北京新機場項目對屈家店樞紐行洪的影響研究及消減措施

劉江俠，齊靜，王佰偉

（1.海河水利委員會科技咨詢中心，天津300170；2.水利部海河水利委員會，天津300170）

北京新機場項目對屈家店樞紐行洪的影響研究及消減措施

劉江俠1，齊靜1，王佰偉2

（1.海河水利委員會科技咨詢中心，天津300170；2.水利部海河水利委員會，天津300170）

北京新機場的建設將占壓永定河的部分泛區(qū)，機場區(qū)域地面硬化后瀝水流量也將增大，會對永定河行洪造成一定影響。為了定量研究新機場建設的影響，以永定河下游控制性工程屈家店樞紐為研究對象，根據(jù)永定河泛區(qū)的測量資料，建立了永定河泛區(qū)二維非恒定流水力學模型和河道一維非恒定流模型相耦合的水力學模型。在維持永定河系現(xiàn)有防洪格局基礎上，采取原有的泛區(qū)運用調(diào)度方式，并在保持分區(qū)運用次序和口門啟用順序不變的情況下，模擬計算永定河遇不同標準洪水時的行洪過程，分析新機場近期建設情況下屈家店樞紐最高洪水位和最大泄洪流量的變化。

行洪影響；水力學模型；北京新機場；屈家店樞紐；永定河泛區(qū)

1　引言

涉河工程項目會改變水流要素，影響汛期行洪過程，必須進行洪水影響評價。隨著對洪水運行規(guī)律認識的深入和數(shù)值計算在水利工程中應用的發(fā)展，數(shù)學模型已被廣泛應用到各種工程的防洪影響計算中［1］，充分發(fā)揮了其較好模擬水流運動規(guī)律、投資少、周期短的優(yōu)勢。長期以來，我國開展了各類工程建設項目的防洪影響評價，如橋梁建設［2］、公路建設［3］、攔河壩工程［4］、護岸工程［5］、港航工程建設和復建［6，7］、航道整治［8］等對行洪的影響，積累了豐富的理論和實踐經(jīng)驗。

北京新機場是我國“十二五”規(guī)劃重點建設項目，是一座綜合性超大型國際機場，將占壓永定河泛區(qū)的部分面積，需要評價其對永定河的防洪影響。本文利用建立的永定河泛區(qū)二維非恒定流和河道一維非恒定流相耦合的模型，以下游關鍵性水利樞紐屈家店樞紐行洪過程中的主要因素為研究對象，定量分析了不同重現(xiàn)期設計洪水下新機場建設對屈家店樞紐行洪帶來的影響。

2　概況

2.1北京新機場項目概況

北京新機場工程選址于北京市大興區(qū)與河北省廊坊市交界處，近期建設占壓永定河泛區(qū)3.02 km2，在機場東側修建防洪堤后，防洪堤西側區(qū)域占用泛區(qū)面積28.62 km2。北京新機場工程對永定河防洪的影響，主要表現(xiàn)為兩方面：一是機場占壓泛區(qū)面積影響了滯洪范圍與滯洪容積，對設計標準洪水的調(diào)度產(chǎn)生一定的影響；二是機場區(qū)域地面硬化后瀝水流量增加，對永定河泛區(qū)中小洪水的調(diào)度產(chǎn)生一定的影響。

2.2永定河泛區(qū)及屈家店樞紐概況

永定河防洪體系按100年一遇洪水標準設防，現(xiàn)今的永定河泛區(qū)是1939年洪水時永定河改道后形成的，上自梁各莊，下至屈家店樞紐，承擔“緩洪、沉沙、削峰”任務。泛區(qū)周邊南側建有永定河故道左堤、北遙堤、增產(chǎn)堤等，北側建有新北堤、護河堤、北運河左堤等。泛區(qū)圍堤內(nèi)的各小埝將泛區(qū)分隔成4個區(qū)域共計9個部分，各分區(qū)控制口門及位置如圖1所示。

屈家店樞紐位于永定河下游，由北運河節(jié)制閘、新引河進洪閘和永定新河進洪閘組成，是控制永定河水泄入永定新河的水閘樞紐。該樞紐工程以防洪為主，擔負著北運河、永定新河泄洪任務，直接保護天津市和京津公路、京山鐵路安全，是永定河下游至關重要的防洪工程。

