有大量研究和成功应用。SWAT模型是美国农业部农业研究服务中心在SWRRB模型基础上开发的一个长时段的分布式流域水文模型,具有很强的物理基础,适用于具有不同土壤类型、不同土地利用方式和管理条件复杂的大流域,主要目的是模拟预测不同土地利用、土壤类型和土地经营管理方式等对流域水量、水质等方面的影响,国内外广泛应用于环境变化及农业管理措施对水文水质的影响、气候变化对区域水循环的影响等多方面。SWMM和SWAT模型都可应用于雨洪径流的自然水循环模拟,但都无法模拟水的“取、用、耗、排” 会水循环过程,现实流域中雨洪径流受水利工程拦蓄、调引、取耗等影响明显,在模拟中需要综合考虑自然水循环和 会水循环的双重作用,MIKE BASIN模型在降水产流模块的基础上耦合了水资源调控模块,综合考虑了闸坝调控、“取、用、耗、排” 会水循环过程,能较真实地还原人类活动影响下的流域水循环过程,因此泗河流域雨洪模拟研究基于MIKE BASIN模型展开。

1 研究区域概述

泗河发源于泰安新泰市太平顶,是山东省南四湖湖东最大的入湖河流,属于淮河流域。泗河干流全长159 km,流域面积2 357 km2。泗河流域属鲁南泰沂低山丘陵与山前冲洪积平原交接地带,地形综合复杂,其中山区面积921 km2,丘陵区566 km2,平原区850 km2,是典型的北方低山—平原流域。泗河流域水系如图1所示。

图1 泗河流域水系

泗河流域属于暖温带半湿润气候区,四季分明,流域内多年平均降水量为715 mm,降水分布的年际变化和季节变化都很大,年内雨季多集中在7、8月份。由于流域洪水皆因暴雨引起,径流为雨源型,所以具有汛期洪水集中,峰高量大,起涨快速,退水迅速的特点,雨洪资源利用难度相对较大。

建国后泗河流域内建设了大量水利工程,共建有大型水库尼山水库1座,中型水库4座,包括:贺庄水库、华村水库、龙湾套水库、尹城水库,拦河闸坝11座,小(1)型水库24座,小(2)型水库195座,塘坝834座,引水工程7处。流域水利工程为泗河流域防洪、地表径流开发利用打下了坚实工程基础,发挥了显著的防洪供水等综合效益,保障了经济 会的快速发展。

然而,经分析流域现状平水年,一般枯水年和特枯水年均存在不同程度缺水,缺水率量分别为372万m3、3610万m3、6810万m3,缺水率分别为1.5%、14.3%、27.0%。由于经济 会的发展,长期过度开采地下水,使得以兖州为中心北至宁阳,南至济宁的区域形成连片浅层地下水超采区,该区域属于济宁-宁阳浅层地下水超采区,总面积约758km2,为山东省八大浅层地下水超采区之一。与此同时,根据实测径流资料,流域中下游断面书院站1980—2012年多年平均径流量为18 838.9万m3,按照水文比拟法分析,流域出口多年平均实测径流量为28795.9万m3,大部分以洪水形式下泄。流域还有较多的雨洪资源没有开发利用,有必要从流域角度开发利用雨洪资源,缓解流域缺水形势,改善区域地下水生态。

2 模拟模型构建

2.1 模型原理

泗河流域雨洪调控模型基于MIKE BASIN软件构架构建。MIKE BASIN由丹麦水利研究院(Danish Hydraulic Institute)开发,是集产汇流、水库调度规则设定、供用水户设置、水量水质模拟等功能于一体的集成式流域水资源模拟、规划、管理决策软件平台,可在流域或区域尺度上,解决水量的优化配置、调度等问题。MIKE BASIN由四个模块组成:NAM降水径流模块、MIKE Basin水资源模型、Irrigation农业灌溉模块、Load Calculator污染物负荷模块。其中MIKE Basin水资源模型是核心模块,其他三个模块为MIKE Basin水资源模型提供模型输入或者边界条件。本研究主要利用NAM降水径流模块、MIKE Basin水资源模型和Irrigation农业灌溉模块三个模型模块,构建泗河流域雨洪调控模型,模拟研究流域雨洪资源调控利用情况。

在 MIKE BASIN 开发环境中,模型遵循的最基本的原理是水量平衡,在各个物理元素位置,包括:取水点、供水点、水库、闸坝工程节点等都遵循水量平衡的原理,其水量的进、出和蓄量变化之间是平衡的。各水量成分之间遵循以下方程的平衡关系

