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摘 要：平原地区闸站等水利工程在防洪除涝中起着重要作用，合理的调度可有效减轻洪水灾害。基于2020年巢湖洪水事件，采用河网一维非恒定流模型，结合实测水情研究了牛屯河分洪闸——铜城闸调度对巢湖洪水外排能力的影响。结果表明，铜城闸分洪使巢湖闸泄洪量增加分洪量的33-50%，但使洪水通过裕溪闸下泄的流量减少了分洪量的50-67%。河网区水量分配关系复杂，单一闸站的调度可改变整个河网区的水量格局，实际调度中，河网水利工程调度应结合实际水情工情，科学研判。
关键词：洪水;调度;数值模型;闸坝;巢湖
水工建筑物是调控自然河湖水流、防治水旱灾害的重要工程措施。我国水利工程大规模建设在除害兴利方面发挥了重要作用[1]。巢湖为我国第五大淡水湖泊，流域河流集中汇水于巢湖，通过巢湖闸控制下泄裕溪河外排长江。巢湖流域属长江中下游防洪保护区巢湖闸上流域面积共9186 km2，涉及合肥市、巢湖市、湖区的一般城镇及保护耕地2 000 hm2以上的大圩[2]。巢湖闸下裕溪河水系是汛期高水位时巢湖洪水唯一外排通道，汛期洪水经过巢湖闸利用自然水位落差外排，防洪除涝压力巨大[3-5]。裕溪河自蟹子口分成两支，一支为裕溪河主河道，洪水经裕溪闸自排入江，另一支为牛屯河（蟹子口至铜城闸段亦名后河），洪水经新桥闸自排入江，两支在中下游经三汊河再次沟通（图1）。牛屯河在铜城老街处建有一闸分流裕溪河水流至牛屯河口，该闸即为铜城闸，承担着分泄巢湖洪水的任务。
巢湖经由裕溪河、牛屯河外排洪水的通道相互连通，形成典型的环状河网结构。该系统内河网水流互为顶托，相互作用，水流流态不稳，铜城闸等闸门的开启以及裕溪河和牛屯河河口长江水位波动变化等都会改变环形河网内部水量的分配格局，影响巢湖洪水总体外排能力[3，4]。基于非恒定流控制方程的河网水动力模型精确可靠，是模拟分析河网区复杂洪水演进过程的主要方法，被广泛应用[6-9]。
目前，牛屯河分洪如何影响裕溪河的排洪进而影响巢湖闸下泄流量的过程尚不明确。尚不能确定如何调度以充分发挥其工程效益。为此，本文采用水动力方法分析计算了铜城闸泄流对巢湖闸下泄流量，亦即巢湖洪水出湖洪量的影响。该成果对指导巢湖洪水快速外排入江有重要的指导意义。
一、研究区域
銅城闸是巢湖流域防洪工程中的重要组成部分。铜城闸位于含山县铜闸镇后河、三汊河、牛屯河交汇处，为巢湖流域牛屯河分洪道进水闸，汛期当长江水位低于巢湖洪水位时，铜城闸开闸泄洪，并具有防洪、蓄水功能，是巢湖流域重要的建筑物工程。
铜城闸始建于1990年，2017年7月至2019年10月重建，重建后铜城闸设计排洪标准为20年一遇，设计排洪流量采用1000m3/s，相应闸上水位12.0m、闸下水位11.9m;共11孔、每孔净宽8.0m，闸底槛高程3.4 m，底板顺水流向长18.0m。工作闸门为露顶式平面定轮钢闸门，配套QP-2×400kN-12.0m卷扬式启闭机。铜城闸工程控制运用办法，主要依据《巢湖防汛抗旱调度暂行规定》（省防指〔2012〕41号文），并根据铜城闸设计运行参数制订。
二、研究方法
（一）裕溪河-牛屯河河网水动力模型
铜城闸对巢湖洪水外排影响采用水动力数值模型方法定量模拟分析。研究建立了基于河网一维非恒定水流控制方程组的裕溪河-牛屯河水动力模型[8]。模型主要控制方程为：
