地面沉降對大清河系尾閭防洪能力影響研究

周志華

摘要：地面沉降是當今城市化進程中不容忽視的環(huán)境地質(zhì)問題，不但造成水利設施破壞、地下水質(zhì)和地質(zhì)環(huán)境惡化、標高損失等一系列問題，還會引發(fā)城市內(nèi)澇和河道泄流能力降低，危及城鄉(xiāng)防洪安全。選取沉降最嚴重的大清河系尾閭骨干防洪工程，通過建立一維河網(wǎng)和二維蓄滯洪區(qū)銜接數(shù)學模型，分別模擬計算地面沉降前1982年和沉降后2010年地形條件下50 a 一遇洪水演進過程，利用特征點水力參數(shù)對比統(tǒng)計，分析近30 a地面沉降對區(qū)域防洪的影響。研究表明：地面沉降后行洪河道和蓄滯洪區(qū)水位明顯降低，入海總水量減少，但河道堤防超高大幅減小，區(qū)域防洪風險大大增加。

關鍵詞：地面沉降：防洪能力：數(shù)值模擬：大清河系

中圖分類號：P333

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.06.叭0

1 防洪工程沉降現(xiàn)狀

大清河系位于海河流域中部，上游分為南、北兩支：北支為白溝河水系，經(jīng)新蓋房分洪道人東淀：南支為趙王河水系，各河均匯人白洋淀，出水經(jīng)趙王新河、趙王新渠人大清河、東淀。南、北兩支在東淀匯集后又納清南、清北平原瀝水，同時納子牙河、南運河部分來水，大部分洪水由進洪閘經(jīng)獨流減河人海，少部分洪水由西河閘經(jīng)海河人海。

大清河系尾閭主要指白洋淀以下水系，區(qū)內(nèi)有華北、大港兩大油田，京廣、京九、津浦三條重要鐵路干線貫穿其中，工農(nóng)業(yè)迅猛發(fā)展，交通便利，具有發(fā)展經(jīng)濟的優(yōu)越條件。由于長期的水資源短缺，近年來該地區(qū)過量開采地下水，加上構造沉降、油氣資源和固體礦產(chǎn)資源開發(fā)、城市建設等一系列內(nèi)因和外因，引發(fā)地面沉降等環(huán)境地質(zhì)災害。地面沉降不僅直接造成標高資源損失、水利設施破壞、工程防洪能力和效益降低，同時受下游潮位頂托影響，河道行洪不暢的趨勢愈加嚴重，甚至已經(jīng)影響了整體的防洪形勢，危及防洪安全。本研究利用天津市測繪院20世紀80年代測繪的1：10 000地形圖和同期河道斷面測繪成果與2012年測繪成果進行對比，分析重點防洪工程沉降情況。

1.1 骨干行洪河道沉降特征

根據(jù)地面沉降監(jiān)測資料[1]，獨流減河沿線1985-2012年累計地面沉降量最大為1.7 m，累計沉降量0.8 m以上的河段長度約占全長的88.6%。平均累計沉降量為1.33 m，平均沉降速率為49 mm/a。2012年上游和中游部分河段沉降速率達到70 mm/a，堤防的沉降呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢。

1.2 重點蓄滯洪區(qū)沉降特征

選取大清河系尾閭蓄滯洪區(qū)東淀、文安洼、賈口洼、團泊洼、沙井子進行沉降分析，5個蓄滯洪區(qū)總面積為3 625.04 km2，不同累計沉降量所占面積統(tǒng)計見表1。