W上游+W区间+W回归+W调入+WR1=W生活+W农业+W调出+WR2+W下泄+W库损?（1）

式中,W上游为时段内上游节点来水量(m3);W区间为时段内区间来水量(m3);W回归为时段内回归水量(m3);W调入为时段内调入水量(m3);WR1 为时段初水库蓄水量(m3);W生活为时段内生活用水量(m3);W农业为时段内农业用水量(m3);W调出为时段内调出水量(m3);WR2 为时段末水库蓄水量(m3);W下泄为时段内水库下泄水量(m3);W库损为时段内水库或河道蒸发渗漏损失水量(m3)。

NAM是一个集总式、概念性降雨径流模型,可进行流域内的降水—径流过程模拟,NAM模型为MIKE BASIN模型提供径流过程输入,属于MIKE BASIN模型的前置模块。NAM模型将下垫面情况分为4个不同的储水单元,分别为融雪储水层、地表储水层、根区储水层、地下储水层,NAM模型通过连续计算每个单元储水量,模拟陆地水文循环过程。NAM 模型结构如图2所示。

图2 NAM模型结构示意

降雪进入融雪蓄水层,当达到温度指标时,即有融雪量产生,所生成的融雪径流直接进入地表蓄水层。融雪径流Qmelt为

式中,Csnow为融雪系数(mm·c–1·d–1);Ssnow为储雪量;Cwr为积雪持水系数;WR为积雪含水量。

降水(融雪和降雨)进入地表储水层后,先用于植物蒸发和补充地表储水层蓄水(U),当U超过地表储水层储水能力(Umax)时,模型将剩余水量PN进行下一次水量分配,一部分生成地表径流QOF(Overland Flow),一部分为下渗量,假设QOF与PN成正比,并且随下层相对含水量呈线性变化。QOF公式表示为

QΟF={CQΟFLLmax-ΤΟF1-ΤΟFΡΝ,LLmax>ΤΟF0,LLmax≤ΤΟF（4）

式中,CQOF为地表径流系数(0≤CQOF≤1);L为浅层及根区储水层储水深度;Lmax为浅层及根区储水层储水容量;TOF为地表径流产流阈值(0≤TOF≤1)。

壤中流QIF(Interflow)产生于地表蓄水层。假设它与地表蓄水层蓄水量U成正比,而且随根系带土壤相对含水量呈线性变化,QIF计算公式为

式中,CKIF为壤中流出流时间;TIF为根系带壤中流阈值。

当水分下渗到根系带时,根系带的水分除消耗于植物蒸散发外,还要对浅层或根区储水层储水量进行补给,其余部分对地下水储水层进行补给。其中地下水储水层补给水量G为

G={(ΡΝ-QΟF)LLmax-ΤG1-ΤG,LLmax>ΤG0,LLmax≤ΤG （6）

式中,TG为地下水补给阈值(0≤TG≤1)。进入浅层或根区储水层的下渗水量DL为

DL=(ΡΝ-QΟF)-G （7）

NAM模型中蒸散法计算采用2层模型,E表示地表蓄水层蒸发量,当地表蓄水层蓄水量U大于蒸散发能力EP时,以蒸散发能力EP蒸发。当U小于蒸散发能力EP时,蒸发量先从地表蓄水层扣除,不足部分再从浅层蓄水层蒸发,浅层蓄水层实际蒸发量Ea与剩余蒸散发能力及根系带相对含水量呈正比,计算公式为

E={Ep,U≥EpU+Ea,U<Ep （8）

Ea=(Ep-U)?L/Lmax （9）

对地下蓄水层补给量G、毛管水流CAFLUX,地下水净抽取量GWPUMP以及基流BF进行连续演算,可得地下水位。其中参数 GWPUMP可用每月的净抽取率来计算。基流BF(Base flow)可看成是一个出流时间为CKBF的线性水库的出流,计算公式为

BF={(GWLBF0-GWL)×Sy×(CΚBF)-1,GWL≤GWLBF00,GWL>GWLBF0 （10）

式中,GWLBF0为地下水储水层产流的最大水深;Sy为地下水储水层出水系数。

地下蓄水层水量除生成基流外,还通过毛管作用与浅层蓄水层进水份交换。从地下蓄水层上升到浅层土壤的毛管通量取决于地下水位至地表的距离,并与浅层土壤的相对含水量相关,毛管通量计算公式为

CAFLUX=(1-L/Lmax)1/2(GWLGWLFL1)-a?（11）

式中,a=1.5+0.45GWLFL1;GWLFL1为根系带完全干枯时,毛管水流达到1 mm/d的地下水深。

地表径流和壤中流的出流均用单一的线性水库来模拟,其出流时间分别为CK1和CK2。3种径流成分(地表径流、壤中流及基流)计算完成后,分别进行线性水库汇流计算,叠加至流域出口,即为计算总径流量

