海河流域下墊面變化對蓄滯洪區(qū)最高滯洪水位影響分析

齊 靜，譚桂秋

（海河水利委員會科技咨詢中心，天津300170）

海河流域下墊面變化對蓄滯洪區(qū)最高滯洪水位影響分析

齊 靜，譚桂秋

（海河水利委員會科技咨詢中心，天津300170）

近年來，海河流域下墊面情況發(fā)生了劇烈變化，加上氣候變化的影響，流域總體洪澇水明顯減少，局部城市瀝澇水增加。這些變化對海河流域內(nèi)蓄滯洪區(qū)的滯洪水位將會產(chǎn)生一定影響。選取東淀、文安洼、賈口洼3個(gè)蓄滯洪區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，比較不同頻率情況下墊面變化對蓄滯洪區(qū)最高滯洪水位的影響。

蓄滯洪區(qū)；水力學(xué)模型；滯洪水位；流域

1 問題提出

海河流域曾是洪澇災(zāi)害比較嚴(yán)重的流域，但從1963年以來流域內(nèi)一直未發(fā)生流域性的大洪水，水資源尤其是地下水資源的過度開發(fā)、土地利用方式的改變、城市化率的增加、工程建設(shè)等因素導(dǎo)致流域下墊面發(fā)生劇烈的變化，加之氣候變化的影響，流域總體洪澇水明顯減少，局部城市瀝澇水增加。由此引起的洪水情勢變化，會對流域內(nèi)蓄滯洪區(qū)的相應(yīng)蓄滯洪特征指標(biāo)產(chǎn)生一定的影響。筆者以海河流域大清河中下游的東淀、文安洼、賈口洼3個(gè)蓄滯洪區(qū)為例，通過二維水動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬，分析下墊面變化對以上3個(gè)蓄滯洪區(qū)最高滯洪水位的影響。

2 三大蓄滯洪區(qū)基本情況

2.1 東淀

東淀位于大清河下游河北省霸州市、文安縣和天津市靜?？h、西青區(qū)境內(nèi)，為大清河南北支洪水和清南、清北瀝水的總歸宿地，洪水由獨(dú)流減河和海河干流入海。東淀屬于純行洪區(qū)，設(shè)計(jì)超過3年一遇洪水就要漫灘行洪。東淀遇50年一遇洪水滯洪水位（第六堡）6.44 m時(shí)，淹沒村莊77個(gè)，涉及24 105戶9.4萬人；淹沒土地376 km2，耕地1.58萬hm2，房屋258萬m2，GDP16億元，固定資產(chǎn)15.4億元；淹沒區(qū)人口達(dá)蓄滯洪區(qū)總?cè)丝诘?8%。

2.2 文安洼

文安洼地處大清河下游，位于河北省文安縣、大城縣、任丘市及天津市靜?？h境內(nèi)，承納白洋淀及東淀分洪洪水和清南瀝水，西、北靠千里堤、隔淀堤，東依子牙河左堤，南至津保公路南線。文安洼有3處進(jìn)洪口門，分別是王村分洪閘、灘里分洪口門及小關(guān)分洪口門。退水主要靠灘里口門，經(jīng)東淀由獨(dú)流減河和海河干流下泄。文安洼規(guī)劃分兩區(qū)滯洪，Ⅰ區(qū)位于小白河以北和灘里新渠、趙磨支渠、任河大干渠以東，其余為Ⅱ區(qū)。當(dāng)白洋淀水位超過9.0 m、出流大于2 700 m3/s時(shí)，超量洪水由趙王新渠上的王村閘向文安洼分洪；當(dāng)東淀第六堡水位超過6.44 m時(shí)，向文安洼或賈口洼分洪。文安洼滯洪控制水位為大趙站5.94 m，當(dāng)Ⅰ區(qū)、賈口洼、團(tuán)泊洼已經(jīng)運(yùn)用，東淀第六堡水位超過6.44 m且繼續(xù)上漲時(shí)，分別在馬武營附近和文安縣城防洪圍堤以西扒開口門分洪入Ⅱ區(qū)。文安洼遇50年一遇洪水滯洪水位5.94 m時(shí)，淹沒村莊529個(gè)，涉及153 671戶58萬人；淹沒土地1 310 km2，耕地9.33萬hm2，房屋1 489萬m2，GDP101億元，固定資產(chǎn)95.8億元；淹沒土地面積為本蓄滯洪區(qū)總土地面積的84%，95%的耕地被淹沒，淹沒區(qū)人數(shù)達(dá)蓄滯洪區(qū)總?cè)丝跀?shù)的92%。