通過蓄滯洪區(qū)地形測量數(shù)據(jù)對比分析，東淀沉降面積覆蓋了96.0%的區(qū)域，平均累計沉降量為0.76 m，沉降速率為20.54 mm/a，累計沉降1.5 m以上區(qū)域主要集中在東部天津市境內(nèi)：文安洼沉降面積覆蓋了88.86%的區(qū)域，平均累計沉降量為0.61 m，沉降速率為16.5 mm/a，東南部地面沉降較其他區(qū)域更為嚴重，特別是河北省大城縣和天津市靜海縣的部分區(qū)域，局部位置沉降量達2.0 m以上：賈口洼沉降面積覆蓋了98.0%的區(qū)域，平均累計沉降量為1.12 m，沉降速率為30.1 mm/a；團泊洼沉降面積覆蓋了91.72%的區(qū)域，平均累計沉降量為1.13 m，沉降速率為56.50 mm/a；沙井子沉降面積覆蓋了91.61%的區(qū)域，平均累計沉降量為0.86 m，沉降速率為43.47 mm/a。蓄滯洪區(qū)最大沉降量達到2.91 m，位于團泊洼。

1.3 重要控制性閘門沉降特征

獨流減河進洪閘位于大清河系東淀下游，是大清河、子牙河洪水人海的主要控制T程，進洪閘附近設有（Ⅱ津唐10）基準點。據(jù)1965年觀測數(shù)據(jù)[，該基準點的高程為6.889 m（國家85高程，下同）；到1987年，再次引測，該基準點的高程變?yōu)?.316 m；2002年開展的基準點高程復測，該點高程為5.436 m；到2010年復測，該點高程為4.958 m。1965-2010年獨流減河進洪閘周邊累計下沉了1.931 m，平均沉降速率為42.9mm/a。2005年，在對進洪閘進行除險加固中發(fā)現(xiàn)，原底板在當初建設時設計高程為1.006 m，加固時變?yōu)?1.00 m。

2 防洪調(diào)度模型構建

從以上分析可以看出，受區(qū)域性地面沉降影響，大清河系尾閭主要河道堤防、蓄滯洪區(qū)、控制性閘門都不同程度存在沉降現(xiàn)象，其中線狀和面狀T程不均勻沉降特征明顯。沉降不僅造成防洪工程自身物理破壞、維護費用增加，同時還會影響防洪工程功能和效益的正常發(fā)揮，對區(qū)域防洪安全造成一定的影響。本研究針對大清河系尾閭骨干防洪工程建立一維河網(wǎng)和二維蓄滯洪區(qū)銜接數(shù)學模型，分別模擬沉降前、后標準頻率下洪水演進過程，利用特征點水力參數(shù)對比，分析近30 a地面沉降對區(qū)域防洪的影響。研究范圍上起新蓋房、棗林莊樞紐，下游至人海口，覆蓋大清河流域中下游地區(qū)，面積約為7 000 km2。研究對象包括骨干河道、大型控制性樞紐及5個蓄滯洪區(qū)（東淀、文安洼、賈口洼、團泊洼和沙井子）。

2.1 模型總體設計

根據(jù)地形特征和洪水運動規(guī)律，將河道與滯洪區(qū)分別按照一維和二維非恒定流數(shù)學模型進行模擬，模擬區(qū)域概化成網(wǎng)格圖的形式，取單元網(wǎng)格為控制體，采用多通道、多控制條件、擇一鎖定方法銜接一、二維模型，實現(xiàn)洪水演進和分洪計算模擬。

2.2研究方法

（1）-維非恒定流基本方程[3]。連續(xù)方程為

（4）淺水地面型動量方程的離散。對水深不足0.5 m的網(wǎng)點，動量方程離散為地面型方程。地面型方程主要是用于地面型通道，即通道兩側單元為陸地，且通道上沒有堤防等阻水建筑物。考慮到滯洪區(qū)內(nèi)的地形起伏不大，地面洪水較淺時，洪水演進主要受到重力和阻力的作用，保留重力和阻力項的離散方程為