式中：Z为水位，m;Q为流量，m3/s;K为流量模数;m3/s;q为单位河长旁侧入流，m3/s;A为主槽过水断面面积，m2;a为动量校正系数;g为重力加速度，m/s2;x为沿水流方向距离，m;t为时间，s;B为河道宽度，m。
模型模拟范围包括裕溪河及其支流清溪河入河段、漕河、黄陈河、后河、三汊河以及牛屯河。概化了巢湖闸、裕溪闸、铜城闸、新桥闸和黄雒闸五个主要控制闸。
图1 裕溪河-牛屯河水动力模型范围以及河网拓扑
模型上游边界为巢湖闸，下游边界为裕溪闸和新桥闸。西河考虑黄雒闸的控制。清溪河取汤河入河口处以下段、漕河取漕河桥以下段，黄陈河取长丰桥入河段。
（二）计算方案
裕溪河-牛屯河的排洪受巢湖与长江水位双重制约。长江顶托裕溪河和牛屯河洪水下泄。巢湖闸上游水位与长江水位的落差是决定了裕溪河及牛屯河排水能力的大小。同时，受河网串联影响，铜城闸成为了改变裕溪河和牛屯河下泄水量格局的重要因素。
为了分析铜城闸分洪对巢湖闸下泄量的影响。考虑不同的巢湖水位条件以及长江水位条件的组合，模拟计算这些情景条件下的巢湖闸随铜城闸分洪量的变化，得出铜城闸分洪对裕溪河水量分配关系的影响以及与巢湖闸、裕溪闸的泄流量关系。设计情景方案时，巢湖水位以巢湖闸7-8月洪水水位为参照，从11.0m至13.4m设置不同量级的水位。长江水位以7月23日至8月20日的平均水位为基础，两两组合，考虑铜城闸不同等级分洪量对巢湖闸和裕溪闸下泄水量的影响。（见表1）
三、结果分析
（一）铜城闸分洪对巢湖闸泄流影响
根据情景模拟结果，统计了在不同的巢湖水位和新桥闸与裕溪闸组合条件下铜城闸的不同分洪量级与巢湖闸增泄量的定量关系（图2）。可以看出，随着铜城闸分洪量的增加，巢湖水体被带动下泄，巢湖闸泄流能力会随之增加。巢湖闸的增泄量与当时的巢湖水位以及长江水位有关。一般地，巢湖闸增泄量小于铜城闸分洪量的1/2。在铜城闸分洪量小于100m3/s的较小流量条件下，巢湖闸增泄量接近铜城闸分洪量的40-50%。但是随着铜城闸分洪量的增加，受河道行洪能力及水量分配格局变化等制约，铜城闸分洪量带动巢湖闸增泄的效率逐步减小。在铜城闸分洪量大于500m3/s的大流量条件下，巢湖闸增泄流量约在33%以下。在给定铜城闸分洪量的前提下，巢湖水位越低，巢湖闸增泄量越小;长江水位越低，巢湖闸的增泄量越小。 （二）铜城闸分洪对裕溪闸影响
综合不同方案组的情景模拟成果（表2），我们统计了在不同的巢湖水位和新橋闸与裕溪闸组合条件下铜城闸的不同分洪量级与裕溪闸增泄量的定量关系，绘于图3。可以清晰地看出，随着铜城闸分洪量的增加，裕溪闸泄流量随之减少。裕溪闸泄流量减少与当时的巢湖水位以及长江水位有关。一般地，裕溪闸减泄量高于铜城闸分洪量的1/2。在铜城闸分洪量小于100m3/s的较小流量条件下，裕溪闸减泄量接近铜城闸分洪量的50-60%。但是随着铜城闸分洪量的增加，其对裕溪闸减泄量的影响愈加明显。在铜城闸分洪量大于500m3/s的大流量条件下，裕溪闸减泄流量约为铜城闸分洪量的67%以上。总体来看，在给定铜城闸分洪量的前提下，巢湖水位越低，裕溪闸减泄量越小;长江水位越低，裕溪闸的减泄量越小。
（三）计算成果合理性复核验证