2.3 賈口洼

賈口洼位于東淀南側(cè)，處于黑龍港河下游、子牙河與南運(yùn)河之間，地跨天津市的靜?？h、河北省的大城縣和青縣，西北依子牙河右堤，東靠南運(yùn)河左岸，南鄰子牙新河左堤北側(cè)自然高地。賈口洼兼具行洪與滯洪的功能，當(dāng)遇到20年一遇洪水時(shí)啟用。賈口洼遇50年一遇洪水滯洪水位5.94 m時(shí)，淹沒村莊292個(gè)，涉及72 639戶27.3萬人；淹沒土地815 km2，耕地7.32萬hm2，房屋689萬m2，GDP33.1億元，固定資產(chǎn)53.0億元；淹沒土地面積為本蓄滯洪區(qū)總土地面積的89%，96%的耕地被淹沒，淹沒區(qū)人數(shù)達(dá)蓄滯洪區(qū)總?cè)丝跀?shù)的93%。

三蓄滯洪區(qū)位置，如圖1所示。

圖1 三蓄滯洪區(qū)位置

3 設(shè)計(jì)洪水成果

3.1 現(xiàn)行設(shè)計(jì)洪水成果

現(xiàn)行的洪水設(shè)計(jì)成果采用河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)院1990年12月完成的《大清河流域設(shè)計(jì)洪水分析報(bào)告》成果，該成果經(jīng)海委審查后頒布使用至今。新鎮(zhèn)站為大清河洪水控制斷面。大清河流域控制站設(shè)計(jì)洪水成果，見表1。

表1 大清河流域控制站設(shè)計(jì)洪水成果

文安洼蓄滯洪區(qū)還涉及到平原瀝水的蓄滯問題。大清河清南及清北平原的設(shè)計(jì)瀝水，采用水利部天津水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院1997年完成的《大清河永定河下游地區(qū)超標(biāo)準(zhǔn)洪水安排規(guī)劃》中的分析成果。大清河流域洪瀝總成果以第六堡為大清河流域總控制斷面，30 d洪量系列計(jì)算采用山區(qū)洪水控制，平原采取相應(yīng)的取樣方法，將大清河流域30 d洪量與平原相應(yīng)澇水相加，組成大清河全流域30 d洪量系列進(jìn)行頻率分析，得出大清河流域30 d洪量地區(qū)組成成果，見表2。

表2 大清河流域30 d洪量地區(qū)組成成果億m3

3.2 設(shè)計(jì)洪水下墊面一致性修訂成果

在水利部公益性行業(yè)科研項(xiàng)目“下墊面變化條件下設(shè)計(jì)洪水修訂技術(shù)研究”中對下墊面變化對大清河主要控制站設(shè)計(jì)洪水影響進(jìn)行了修訂，提出下墊面影響一致性修訂設(shè)計(jì)洪水成果。新鎮(zhèn)及第六堡控制斷面設(shè)計(jì)洪水修訂成果與現(xiàn)有成果比較情況如下：50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)時(shí)30 d洪量，新鎮(zhèn)控制斷面比現(xiàn)行成果下降14.2%，第六堡控制斷面比現(xiàn)行成果下降25.1%；100年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)30 d洪量，新鎮(zhèn)控制斷面比現(xiàn)行成果下降11.7%，第六堡控制斷面比現(xiàn)行成果下降20.8%。

4 蓄滯洪區(qū)洪水模擬模型

本次采用的數(shù)學(xué)模型為平面二維非恒定流水力學(xué)模型，已在南水北調(diào)中線設(shè)計(jì)及多項(xiàng)鐵路、公路工程的防洪評價(jià)中采用。