2.3 地形剖分

為模擬分析地面沉降對區(qū)域防洪調(diào)度的影響，應針對地面沉降前與沉降后的不同年代地形條件，分別建立數(shù)學模型，然后針對同一設計頻率洪水進行演進計算，通過典型位置水力特征值對比分析地面沉降對防洪調(diào)度的影響。首先搭建蓄滯洪區(qū)二維模型，利用1982年和2010年區(qū)域地形實測資料，運用arcGIS軟件提取高程值、DEM數(shù)據(jù)以及阻水作用明顯的交通干線、堤防和居民地分布位置信息，分別進行兩個年代蓄滯洪區(qū)地形網(wǎng)格剖分：然后利用行洪河道2010年實測斷面資料，通過各河道不同河段平均沉降速率推算1982年的河道斷面，形成兩套不同年代的河道斷面數(shù)據(jù)。

模型應用有限體積法[4]的原理，采用無結構不規(guī)則網(wǎng)格將河道、蓄滯洪區(qū)分別概化。河道根據(jù)河寬分別采用一維線性網(wǎng)格和二維平面網(wǎng)格，蓄滯洪區(qū)采用二維平面網(wǎng)格，網(wǎng)格可以是三角形、四邊形或五邊形，區(qū)域內(nèi)的地形、糙率情況均在各網(wǎng)格中反映，同時對于有明顯阻水作用的公路、鐵路、堤防等，將其高程概化到網(wǎng)格邊界上，統(tǒng)一作為堤防處理。模型中蓄滯洪區(qū)劃分為5 761個單元，河道劃分為148個單元、405個河道斷面。蓄滯洪區(qū)模型網(wǎng)格劃分見圖l，河網(wǎng)模型見圖2。

2.4 模型邊界

模型上邊界為新蓋房、棗林莊30 d洪水過程線，選用最不利的北支設計洪水、南支相應洪水的組合。其中北支新蓋房設計洪水為原設計洪水北支白溝站扣除蘭溝洼、大清河（灌溉渠）及白溝引河分泄后的洪水，南支棗林莊洪水為原設計洪水南支十方院扣除白洋淀及向其周邊洼淀分洪后的洪水。模型下邊界為海河口和獨流減河口典型潮位過程。以距獨流減河防潮閘以北約30 km的六米站潮位資料為依據(jù)，選取1972年7月26日潮位過程為典型潮型。模型上邊界流量過程見圖3，下邊界典型潮位過程見圖4。

2.5 模型糙率

糙率是反映地面阻水狀況的一個綜合參數(shù)。大清河系缺乏糙率資料，本次模型計算中，蓄滯洪區(qū)糙率參考“96·8”實測洪水資料率定，河道糙率取值參照《大清河系防洪規(guī)劃報告（2004年）》。蓄滯洪區(qū)、河道糙率取值分別見表2、表3。

河道模型斷面采用主槽和邊灘的綜合糙率，計算公式為式中：n為糙率：X為濕周，無下標表示綜合糙率，下標z表示主槽值，下標b表示邊灘值。

蓄滯洪區(qū)模型單元采用分區(qū)綜合糙率，計算公式為 式中：n_i為各典型區(qū)域糙率；A_i為各典型區(qū)域面積。

2.6 控制條件

調(diào)度原則按照《大清河洪水調(diào)度方案》（國汛[ 2008] 11號]：當趙王新渠泄量超過700 m3/s時，扒開任莊子堤埝向東淀分洪。十方院水位達到9.3 m且繼續(xù)上漲時，運用王村分洪閘向文安洼分洪。王村分洪閘運用后，第六堡水位達到6.44 m且繼續(xù)上漲威脅天津市區(qū)安全時，利用灘里口門向文安洼分洪，當文安洼大趙站水位達到5.94 m且繼續(xù)上漲時，視洪水情況向賈口洼分洪。當?shù)诹核贿_到6.44 m且繼續(xù)上漲威脅天津市區(qū)安全時，則向賈口洼分洪，當賈口洼八埠站水位達到5.94 m且繼續(xù)上漲時，視洪水情況向文安洼分洪。獨流減河進洪閘汛期全部開啟，西河閘控制泄流400 m3/s，防潮閘用閘上、閘下水位差判斷閘門開啟、關閉時機，當閘上水位高于閘下水位時，閘門開啟，否則關閉。