为了进一步核验铜城闸对裕溪河-牛屯河水量格局的影响分析成果。我们先以2020年8月19日铜城闸不同开度条件下流量测验数据来核验计算成果的合理性。2020年月19日，巢湖研究院向相关部门申请调度铜城闸的开启度，评估铜城闸开启对巢湖泄流的影响，获取了当时水情条件下铜城闸不同泄流量对裕溪河-牛屯河水量影响的第一手资料。实测表明，当铜城闸开启度从11孔全开（提出水面）降至开度为1.0m，铜城闸泄流量从452m3/s降至189m3/s。相应地，巢湖闸流量从995m3/s降至905m3/s。三汊河流量从-10m3/s提高到274m3/s。
以巢湖水位Z=11.6m和11.4m组合下游新桥闸和裕溪闸下当日平均水位的计算方案进行对比（表5），可以发现计算成果与实测接近，模拟得到的铜城闸分洪的增加量可使巢湖闸下泄流量增加其增加量值的29-30%，实测的为34%。说明模型模拟结果能合理地反映裕溪河各关键节点和支流的分流关系，且可合理反映铜城闸泄流对巢湖闸及裕溪闸泄流的影响。
四、结论
本文研究明确了铜城闸分洪量对裕溪河-牛屯河水量分配格局的影响。由于牛屯河和裕溪河构成了较为复杂的河网，水量分配格局较为复杂。研究基于动力关系模型揭示了巢湖排洪关键节点铜城闸分洪量对裕溪河-牛屯河重要断面流量的影响。结果表明，铜城闸分洪可带动巢湖洪水下泄，增加巢湖闸泄流量，但同时也不可避免地使裕溪闸泄流下降。一般地，铜城闸分洪在小流量（<100m3/s）情况下可使巢湖闸泄量增加分洪量的40-50%，裕溪闸减泄量为其50-60%。在大流量（>500m3/s）条件下，巢湖闸增泄流量约为分洪量的33%以内，裕溪闸的减泄量约为其67%以上。在给定铜城闸分洪量的前提下，巢湖水位越低，长江水位越低，巢湖闸增泄量和裕溪闸减泄量就越小。
研究结果表明，河网区水量分配关系复杂，单一闸站的调度可改变整个河网区的水量格局。在利用现有水利工程设施开展调度时，应充分做好科学分析计算，实现科学精准调度。
参考文献：
[1]张永勇， 夏军， 翟晓燕. 闸坝的水文水环境效应及其量化方法探讨 [J]. 地理科学进展， 2013， 32（01）： 105-113.
[2]卢程伟，刘佳明，徐兴亚.2020年巢湖流域防洪存在的问题及其对策探讨[J].人民长江，2020，51（12）：155-159.
[3]王永昌.巢湖流域防洪规划简介[J].人民长江，2000（01）：35-37.
[4]王荣喜，徐维国，陈祥.2020年安徽省长江流域防汛抗洪回顾与启示[J].人民长江，2020，51（12）：52-55.
[5]万能胜，齐鹏云.巢湖流域2020年特大洪涝灾害应对实践与思考[J].中国防汛抗旱，2021，31（04）：37-41.
[6]朱德军， 陈永灿， 王智勇， 刘昭伟. 复杂河网水动力数值模型 [J]. 水科学进展， 2011， 22（02）： 203-207.
[7]汪德爟. 计算水力学理论及应用 [M]. 南京：河海大学出版社， 1989.
[8]赖锡军， 姜加虎， 黄群. 漫滩河道洪水演算的水动力学模型 [J]. 水利水运工程学报， 2005， （04）： 29-35.
[9]刘芹， 方国华， 孙洪滨， 吴学文， 陈策. 环状河网堰闸过流追赶系数计算方法研究 [J]. 水动力学研究与进展A辑， 2015， 30（05）： 571-579.
