基于分滯洪工程的中小河流洪水風(fēng)險研究

馮國娜，徐國鑫，薛文宇

（1.陜西省引漢濟渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710100；2.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065）

0 前言

寧夏位于黃河流域，主要洪水災(zāi)害來源于黃河，大量學(xué)者對黃河寧夏段的洪水進行了研究。王新軍等人研究了黃河寧夏段2012年洪水成因、特點[1]，并利用實測資料，分析了此次洪水對河道河勢的影響[2]。田福昌建立動態(tài)耦合水動力模型，模擬黃河潰堤洪水風(fēng)險[3]。由于特殊的地形地貌，寧夏還存在大量中小河流，近年來，雖進行了一些規(guī)劃整治，張建保等人也提出了關(guān)于寧夏中小河流治理的研究[4]，但河道行洪能力偏低，部分河段沖刷嚴重等問題仍不容忽視，洪水災(zāi)害威脅著人民群眾生命財產(chǎn)安全。

小河是苦水河右岸一條較大支流，發(fā)源于賀坊村，于吳忠市太陽山開發(fā)區(qū)大河臺匯入苦水河，流域面積603 km2，河長50.9 km。太陽山開發(fā)區(qū)段地處小河下游改道段至暖泉湖，面積557 km2，開發(fā)區(qū)依托豐富的資源優(yōu)勢，全力打造全國一流循環(huán)經(jīng)濟示范基地。

苦水井分洪區(qū)和暖泉湖為太陽山開發(fā)區(qū)防洪體系的組成部分，如圖1所示，苦水井為分洪工程，暖泉湖為滯洪設(shè)施。小河來水經(jīng)苦水井分洪后，其余洪水通過滾水堰下泄，小河與苦水河洪水在大河臺匯合，注入暖泉湖，暖泉湖滯蓄后經(jīng)由西環(huán)路泄入苦水河。

根據(jù)防洪調(diào)度方案，小河河道可承擔(dān)近10年一遇洪水，下游段10~50年一遇洪水由苦水井分洪區(qū)進行分洪。在超標準洪水下，考慮分滯洪工程，小河下游改道段洪水來源為上游河道洪水，易發(fā)生洪水漫溢；苦水河與小河匯合口以下（暖泉湖）洪水來源為小河苦水河疊加洪水，存在入湖洪水超高風(fēng)險。因此，小河洪水嚴重威脅太陽山開發(fā)區(qū)的安全。

圖1 太陽山開發(fā)區(qū)防洪工程圖

本文考慮分滯洪工程條件下，小河遭遇100年一遇洪水，對小河防洪保護區(qū)進行洪水風(fēng)險分析，包括鹽環(huán)八干渠渡槽至匯合口兩岸區(qū)域和匯合口至暖泉湖區(qū)域，分析太陽山開發(fā)區(qū)段小河河道漫溢和暖泉湖入湖洪水風(fēng)險。

1 洪水分析模型

1.1 模型原理

針對小河防洪保護區(qū)洪水分析計算需求，本文將一二維水動力模型進行動態(tài)耦合，模擬河道和保護區(qū)內(nèi)的洪水演進情況。

（1）一維水動力模型

其中：q為旁側(cè)流量，Q為總流量，S為距離坐標，V為斷面平均流速，h為水深，A為過水?dāng)嗝婷娣e，i為渠底坡降，Jf為摩阻坡度。通過利用Abbott六點隱式格式離散上述方程組，在每一個網(wǎng)格節(jié)點按順序交替計算水位和流量，采用大步長計算以節(jié)省計算時間。

（2）二維水動力模型

連續(xù)方程：

動量方程：

式中：H為水深；Z為水位；q為連續(xù)方程中的源匯項；M與N分別為x和y方向的垂向平均單寬流量；u和v分別為垂向平均流速在x與y方向的分量；n為曼寧糙率系數(shù)；g為重力加速度。

采用單元中心的顯式有限體積法離散求解模型方程，保證了水量和動量在計算域內(nèi)守恒。利用干濕網(wǎng)格判斷法處理潮灘移動邊界，方便快捷。

（3）一、二維耦合模型

一、二維耦合模型，先通過計算一維模型得到耦合邊界上下游斷面的水位值，并將水位值傳遞到二維模型；然后再通過二維模型的計算，得到耦合邊界的流量值，并以旁側(cè)入流的方式傳遞給一維模型[5]。

1.2 設(shè)計洪水計算

小河遭遇100年一遇洪水，考慮工程條件，苦水井參與分洪，滾水堰下泄其余洪水，因此，滾水堰下泄洪水過程為設(shè)計洪水過程。通過建立小河一維水動力模型，計算苦水井分洪過程和滾水堰下泄洪水過程。