圖1　各分區(qū)控制口門及位置

3　永定河泛區(qū)洪水模擬模型

3.1河道一維非恒定流水力學模型

運用主河道199個實測斷面，建立從永定河上游梁各莊以上14.5 km處斷面到下游西張務樞紐的河道一維非恒定流模擬模型。描述明渠非恒定流方程為：

式中：Z為水位（m）；t為時間坐標（s）；B為?；瘜挾龋╩）；Q為流量（m3/s）；x為沿程斷面坐標；q為旁側出流單寬流量（m3/s）；g為重力加速度（m/s2）；A為過流面積（m2）；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑（m）。

方程離散選擇三點隱式差分格式，用追趕法求解離散線性方程組。河道入流邊界有永定河上游來水過程、天堂河入流過程（分為有機場排水和無機場排水兩種情況）和龍河入流過程。模型出流邊界為屈家店樞紐的水位流量關系和河道上的泛區(qū)分洪口門。

3.2泛區(qū)二維非恒定流水力學模型

泛區(qū)二維非恒定流，采用下式模擬。連續(xù)方程為：

動量方程為：

式中：H為水深（m）；t為時間坐標（s）；Z0為底高程（m）；q為源匯項（m3/s）；M，N分別為x，y方向上的單寬流量（m3/s），且M=Hu，N=Hv；u，v分別為x，y方向的平均流速（m/s）；n為糙率；x，y為x，y方向沿程斷面坐標；g為重力加速度（m/s2）。

方程采用有限體積離散法求其數(shù)值解。

3.3一二維銜接模式

一二維模型銜接模式采用一維旁側出流流量等于二維模型邊界流量，一二維水位差確定堰流流量、方向的方法交替疊代計算，達到一二維銜接模型聯(lián)解的目的。銜接口門條件為：

式中：Qj為一維旁側出流流量（m3/s）；QΓ為二維模型邊界流量（m3/s）；Hj為銜接斷面上游的堰上水頭（m）；σc為側收縮系數(shù)；σs為淹沒系數(shù)；m為流量系數(shù)；g為重力加速度（m/s2）。

一維模型截取原河道199個斷面的上游河道105個斷面，在西張務處與二維泛區(qū)河道銜接。一維河道還包括南前衛(wèi)埝與南小埝間的從池口分洪口門到南石口門上游19個斷面；朱莊至西張務的堤外斷面13個。河道與二維泛區(qū)銜接位置為池口口門、天堂河旁的低堤、王瑪口門、南石口門、西孟村口門、茨平口門、朱莊前衛(wèi)埝。二維模型中潘莊口門控制南小埝兩側的銜接，龍河扒口聯(lián)通龍河兩側的滯洪區(qū)，屈家店樞紐根據(jù)水位流量關系控制，龍河來水采用通道來流過程控制，其他隔堤選擇低堤位置進行退水扒口。河道上游控制邊界為梁各莊斷面入流，下游出流控制邊界為西張務的水位流量關系；泛區(qū)入流邊界為天堂河入流（包括機場排水河）、龍河入流以及一維河道與二維泛區(qū)銜接的各口門的入流，下游控制邊界為屈家店樞紐的水位流量關系。永定河泛區(qū)網(wǎng)格和地形走勢變化如圖2所示，一二維銜接模型及口門分布如圖3所示。

4　影響分析

4.1洪水調(diào)度方式及洪水組合

永定河泛區(qū)各小埝分洪口門分洪運用按照現(xiàn)行的《永定河洪水調(diào)度方案》（2004年方案）進行控制。洪水組合為：永定河小于10年一遇洪水按與5年一遇天堂河、龍河和機場的瀝澇水組合考慮；10～50年一遇及其以上洪水與瀝澇水組合按錯級相加考慮，即10年一遇洪水與5年一遇瀝澇水組合、20年一遇洪水與10年一遇瀝澇水組合、50年一遇洪水與20年一遇瀝澇水組合；考慮到瀝澇水的排水條件，大于50年一遇洪水均與20年一遇瀝澇水組合。