ΟF1t=QΟF1t(1-et/CΚ1)+ΟF1t-1e-t/CΚ1 （12）

ΟF2t=QΟF2t(1-et/CΚ1)+ΟF2t-1e-t/CΚ2 （13）

式中,OF1、OF2为两级线性水库中的出流;CK1、CK2为两级水库汇流时间常数。NAM模型中,Umax、Lmax、CQOF、CKIF、TOF、TIF等参数对模型设定较为关键。

Irrigation农业灌溉模块主要功能是根据流域实际灌溉面积、种植结构、气象条件等计算农业灌溉需水量,给MIKE BASIN模块提供农业需水过程,参与流域水资源调控分配。作物需水量即作物腾发量按照世界粮农组织FAO-56计算方法得到。

2.2 模型结构及输入

根据泗河流域河流走向、水库分布、干流拦河闸坝分布情况,基于DEM,利用 MIKE BASIN“河流追踪”和“流域描述”功能,将研究区划分为41个计算分区。在概化后的河流系统上添加水库、取用水、分流、汇流等各类节点,建立流域概化图。泗河流域大中型水库节点共29处,拦河闸坝节点11处,拦河闸坝节点按水库属性进行添加,利于拦河闸坝调节方式的设定。根据各水库和拦河闸坝灌溉面积情况,设置相应的农业用水节点共计37处,城市用水节点3处,兖州回灌用水节点1处。在每个农业用水户和城市用水户设置取水和退水节点和线路。各分区、节点属性按照实际流域、供用水工程情况进行设置。通过以上流域水系的生成、供用水节点和属性的设置概化构建泗河流域来水、供水、退水循环系统。泗河流域水循环体系模拟情况如图3所示。

图3 泗河流域水循环体系概化示意

模型所需输入资料主要包括:流域以上数字地形DEM、水文气象、水利工程、 会经济等资料。其中,研究中数字地形采用50 m DEM数据;水文气象资料包括:降水、蒸发、径流、气象资料。泗河流域内现设有书院水文站、贺庄水库、尼山水库3个水文站,其中书院水文站位于泗河干流中下游,控制流域面积1542 km2,是泗河干流唯一水文站,该站设立于1955年7月,具有连续实测径流资料,模型将重点以此水文站流量系列作为率定、验证、模拟结果分析的参考。降水和蒸发资料采用流域内放城、石莱等12个降水蒸发站资料。气象数据包括相对湿度、最低温度、最高温度、风速、日照等数据,该数据采用中国气象局气象数据中心整理数据产品—中国地面气候资料日值数据集中的兖州国家站数据。

泗河流域雨洪调控概化模型中涉及大型水库1座,中型水库4座,拦河闸坝11座。所需水库及拦河闸坝资料主要包括:水位-面积-库容曲线、特征水位、坝底高程、坝顶高程、最低操作水位、最大和最小下泄量等,以上数据主要通过各市县水利局、水文局水文年鉴获取。用水户方面,以农业为主,其次为城市和生态用水。其中,5座大中型、24座小（1）型水库的有效灌溉面积32.37万亩,11座拦河闸坝有效灌溉面积共17.5万亩;城市供水主要为龙湾套水库、尹城水库、书院橡胶坝,年供水量分别为551万m3、255万m3、365万m3,其他水库及拦河闸坝均无城市用水户;根据泗河河道的地域特点,泗河河道内最小生态环境需水量按现状水利工程条件下多年平均来水量的10%分析估算,兖州地下水回灌工程引水能力15 m3/s,根据泗河来水量相机引水。

2.3 模型率定和验证

采用1981—1985年、1976—1980年两个时间段的气象和水文资料,分别用于模型的率定和验证。模型率定是通过调整模型参数和结构使模型模拟结果和实测资料达到最佳拟合程度。选择率定期逐日气象水文数据、水利工程供用体系数据驱动模型,以书院站模拟径流和实测径流的拟合程度来优选地表最大储水量Umax、Shallow groundwater level等参数和结构。模型性能评价指标选用Nash效率系数E和径流量相对误差ΔR (%),率定期和验证期模拟结果如表1所列。从模型率定和验证期结果看,模型在率定期径流平均相对误差为11.66%,确定性系数平均为0.743 4,确定性系数大于0,模型模拟结果可信;模型在验证期模拟径流平均相对误差为16.87%,确定性系数平均为0.635 9,确定性系数大于0,验证期模拟结果可信。从率定期和验证期模拟结果可看出,建立的泗河流域雨洪调控模型能较好模拟泗河流域水循环过程,模型结构合理,可用于泗河流域雨洪调控模拟研究。率定期和验证期书院站模拟流量过程分别如图4和图5所示。