1.2.1 模型構(gòu)建

對小河14.797 km河段和苦水井分洪溝2.1 km河段建立一維水動力模型，模型上邊界為小河天然條件下100年一遇設(shè)計洪水過程，洪峰流量為444 m3/s；下邊界為小河樁號14+797處（苦水河小河匯合口）斷面和分洪溝樁號2+100處斷面的水位~流量關(guān)系。

根據(jù)《寧夏苦水河防洪治理工程2012年建設(shè)項目太陽山開發(fā)區(qū)段防洪工程可行性研究報告》論述，設(shè)定小河綜合糙率為0.022，分洪溝綜合糙率為0.025，設(shè)定計算步長為1s。

1.2.2 特殊處理

滾水堰位于河道樁號XH-0+788處，采用寬頂堰結(jié)構(gòu)，過水?dāng)嗝娣稚舷聝刹糠郑紴樘菪危虏康涂谘撸唔敻叱?369.81 m，底寬0.5 m，開口寬1.0 m；上部高口堰，堰頂高程1374.5 m，底寬6.86 m，開口寬18.25 m，最大堰高10.49 m，總堰長76.95 m，二者共同承擔(dān)洪水流量。模型中于河道上設(shè)置水工建筑物，設(shè)置寬頂堰過水尺寸，考慮滾水堰對河道洪水的影響。

1.2.3 計算結(jié)果

根據(jù)模型計算結(jié)果，當(dāng)小河遭遇100年一遇洪水時，滾水堰最大下泄流量為188 m3/s；分洪溝最大分洪流量為256 m3/s，分洪歷時3.75 h。提取滾水堰下泄洪水過程，作為小河工程條件下100年一遇設(shè)計洪水過程。

1.3 模型構(gòu)建

1.3.1 建模范圍

采用水力學(xué)洪水分析方法，建立小河河道一維模型，同時對保護區(qū)建立二維模型，耦合一、二維水力學(xué)模型，模擬洪水演進過程。小河河道一維模型范圍為鹽環(huán)八干渠渡槽至匯合口；防洪保護區(qū)二維模型范圍為河道兩岸區(qū)域和匯合口至暖泉湖區(qū)域。

圖2 建模范圍示意圖

1.3.2 邊界條件

（1）一維模型邊界條件

上邊界條件為小河工程條件下100年一遇設(shè)計洪水過程，即滾水堰下泄洪水過程，最大下泄流量為188 m3/s；下邊界為苦水河小河匯合口，與二維保護區(qū)進行動態(tài)耦合連接。

（2）二維模型邊界條件

河道兩側(cè)二維模型邊界作為模型開邊界處理。河道一維模型為計算區(qū)二維模型實時提供水位值，作為固定時間步長內(nèi)二維模型的入流條件。模型內(nèi)部邊界，考慮的主要線狀地物包括：S203、S304、暖泉路、西環(huán)路。

1.3.3 河道斷面設(shè)置與網(wǎng)格剖分

整編處理已收集河道斷面數(shù)據(jù)，根據(jù)河道實際寬度及其蜿蜒曲折情況，對河道斷面內(nèi)插加密處理。本文小河研究河段長度為12.5 km，共設(shè)置66個斷面。

小河防洪保護區(qū)二維模型形成網(wǎng)格數(shù)15.6萬個，最小網(wǎng)格面積100 m2，最大網(wǎng)格面積2000 m2，計算總面積196 km2。

1.3.4 模型參數(shù)確定

一維水動力模型中設(shè)定小河河道綜合糙率為0.022，計算步長為1s。根據(jù)《水力計算手冊（第二版）》，并參照其他類似區(qū)域確定保護區(qū)綜合糙率值為0.06，最大計算步長為10 s，最小計算步長為0.01 s。采用側(cè)向連接的耦合連接方式，實現(xiàn)一二維水動力模型的耦合，實時耦合計算河道洪水漫溢淹沒風(fēng)險。

2 洪水風(fēng)險分析成果

2.1 漫溢分流分析

根據(jù)一維水動力模型計算結(jié)果，小河下游右岸處出現(xiàn)洪水漫溢現(xiàn)象，漫溢處位于設(shè)計樁號13+291（鹽湖分洪口）。該斷面左岸高程為1350.73 m，右岸高程為1349.08 m，河道最高水位為1349.59 m，超過右岸堤頂高程0.51 m，洪水漫過右岸，漫溢歷時約2 h。漫溢處上游河道最大流量174 m3/s，下游河道最大流量144 m3/s，漫溢洪水洪峰流量為30 m3/s，漫溢水量為8.44 萬 m3。