描述二維非恒定流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的是圣維南方程組，圣維南方程組為：

式中：h為柱面平均水深（m）；H為水面高程（m）；U、V分別為X、Y方向的平均流速（m/s）；τxb、τyb分別為X、Y方向的床面剪切應(yīng)力（N/m2）；M、N分別為X、Y方向的單寬流量（m3/s）。

由式（1）—（3）推導(dǎo)，得出以下微分方程：

將上述微分方程省略對流項(xiàng)后，得到如下求解形式的差分方程組：

式中水深與流速（單寬流量）在空間和時(shí)間上呈交錯(cuò)分布，如圖2所示。

具體計(jì)算步驟為：空間上，在（i+1/2，j+1/2）位置上計(jì)算h，在（i+1，j+1/2）、（i，j+1/2）位置上計(jì)算X方向上的M，U，在（i+1/2，j+1）、（i+1/2，j）處計(jì)算Y方向上的N，V。時(shí)間上，在n＋1、n＋3的時(shí)間層上計(jì)算h，在n、n＋2時(shí)間層上計(jì)算M、N、U、V。確定初始及邊界條件后，可由式（7）—（9）逐時(shí)段模擬洪水過程。

圖2 差分格式示意

5 模擬范圍及洪水?dāng)?shù)值模擬分析

由于大清河中下游的東淀、文安洼、賈口洼為聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用洼地，文安洼和賈口洼的分洪運(yùn)用對東淀流態(tài)、流勢均有一定影響，所以需將上述三洼均納入數(shù)值模擬范圍。具體范圍為：西部邊界，清南地區(qū)為白洋淀千里堤，東淀區(qū)域?yàn)閯⒓忆伌?；南部邊界為津保公路；北部邊界為東淀北大堤；東部邊界為南運(yùn)河左堤、東淀內(nèi)西河右堤。模擬區(qū)總面積3 228 km2，覆蓋了任大公路以北的所有清南地區(qū)以及整個(gè)東淀、賈口洼蓄滯洪區(qū)。大清河三洼洪水?dāng)?shù)值模擬區(qū)地形剖分立體圖，如圖3所示。

圖3 大清河三洼洪水?dāng)?shù)值模擬區(qū)地形剖分立體圖

按大清河洪水調(diào)度方案，當(dāng)東淀第六堡水位達(dá)到6.44 m且繼續(xù)上漲威脅天津市區(qū)安全時(shí)，在保證河道充分泄洪的情況下，視洪水情況向文安洼或賈口洼分洪。當(dāng)發(fā)生北支為主的洪水時(shí)，若文安洼尚未分洪運(yùn)用，則向賈口洼分洪；當(dāng)賈口洼八堡站水位達(dá)到5.94 m且繼續(xù)上漲時(shí)，視洪水情況向文安洼分洪。

針對大清河流域主要控制站修訂前、后的設(shè)計(jì)洪水成果，按照現(xiàn)狀工程條件和現(xiàn)行調(diào)度運(yùn)用方案，采用二維非恒定流模型對東淀、文安洼、賈口洼3個(gè)蓄滯洪區(qū)的蓄滯洪過程進(jìn)行模擬分析。三洼蓄滯洪區(qū)典型位置最高洪水位成果，見表3。

6 結(jié)論

由于流域下墊面變化、氣候變化等的影響，流域總體洪澇水明顯減少。在相同的運(yùn)用方式和條件下，經(jīng)過模擬計(jì)算，50年一遇洪水時(shí)，東淀第六堡最高滯洪水位6.44 m、與現(xiàn)行設(shè)計(jì)洪水成果一致，文安洼大趙最高滯洪水位降低0.63 m，賈口洼鍋底閘最高滯洪水位降低0.45 m；100年一遇洪水時(shí)，東淀第六堡最高滯洪水位降低0.10 m，文安洼大趙最高滯洪水位降低0.29 m，賈口洼鍋底閘最高滯洪水位降低0.55 m。

TV122+.3；TV873

A

1004-7328（2015）01-0041-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2015.01.015

2014-10-11

齊靜（1979-），女，碩士，工程師，主要從事水利規(guī)劃、水資源方面研究工作。