关键词：洪水;调度;数值模型;闸坝;巢湖
水工建筑物是调控自然河湖水流、防治水旱灾害的重要工程措施。我国水利工程大规模建设在除害兴利方面发挥了重要作用[1]。巢湖为我国第五大淡水湖泊，流域河流集中汇水于巢湖，通过巢湖闸控制下泄裕溪河外排长江。巢湖流域属长江中下游防洪保护区巢湖闸上流域面积共9186 km2，涉及合肥市、巢湖市、湖区的一般城镇及保护耕地2 000 hm2以上的大圩[2]。巢湖闸下裕溪河水系是汛期高水位时巢湖洪水唯一外排通道，汛期洪水经过巢湖闸利用自然水位落差外排，防洪除涝压力巨大[3-5]。裕溪河自蟹子口分成两支，一支为裕溪河主河道，洪水经裕溪闸自排入江，另一支为牛屯河（蟹子口至铜城闸段亦名后河），洪水经新桥闸自排入江，两支在中下游经三汊河再次沟通（图1）。牛屯河在铜城老街处建有一闸分流裕溪河水流至牛屯河口，该闸即为铜城闸，承担着分泄巢湖洪水的任务。
巢湖经由裕溪河、牛屯河外排洪水的通道相互连通，形成典型的环状河网结构。该系统内河网水流互为顶托，相互作用，水流流态不稳，铜城闸等闸门的开启以及裕溪河和牛屯河河口长江水位波动变化等都会改变环形河网内部水量的分配格局，影响巢湖洪水总体外排能力[3，4]。基于非恒定流控制方程的河网水动力模型精确可靠，是模拟分析河网区复杂洪水演进过程的主要方法，被广泛应用[6-9]。
目前，牛屯河分洪如何影响裕溪河的排洪进而影响巢湖闸下泄流量的过程尚不明确。尚不能确定如何调度以充分发挥其工程效益。为此，本文采用水动力方法分析计算了铜城闸泄流对巢湖闸下泄流量，亦即巢湖洪水出湖洪量的影响。该成果对指导巢湖洪水快速外排入江有重要的指导意义。
一、研究区域
銅城闸是巢湖流域防洪工程中的重要组成部分。铜城闸位于含山县铜闸镇后河、三汊河、牛屯河交汇处，为巢湖流域牛屯河分洪道进水闸，汛期当长江水位低于巢湖洪水位时，铜城闸开闸泄洪，并具有防洪、蓄水功能，是巢湖流域重要的建筑物工程。
铜城闸始建于1990年，2017年7月至2019年10月重建，重建后铜城闸设计排洪标准为20年一遇，设计排洪流量采用1000m3/s，相应闸上水位12.0m、闸下水位11.9m;共11孔、每孔净宽8.0m，闸底槛高程3.4 m，底板顺水流向长18.0m。工作闸门为露顶式平面定轮钢闸门，配套QP-2×400kN-12.0m卷扬式启闭机。铜城闸工程控制运用办法，主要依据《巢湖防汛抗旱调度暂行规定》（省防指〔2012〕41号文），并根据铜城闸设计运行参数制订。
二、研究方法
（一）裕溪河-牛屯河河网水动力模型
铜城闸对巢湖洪水外排影响采用水动力数值模型方法定量模拟分析。研究建立了基于河网一维非恒定水流控制方程组的裕溪河-牛屯河水动力模型[8]。模型主要控制方程为：
式中：Z为水位，m;Q为流量，m3/s;K为流量模数;m3/s;q为单位河长旁侧入流，m3/s;A为主槽过水断面面积，m2;a为动量校正系数;g为重力加速度，m/s2;x为沿水流方向距离，m;t为时间，s;B为河道宽度，m。
模型模拟范围包括裕溪河及其支流清溪河入河段、漕河、黄陈河、后河、三汊河以及牛屯河。概化了巢湖闸、裕溪闸、铜城闸、新桥闸和黄雒闸五个主要控制闸。
图1 裕溪河-牛屯河水动力模型范围以及河网拓扑
模型上游边界为巢湖闸，下游边界为裕溪闸和新桥闸。西河考虑黄雒闸的控制。清溪河取汤河入河口处以下段、漕河取漕河桥以下段，黄陈河取长丰桥入河段。
（二）计算方案
裕溪河-牛屯河的排洪受巢湖与长江水位双重制约。长江顶托裕溪河和牛屯河洪水下泄。巢湖闸上游水位与长江水位的落差是决定了裕溪河及牛屯河排水能力的大小。同时，受河网串联影响，铜城闸成为了改变裕溪河和牛屯河下泄水量格局的重要因素。
为了分析铜城闸分洪对巢湖闸下泄量的影响。考虑不同的巢湖水位条件以及长江水位条件的组合，模拟计算这些情景条件下的巢湖闸随铜城闸分洪量的变化，得出铜城闸分洪对裕溪河水量分配关系的影响以及与巢湖闸、裕溪闸的泄流量关系。设计情景方案时，巢湖水位以巢湖闸7-8月洪水水位为参照，从11.0m至13.4m设置不同量级的水位。长江水位以7月23日至8月20日的平均水位为基础，两两组合，考虑铜城闸不同等级分洪量对巢湖闸和裕溪闸下泄水量的影响。（见表1）