图4 率定期书院站模拟流量过程

图5 验证期书院站模拟流量过程

3 流域雨洪调控模拟研究

利用建立的泗河流域雨洪调控模型模拟不同调控利用方案下的雨洪利用情况,包括流域出口弃水量、串联闸坝满蓄时间、外调水量等,评价不同调控利用方式下雨洪资源利用情况,以指导流域雨洪的调控利用。考虑资料的完备性,不同调控利用情景统一采用1976—1985年15 a的逐日气象水文资料（表1）进行驱动模拟研究。

表1 率定期和验证期模拟结果统计对比

注:表中年均雨量和年径流量实测值均来自于淮河流域水文年鉴

3.1 常规调控利用情景

3.1.1 常规调度方式

流域中水库按照现状调控方式,汛期按汛限水位运行。泗河干流串联闸坝非汛期按正常蓄水位运行,汛期6月至9月半坝或控制闸门开度,按正常蓄水位的一半低水位运行,当流域有降水时则完全塌坝或开闸运行。

水库和闸坝农业用水根据各水库和闸坝灌溉面积、灌溉期需水量、水库和闸坝蓄水情况引水。灌溉优先利用地表水,不满足部分的50%利用地下水,采用非充分灌溉方式进行设置。城市供水主要为龙湾套水库、尹城水库、书院橡胶坝,年供水量分别为551 m3、255 m3、365万m3,按均匀供水方式进行。

兖州地下水回灌工程引水能力15 m3/s,根据泗河来水量汛期相机引水。非汛期当泗河龙湾店断面大于断面生态流量,且兖州地区无雨或小雨时在保证泗河干流生态流量基础上按引水能力(≤15 m3/s)引水;汛期泗河无洪水时半坝蓄水,当龙湾店闸断面大于断面生态流量,且兖州地区无雨或小雨时,在保证泗河干流生态流量基础上按引水能力(≤5 m3/s)引水;汛期泗河洪水期间闸门全开泄洪,当龙湾店闸断面大于990 m3/s,且兖州地区无雨或小雨时按引水能力15 m3/s引水。

3.1.2 模拟结果

用1976—1985年历年逐日气象水文数据驱动模型,现状水利工程常规调控方案下,书院站和流域出口模拟径流量分别为22 943.2万m3和33 298.8万m3,书院站和流域出口历年逐日模拟流量过程如图6所示,从图中可看出模拟流量随流域降水的多少呈现相应变动,流域出口流量过程线在书院站流量过程线上波动,符合流域水文客观规律。

图6 书院站和流域出口历年逐日模拟流量过程

根据泗河干流各闸坝断面模拟流量和闸坝操控方式,经统计,模拟15 a系列期间泗河干流各闸坝断面断流平均天数为417 d,占总天数的8%,干流各闸坝满蓄运行时间平均为3 295 d,占总天数的60%。泗河干流串联闸坝断面断流天数及满蓄时间如表2所列。

表2 泗河干流闸坝断面断流天数及闸坝满蓄时间

根据泗河干流龙湾店闸断面流量和兖州引泗时机,经模拟计算,多年平均兖州引泗水量为5 854.3万m3。兖州引泗回灌历年逐日引水过程如图7所示。

图7 兖州引泗回灌渠首模拟历年逐日引水过程

3.2 复合调控利用情景

3.2.1 调控利用方式

流域大中型水库基于3日降水预 和实时洪水预 在现状汛限水位的基础上,实时动态调控,汛期水位在保证下游安全的情况下,按不高于正常蓄水位控制小(1)型水库根据水库水位、流域以上实时降水量、下游安全泄量调控水库闸门,使汛期水库水位保持在现状汛限水位,水位高于汛限水位,则弃水泄洪,将水位降至汛限水位运行。小(2)型水库和塘坝兴利库容分配到小(1)型水库考虑。

泗河干流串联闸坝基于3日降水预 和实时洪水预 实行分级调控,非汛期按正常蓄水位运行;汛期6月至9月预 3日内流域内具有中雨以下量级降水时,串联闸坝按正常蓄水位运行,否则按半坝低水位运行;在半坝运行的情况下,经上游调蓄,当Q预 ≤50 m3/s,改变限蓄运行方式,闸坝满蓄运行,当Q预 >50 m3/s,闸坝由限蓄运行变为完全塌坝或闸门全开运行,后期根据滚动降水和实时洪水预 情况,果断拦蓄退洪尾水。

