潮白新河黄白桥闸汛期控制水位分析确定.pdf

2023年7月收稿日期：20220805作者简介：于福民（1965），男，高级工程师，主要从事水文情报预报工作。DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2023.07.019潮白新河黄白桥闸汛期控制水位分析确定于福民，张强（天津水文水资源管理中心，天津300074）摘要：潮白新河黄白桥闸承担河道行洪和蓄水灌溉任务，汛期河道蓄水与行洪矛盾十分突出。主汛期到来前如何控制闸上蓄水水位，保障沿岸农业灌溉蓄水，同时保证上游洪水安全下泄成为洪水预报调度难题。为此，利用典型历史洪水资料分析该闸的现状过水能力，建立上下游水位（或流量）经验相关预测方案，采用试算法分析确定汛前该闸的控制水位，给天津市防汛部门科学调度提供参考依据。关键词：黄白桥闸；拦蓄水库；汛期控制水位；预报调度中图分类号：TV122+.5；TV66文献标识码：A文章编号：1004-7328（2023）07-0074-031概况潮白新河黄白桥闸坐落在天津市宝坻区境内，是潮白新河中段的河道节制闸，设计流量2 100 m3/s，承泄上游潮白河、青龙湾减河、引泃入潮的来水以及沿岸涝水。作为平原区河道拦蓄水库，它还担负着拦蓄洪水保证宝坻灌区农业供水的任务。潮白新河吴村闸以下河道经 1972 年调直、扩宽，至河口宁车沽防潮闸与永定新河汇合，河道主要功能为宣泄潮白河洪水入海。潮白新河左岸纳引泃入潮分泄泃河洪水，右岸又纳青龙湾减河分泄北运河至黄白桥闸上洪水。潮白新河左岸建白毛庄分洪闸，超标洪水向黄庄洼分洪。引泃入潮来水量由泃河三河水文站控制，青龙湾减河由土门楼泄洪闸节制，右岸建有狼窝分洪闸，达到分洪水位8.10 m（大沽高程，下同）时向大黄铺洼分洪1，2。2黄白桥闸汛期控制水位潮白新河黄白桥闸汛期以河道行洪为主，非汛期以控泄拦蓄为主，以满足农业蓄水、环境用水的需要，其上游来水量年季变化较大。汛前期，黄白桥闸闸上水位如果过高，一旦上游地区突发暴雨，那么会造成较大洪水过程入境，该闸闸上河段蓄水较多或提闸宣泄不及时极可能造成天津市河段堤防出现险情，对洪水安全下泄十分不利。但是，汛前大幅度降低河道水位，削减河段蓄水量又会造成水资源无法充分利用，由于该河段在防汛和蓄水功能上的重叠，致使汛前期河道泄洪和拦蓄二者矛盾十分突出。为此，本文充分利用历史洪水资料分析黄白桥闸现状泄洪能力，建立上下游洪峰流量经验相关关系，采用试算法综合分析确定汛期黄白桥闸的蓄水控制水位，为天津市防汛部门科学有效调度提供技术支撑。2.1潮白新河历史洪水20世纪70年代潮白新河、青龙湾减河治理后出现的中小洪水近10场，较大洪水过程主要有1984、1994、2012年等3。1984年 8月 812日，海河流域北三河局部地区降暴雨，8月11日2时北运河土门楼枢纽流量达到850 m3/s，其中向青龙湾减河分泄710 m3/s，11日6时44分狼窝分洪闸上水位达到8.92 m，狼窝分洪闸2孔开启0.5 m，向大黄铺洼分泄洪水498 m3/s。造成狼窝分洪闸上高水位的原因是青龙湾减河下段淤积及青龙湾减河沿途排沥，潮白新河黄白桥闸提闸不及时导致下段行洪不畅等。1994年 7月 13日北三河中部平原地区降强降雨，潮白河、青龙湾减河、引泃入潮组合流量达到2 500 m3/s左右，青龙湾减河土门楼闸出现1 060 m3/s洪峰流量，狼窝分洪闸上最高水位达到8.52 m，狼窝分洪闸以下河道强迫行洪，黄白桥闸上最高水位达到 6.28 m，洪峰流量 1 700 m3/s，河道洪峰衰减系数0.7左右4，5。洪水到来前，潮白新河、青龙湾减河河道干枯（只有少量底水），为洪水安全下泄提供了基本保障，但是由于下游河口受到潮汐影响，行洪期间洪水在河道滞留时间较长，黄白桥闸高水位过程近7 d，如果上游后续再有洪水过程，防洪形势将更加严峻。2012年7月21日北运河局部降暴水，潮白新河海河水利742023.No.7出现了1994年之后的较大洪水过程5。