三、结果分析
（一）铜城闸分洪对巢湖闸泄流影响
根据情景模拟结果，统计了在不同的巢湖水位和新桥闸与裕溪闸组合条件下铜城闸的不同分洪量级与巢湖闸增泄量的定量关系（图2）。可以看出，随着铜城闸分洪量的增加，巢湖水体被带动下泄，巢湖闸泄流能力会随之增加。巢湖闸的增泄量与当时的巢湖水位以及长江水位有关。一般地，巢湖闸增泄量小于铜城闸分洪量的1/2。在铜城闸分洪量小于100m3/s的较小流量条件下，巢湖闸增泄量接近铜城闸分洪量的40-50%。但是随着铜城闸分洪量的增加，受河道行洪能力及水量分配格局变化等制约，铜城闸分洪量带动巢湖闸增泄的效率逐步减小。在铜城闸分洪量大于500m3/s的大流量条件下，巢湖闸增泄流量约在33%以下。在给定铜城闸分洪量的前提下，巢湖水位越低，巢湖闸增泄量越小;长江水位越低，巢湖闸的增泄量越小。 （二）铜城闸分洪对裕溪闸影响
综合不同方案组的情景模拟成果（表2），我们统计了在不同的巢湖水位和新橋闸与裕溪闸组合条件下铜城闸的不同分洪量级与裕溪闸增泄量的定量关系，绘于图3。可以清晰地看出，随着铜城闸分洪量的增加，裕溪闸泄流量随之减少。裕溪闸泄流量减少与当时的巢湖水位以及长江水位有关。一般地，裕溪闸减泄量高于铜城闸分洪量的1/2。在铜城闸分洪量小于100m3/s的较小流量条件下，裕溪闸减泄量接近铜城闸分洪量的50-60%。但是随着铜城闸分洪量的增加，其对裕溪闸减泄量的影响愈加明显。在铜城闸分洪量大于500m3/s的大流量条件下，裕溪闸减泄流量约为铜城闸分洪量的67%以上。总体来看，在给定铜城闸分洪量的前提下，巢湖水位越低，裕溪闸减泄量越小;长江水位越低，裕溪闸的减泄量越小。
（三）计算成果合理性复核验证
为了进一步核验铜城闸对裕溪河-牛屯河水量格局的影响分析成果。我们先以2020年8月19日铜城闸不同开度条件下流量测验数据来核验计算成果的合理性。2020年月19日，巢湖研究院向相关部门申请调度铜城闸的开启度，评估铜城闸开启对巢湖泄流的影响，获取了当时水情条件下铜城闸不同泄流量对裕溪河-牛屯河水量影响的第一手资料。实测表明，当铜城闸开启度从11孔全开（提出水面）降至开度为1.0m，铜城闸泄流量从452m3/s降至189m3/s。相应地，巢湖闸流量从995m3/s降至905m3/s。三汊河流量从-10m3/s提高到274m3/s。
以巢湖水位Z=11.6m和11.4m组合下游新桥闸和裕溪闸下当日平均水位的计算方案进行对比（表5），可以发现计算成果与实测接近，模拟得到的铜城闸分洪的增加量可使巢湖闸下泄流量增加其增加量值的29-30%，实测的为34%。说明模型模拟结果能合理地反映裕溪河各关键节点和支流的分流关系，且可合理反映铜城闸泄流对巢湖闸及裕溪闸泄流的影响。
四、结论
本文研究明确了铜城闸分洪量对裕溪河-牛屯河水量分配格局的影响。由于牛屯河和裕溪河构成了较为复杂的河网，水量分配格局较为复杂。研究基于动力关系模型揭示了巢湖排洪关键节点铜城闸分洪量对裕溪河-牛屯河重要断面流量的影响。结果表明，铜城闸分洪可带动巢湖洪水下泄，增加巢湖闸泄流量，但同时也不可避免地使裕溪闸泄流下降。一般地，铜城闸分洪在小流量（<100m3/s）情况下可使巢湖闸泄量增加分洪量的40-50%，裕溪闸减泄量为其50-60%。在大流量（>500m3/s）条件下，巢湖闸增泄流量约为分洪量的33%以内，裕溪闸的减泄量约为其67%以上。在给定铜城闸分洪量的前提下，巢湖水位越低，长江水位越低，巢湖闸增泄量和裕溪闸减泄量就越小。
研究结果表明，河网区水量分配关系复杂，单一闸站的调度可改变整个河网区的水量格局。在利用现有水利工程设施开展调度时，应充分做好科学分析计算，实现科学精准调度。
参考文献：
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