圖2　永定河泛區(qū)二維網(wǎng)格及地形

圖3　一二維銜接模型及主要控制口門分布

新機場近期建成后，瀝水量將有所增加。永定河泛區(qū)內(nèi)河道承納的瀝水流量增加，將會對下游屈家店樞紐泄洪形成一定壓力。運用建立的水力學模型，針對新機場建設前后的情況，在現(xiàn)有洪水調(diào)度方式下，對永定河遭遇不同重現(xiàn)期設計洪水情況下屈家店樞紐的行洪過程進行了模擬，得到了關鍵性要素。模擬計算時，選取了10、20、50、100、200年一遇永定河設計洪水。

4.2新機場項目近期建設對屈家店樞紐水位和泄量的影響

通過模擬計算，得到不同量級洪水時新機場項目近期建設下屈家店樞紐泄洪過程中達到的最高水位、最大泄流量以及2個要素在近期建設前后的變化情況，見表1。

表1　新機場項目近期建設前后行洪要素及其變化

新機場項目近期建設前后，隨著洪水量級的增大，最高水位和最大泄流量的變化越來越大。100年一遇洪水情況下，新機場建設前屈家店樞紐前最高水位為6.03m，建設后為6.04m，雍高0.01m，約上升0.2%；新機場建設前后最大泄量分別為1 725、 1 738m3/s，相差13m3/s，約上升0.8%。

由此可見，新機場建設對屈家店樞紐的水位和泄量影響較小。新機場建設前后不同頻率屈家店樞紐前水位和泄量變化過程，如圖4—5所示。

圖4　屈家店樞紐前不同頻率水位變化

圖5　屈家店樞紐不同頻率洪水泄量變化

4.3補救措施

新機場建設對屈家店樞紐水位影響較小，可采取自行消化緩滯瀝水、緩滯瀝水外排及建設滯蓄工程3個方案。

（1）自行消化緩滯瀝水。在建設新機場前，洪水自梁各莊進入永定河泛區(qū)，區(qū)間有天堂河和龍河的瀝水進入，無其他的洪瀝水。新機場建設后，除上述洪水外，還有新機場的瀝水會排入永定河泛區(qū)，這樣必將對屈家店樞紐的防洪風險產(chǎn)生影響。自行消化緩滯瀝水方案是將新機場區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的瀝水自行解決，且返還占用的天堂河和龍河區(qū)域，即永定河泛區(qū)和天堂河、龍河的產(chǎn)流區(qū)域不變，向永定河排入的流量過程不變。該方案與不建機場時的防洪工程及洪水過程一致，對永定河防洪沒有影響。若將新機場建設后的影響減小到零，需采取相應的工程和非工程措施。新機場近期占用滯洪容積160萬m3左右，按照占一還一的原則對泛區(qū)容積進行補償。

（2）緩滯瀝水外排。按照新機場建設的可行性研究，新機場近期建設規(guī)模內(nèi)部滯蓄水量160萬m3左右，需外排流量為30～45m3/s。外排水量將對永定河防洪產(chǎn)生一些影響，這就要求新機場按照瀝水增量自行消化的原則增加瀝水調(diào)蓄措施，洪水期外排流量等于為建設機場前該區(qū)的排水流量。為此，建議修建相應的滯蓄水庫，使新機場排出的水量緩滯，然后排入永定河；另外，加固新機場周邊的防洪工程。防洪工程包括新機場周邊的永定河左堤、東側新建的防洪堤工程、改道后新填筑的天堂河右堤工程。其中，新機場南側永定河左堤為險工段，應按新機場防洪要求做好險工防護工程。

5　結語

通過水力學模擬方法，針對永定河泛區(qū)建立了洪水模擬模型，并應用于模擬分析北京新機場建設對下游屈家店樞紐行洪的影響。結果表明，新機場建設不會對屈家店樞紐的行洪造成顯著影響。但同時應注意，由于新機場建設對大洪水情況下屈家店樞紐的行洪情況更為明顯，還應關注和研究大洪水或不同洪水組合情況下屈家店樞紐行洪要素的變化，并適當修訂大洪水情況下永定河防洪方案。

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TV877

A

1004-7328（2016）05-0027-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2016.05.009

2016—07—15

劉江俠（1981—），女，碩士，高級工程師，主要從事水資源與防洪研究工作。