2.2 防洪保護區(qū)洪水淹沒分析

洪水由漫溢處進入二維平面計算區(qū)域，演進2 h，漫過太陽山車管所，洪水前鋒到達S203，受到道路阻擋，演進3 h趨于穩(wěn)定，路前最大積水深0.25 m，淹沒面積0.52 km2。由于淹沒區(qū)內(nèi)沒有農(nóng)田，且不涉及企事業(yè)單位，淹沒水深大部分在0.5 m以下，太陽山開發(fā)區(qū)受小河洪水漫溢，淹沒風(fēng)險較小。

2.3 暖泉湖風(fēng)險分析

苦水河與小河洪水在大河臺匯合后，進入暖泉湖，暖泉湖為滯洪設(shè)施，威脅太陽山開發(fā)區(qū)安全。根據(jù)一維計算結(jié)果，提取小河（匯合口）洪水流量過程，與苦水河洪水錯時1h疊加。經(jīng)計算，工程條件下，苦水河小河匯合口100年一遇洪峰流量為299 m3/s。

苦水河小河洪水匯合后進入暖泉湖2#湖區(qū)，再部分洪水由3#過水路面泄入3#湖滯蓄，另一部分由2#過水路面泄入1#湖，經(jīng)1#湖滯蓄后由1#過水路面排入苦水河。對工程條件下入暖泉湖洪水進行調(diào)洪演算。

2#湖起調(diào)水位1342.6 m，初始水量2.3萬m3，入2#湖洪峰流量299 m3/s，最大下泄流量292 m3/s，最大存水量為34.1萬m3，相應(yīng)水位1344.62 m。

1#湖起調(diào)水位1342.6 m，初始水量114.48萬m3，入1#湖洪峰流量190 m3/s，最大下泄流量為66.6 m3/s，最大存水量為217.78萬m3，相應(yīng)水位1343.6 m。

3#湖起調(diào)水位1342 m，初始水量41.2萬m3，入3#湖洪峰流量102 m3/s，無下泄，最大存水量為116.94萬m3，相應(yīng)水位1342.62 m。

2#湖西堤(暖泉路)路面和2#湖與3#湖中間隔堤均已加高至1344.8 m，2#湖最高水位為1344.62 m；暖泉路、西環(huán)路路面和周邊地面高程為1344.0 m，1#湖最高水位1343.6 m，3#湖最高水位1342.62 m。經(jīng)過高程對比分析，暖泉湖入湖并未超高，但由于洪水接近暖泉路和西環(huán)路路面，洪水期間建議禁止人員通行。

圖3 暖泉湖湖區(qū)示意圖

3 結(jié)論

在工程條件下，當(dāng)小河遭遇100年一遇洪水，鹽湖分洪口斷面處發(fā)生漫溢，漫溢歷時2 h，漫溢水量8.44萬m3。洪水演進過程中，受影響區(qū)域主要為太陽山車管所，淹沒面積0.52 km2，水深大部分在0.5 m以下，因此，太陽山開發(fā)區(qū)受小河洪水漫溢，淹沒風(fēng)險較小。

苦水河與小河洪水匯合后進入暖泉湖，對入湖洪水調(diào)洪演算，經(jīng)過高程對比分析，暖泉湖水位并未超高，但由于洪水已接近路面，洪水期間建議禁止人員通行。

針對太陽山開發(fā)區(qū)洪水風(fēng)險分析成果，建議汛期提前做好小河河道與暖泉湖防汛檢查工作，提高應(yīng)急搶險能力，并做好應(yīng)急避洪措施。

[1]王新軍,凌虹霞,王永強,鐘德鈺,張紅武.黃河寧夏段2012年洪水分析[J].人民黃河,2014,36(8).

[2]王新軍,岳志春.2012年黃河洪水對寧夏河道河勢的影響分析[J].農(nóng)業(yè)科學(xué)研究,2015,36(1).

[3]田福昌.河道-泛區(qū)二維水動力耦合數(shù)值模擬及其在洪水風(fēng)險分析中的應(yīng)用[D].天津.天津大學(xué).2014年.

[4]張建保,黑生海.寧夏中小河流治理研究[J].寧夏農(nóng)林科技,2011,52(02).

[5]苑希民,薛文宇,馮國娜,李長躍.潰堤洪水分析的一、二維水動力耦合模型及應(yīng)用[J].水利水電科技進展,2016,36(4).