水库和闸坝农业用水根据各水库和闸坝灌溉面积、灌溉期需水量、水库和闸坝蓄水情况引水,优先利用地表水,不满足部分的50%利用地下水,采用非充分灌溉方式进行设置。城市供水主要为龙湾套水库、尹城水库、书院橡胶坝,年供水量分别为551万m3、255万m3、365万m3,按均匀供水方式进行。

兖州地下水回灌工程引水能力15 m3/s,根据泗河来水量汛期相机引水。非汛期当泗河龙湾店断面大于断面生态流量,且兖州地区无雨或小雨时,在保证泗河干流生态流量基础上按引水能力(≤15 m3/s)引水;汛期泗河3日内预 有中雨以下降水时,仍然按正常蓄水水位蓄水,此时,当泗河龙湾店断面大于生态流量,且兖州地区无雨或小雨时,在保证泗河干流生态流量基础上按引水能力(≤15 m3/s)引水;汛期基于3日降水预 龙湾店闸降低水位运行情况下,当龙湾店闸断面大于断面生态流量,且兖州地区无雨或小雨时,在保证泗河干流生态流量基础上按引水能力(≤5 m3/s)引水;根据实时洪水预 ,当泗河干流流量大于50 m3/s时,龙湾店闸全开泄洪,此时当龙湾店闸断面大于990 m3/s,且兖州地区无雨或小雨时按引水能力15 m3/s引水。

3.2.2 模拟结果

用1971—1985年历年逐日气象水文数据驱动模型,现状水利工程群复合调控方案下,书院站模拟年均径流量为22 962.7万m3,和现状水利工程群常规调控方案下模拟年均径流量变化不大,主要是为保证河道生态流量增加了上游拦蓄工程的下泄水量。

从模拟结果看,经复合调控,流量过程更趋于均匀,15 a间23次洪峰的平均消峰比例为12.6%,非汛期流量相对常规调控方式下流量增加6.9%,泗河干流各闸坝断面15 a间断流天数为0,比现状常规调控方式下断流天数减少417 d,各闸坝满蓄时间为5 279 d,占总天数的96%,比现状常规调控方式下满蓄时间增加36%,明显改善了河道水生态环境。现状水利工程复合调控模式下书院站消峰情况、非汛期平均日流量变化、泗河干流闸坝断面断流天数及闸坝满蓄时间分别如表3、表4和表5所列。

表3 现状水利工程复合调控模式下消峰情况统计

表4 现状水利工程复合调控模式下非汛期平均日流量变化统计

表5 泗河干流闸坝断面断流天数及闸坝满蓄时间

根据模拟计算结果,复合调控情景下流域出口断面年均径流量为30 837.9万m3,比常规调控模式出口雨洪弃水减少7.4%,流域雨洪蓄渗利用量年均增加2 460.9万m3,且流量更趋于均匀,河道生态得到明显改善。现状调控情景和复合调控情景下流域出口断面模拟流量过程如图8所示。经模拟计算,现状水利工程复合调控情景下兖州引泗年均水量为7 850.5万m3,比常规调控利用方式增加1 996.3万m3,引泗回灌效益明显。现状和复合调控情景下兖州历年逐日引泗流量过程如图9所示。

图8 现状和复合调控情景下流域出口断面模拟流量过程

图9 现状和复合调控情景下兖州引泗流量模拟过程

4 结 论

(2)基于流域点、线、面水利要素,利用模拟模型进行泗河流域雨洪水协同复合调控研究表明,复合调控情景下流域出口断面年均径流量为30 837.9万m3,比常规调控模式出口雨洪弃水减少7.4%,流域雨洪蓄渗利用量年均增加2 460.9万m3,相当于一个中型水库的水资源开发利用效益。

(3)协同复合调控情景下流域出口径流虽然减少,但流量更趋于均匀,15 a间23次洪峰的平均消峰比例为12.6%,非汛期流量相对常规调控方式下流量增加6.9%,泗河干流各闸坝断面15 a间断流天数为0,比现状常规调控方式下断流天数减少417 d,各闸坝满蓄时间为5 279 d,占总天数的96%,比现状常规调控方式下满蓄时间增加36%,河道生态得到明显改善。兖州引泗年均水量比常规调控利用方式增加1 996.3万m3,引泗回灌效益明显。流域协同复合调控能充分发挥“点”的调控、“线”的槽蓄引调、“面”的滞蓄蓄渗作用,能有效促进雨洪资源的挖潜利用,改善河流水生态,是提高雨洪资源利用量的重要方向。

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水利水电技术

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