潮白新河、青龙湾减河等上游组合洪峰流量1 880 m3/s，黄白桥闸洪峰流量 1 170 m3/s，由于本次洪水过程峰高量小，加之黄白桥闸来水前低水位运行，并及时提开闸门迎洪，潮白新河黄白桥闸洪水历时近5 d，河道洪峰衰减系数0.6左右。本次过程以青龙湾减河来水为主，潮白新河（含引泃入潮）来水相对比较平稳，青龙湾减河土门楼闸洪峰1 080 m3/s，导致青龙湾减河高水位行洪，狼窝分洪闸上最高水位达到8.16 m，土门楼闸至狼窝分洪闸洪峰水位传播时间约为10 h，土门楼闸至黄白桥闸洪峰传播时间约为22 h，与历史洪水的传播时间比较吻合。狼窝分洪闸上水位在涨水期间，下游黄白桥闸的同时水位比较低，狼窝分洪闸上至黄白桥闸河段的附加比降为正，且大于退水期间的附加比降，表明本次洪水过程中狼窝分洪闸上的高水位主要是由上游来水量级较大和下段河道淤积阻水造成的，与下游黄白桥闸的水位顶托关系不大。青龙湾减河现状行洪能力是狼窝分洪闸以上段大于狼窝分洪闸以下段，潮白新河黄白桥闸泄洪比较顺畅，狼窝分洪闸以下河道的过水能力偏低，是导致狼窝分洪闸上出现最高水位8.16 m的重要原因之一。历史上，1984、1994、2012年的3次洪水过程共同点是行洪前河道都是低水位，1984年洪水上游来水量级小于1994和2012年，但是由于青龙湾减河下段河道淤积和黄白桥闸提闸泄水时间相对滞后，造成狼窝分洪闸上出现8.92 m的洪水位，启用了大黄铺洼分洪。2012年洪水与1994年洪水比较，反映出过境洪水过程坦化加剧，黄白桥闸的过水能力有所减少。2.2黄白桥闸洪水预报上游潮白新河来水加上左岸引泃入潮来水，几乎与潮白新河平行的青龙湾减河来水在黄白桥闸右岸汇入，通过黄白桥闸流向下游。为了解决该河段汛期行洪期洪水预报调度问题，天津水文根据历史洪水资料，选取历年黄白桥闸提闸畅流期的洪水资料，建立了上游入境控制站吴村闸、土门楼（青）、三河站的洪峰合成流量至黄白桥洪峰流量经验相关线（洪水传播时间为1824 h，2000年），如图1所示。由图1可以看出，受该河段淤积、改道、闸体维修改建以及人为调度等客观因素影响，潮白新河历年行洪过程情况十分复杂，次洪水的代表性、一致性受到严重干扰，洪峰流量相关性一般，只能进行简单的经验预报预测。2014年，天津水文利用分段马斯京根法对该河段的洪水过程进行参数率定，由于历史洪水资料缺乏和实际洪水过程较为复杂，率定成果不理想。上述2种方法在近年的洪水预报作业中得到应用，解决了河道行洪能力以下的小洪水的洪水预报预测的实际问题，但是方案比较粗糙，可靠性和适用性较差。2.3黄白桥闸现状泄洪能力分析采用典型年历史洪水资料，分析黄白桥闸泄洪能力和该河段的洪水特性。为了尽可能地分析现状行洪能力，为此选取最近发生的2012年7月洪水过程作为典型年洪水。利用实测洪水过程点绘行洪期（闸门全开、淹没或自由出流）的闸上水位流量关系线，分析该闸在涨水阶段、落水阶段不同水位下的现状出流能力。本次洪水起涨水位约为3.0 m，水位流量关系呈逆时针绳套，即先出现最大流量后出现最高水位，涨水阶段泄流充分，最大流量达到1 170 m3/s，然后出现长时间的高水后退水，退水阶段下泄流量变幅较大，呈现“S”形变化趋势，与下游防潮闸受潮汐影响启闭有关。对涨水、退水阶段的水位流量相关性进行了趋势线模拟，采用线性趋势性代表现状条件下黄白桥闸的泄流能力，如图2所示。图1吴村闸、土门楼（青）、三河站组合洪峰流量至黄白桥洪峰流量相关线图2黄白桥闸敞泄水位流量关系曲线2 5002 0001 5001 0005000合成流量/（m3s-1）0200400600800 1 000 1 200 1 400 1 600 1 800 2 000黄白桥洪峰流量/（m3s-1）2012年6.15.85.55.24.94.64.34.03.73.43.12.82.5水位/m0100200 300400 500600 7008009001 000 1 100 1 200涨水落水流量/（m3s-1）于福民，张强：潮白新河黄白桥闸汛期控制水位分析确定752023年7月分析成果初步表明，闸上水位6.0 m条件下，黄白桥闸下泄能力达到 1 3001 400 m3/s，与建闸时的设计能力相比有明显的下降（注：该闸设计能力为闸上水位6.0 m时 2 100 m3/s）。2.4黄白桥闸控制水位分析确定利用黄白桥闸的泄流关系曲线和黄白桥水位蓄水容积曲线，采用试算法计算黄白桥闸汛期控制水位。其计算公式如下：W2-W1=Qt（1）式中：W2为控制水位H2下的蓄水量（m3）；W1为排空水位H1下的蓄水量（m3）；Q为H1H2之间的平均泄流量（m3/s）；t为洪水传播时间（s）。为了计算黄白桥闸汛期控制水位，以2012年的水位流量关系线代表现状泄流能力，并采用退水趋势线，以确保行洪安全。出流为闸门全开，不受上游来水和下游回水影响。闸上排空水位控制在2.703.50 m；上游洪水到达该闸的洪水传播时间作为排放河道蓄水量的时间，试算不同排空水位对应的安全蓄量W2以及相应的蓄水位H2。按照上述方法计算分析，黄白桥闸上水位在汛期控制在6.00 m以下，黄白桥闸上河段不同底水预见期内对应安全蓄水位曲线，如图3所示。通过上述方法计算，黄白桥闸汛期控制水位在5.206.00 m，可以兼顾汛前期防洪与蓄水。但是实际河道行洪蓄泄情况非常复杂，黄白桥闸实际控制水位在应用时要视实际情况动态调整。在主汛期来临前黄白桥闸可适度蓄泄，并以上游洪水入境的传播时间作为预见期，一旦有较大洪水入境，充分利用该闸的泄流能力，及时提闸敞泄腾空河道，同时潮白新河下段应保持低水位，为上段拦蓄洪水和入境洪水安全下泄提供必要条件，确保汛期防洪安全。当8月中旬主汛期过后，视气象状况适时抬升蓄水水位。3结论和建议黄白桥闸控制水位分析成果为该河段兼顾农业和环境蓄水、充分利用雨洪水资源、科学控制闸上蓄水提供了参考依据，汛前期闸上水位控制在5.206.00 m已经实际运用并不断摸索改进。潮白新河作为行洪河道，汛期确保行洪安全是第一要务。当上游及周边发生强降雨，根据洪水预报和实时水情及时提开黄白桥闸降低上段河道水位，迎接上游洪水入境。同时，黄白桥闸以下河道相对保持低水位，以保证黄白桥闸在上游洪水抵达前将闸上河道拦蓄的水量快速下泄到下游河道。洪水退水后视天气预报情况，该闸可适当控泄拦蓄洪水抬升水位，并做好迎接下一场洪水的准备。参考文献1 天津市水务局.天津水利志M.天津：天津科学技术出版社，2003：129-131.2 水利部海河水利委员会.海河流域防汛资料汇编R.天津：水利部海河水利委员会，1981：1-2.3 天津市水务局.天津市水文手册-洪涝手册R.天津：2004：361-368.4 水利部海河水利委员会.海河水情防汛调度手册R.天津：水利部海河水利委员会，2007：17-19.5 天津市水文水资源勘测管理中心.天津市水文特征资料R.天津：天津市水文水资源勘测管理中心，2009：231-233.图3黄白桥闸上河段不同底水预见期内对应安全蓄水位曲线6.56.05.55.04.54.03.5安全蓄水位/m2.62.83.03.23.43.6底水水位/m20 h预见期24 h预见期18 h预见期进行了率定，未进行检验。由于控制区域内雨量站点稀疏或报汛频次低，雨量代表性不高，导致个别场次洪水模拟精度不高。建议在未来工作中加密雨量站网布设，提升自动测报水平，不断积累雨洪资料，为进步完善预报方案、提高预报方案精度、更好地服务于防汛工作打下基础5。参考文献1 和永场.洪水预报方案编制中应注意的问题J.河南水利与南水北调，2011（4）：26-302 张志斌.辽宁省土壤墒情预报模型建立和预报方案编制J.水利技术监督，2021（1）：113-117.3 谢静.API模型在中小河流预报方案编制中的应用J.陕西水利，2018（5）：12-14.4 郭富兴.黑山水库洪水预报方案编制方法研究J.地下水，2021，43（3）：217-218.5 河海大学.水文预报（第三版）R.北京：水利电力出版，2