3 沉降對區(qū)域防洪影響分析

針對50 a一遇洪水，分別計算沉降前、后地形條件下大清河下游地區(qū)洪水演進過程，并從行洪河道水力特征、蓄滯洪區(qū)運用情況和總進出水量幾個方面分析地面沉降對區(qū)域防洪的影響。

3.1 行洪河道水力特征

從行洪河道特征點最高水位對比可以看出，變化最為明顯的是第六埠、西河閘上和獨流減河進洪閘上，水位下降接近1.00 m。與此同時，從流量上分析，由于進洪閘最大泄量變化不明顯，因此人海防潮閘流量變化也不明顯。另一方面，從河道自身行洪安全考慮，獨流減河左堤為1級堤防，大港電廠（樁號60+687）以上設計超高2.5 m，大港電廠以下設計超高2.0 m。沉降前獨流減河左堤超高不足河段達1km，集中在東千米橋附近；沉降后左堤超高不足河段達3 km，行洪河道不同特征點沉降前、后水力特征統(tǒng)計見表4，獨流減河沉降前、后沿程水面線變化見圖5。

3.2 蓄滯洪區(qū)運用情況

從蓄滯洪區(qū)運用情況看，沉降后東淀和文安洼最高蓄水位均有所降低，分別降低0.74、0.45 m，但是最大滯洪水量均增加，分別增加0.74億、3.81億m3。蓄滯洪區(qū)沉降前、后水力特征統(tǒng)計見表5。

3.3 進出水量

從總的進出水量看，人流總量不變的情形下，因蓄滯洪區(qū)及河道的最終蓄量增加，2010年地形條件下人海總量較1982年減少了1. 31億m3。沉降前、后洪水進出水量統(tǒng)計見表6。

3.4 防洪影響綜合分析

區(qū)域性地面沉降現(xiàn)象的發(fā)生，導致行洪河道和蓄滯洪區(qū)特征點水位均大幅下降。以大清河系防洪調(diào)度控制性節(jié)點第六埠為例，50 a一遇洪水條件下沉降后水位較沉降前下降0.97 m，下降比率為3.2%。蓄滯洪區(qū)特征點最高水位下降規(guī)律與第六埠基本一致，進洪閘最大泄量地面沉降后基本無變化，行洪河道和蓄滯洪區(qū)蓄水總量增加，人海水量減少1. 31億m3。從大清河系主要泄洪通道獨流減河的行洪安全情況考慮，地面沉降后獨流減河的左堤超高大幅減少，50 a-遇洪水條件下，左堤超高減少0.82 m，河道行洪風險大大增加。

4 結論

（1）大清河系尾閭地區(qū)地面沉降非常嚴重，沉降具有普遍性、不均勻性、不可逆等特點。骨干行洪河道、重點蓄滯洪區(qū)、控制性閘門都不同程度存在地面沉降現(xiàn)象，其中獨流減河1985-2012年平均累計沉降量為1.33 m，蓄滯洪區(qū)最大沉降量為2.91 m。

（2）通過建立一維河網(wǎng)和二維蓄滯洪區(qū)銜接數(shù)學模型，對地面沉降前（1982年）、沉降后（2010年）50 a一遇洪水條件下大清河系尾閭洪水演進過程進行了模擬，并分析了區(qū)域性地面沉降對防洪形勢的影響。地面沉降后雖然河道和蓄滯洪區(qū)的水位降低了，但是河道與蓄滯洪區(qū)堤防也在同步降低，同時加上下游潮位頂托的影響，沉降后堤防超高平均減少0.82 m，左堤超高不足河段較沉降前增加2 km，加劇了區(qū)域防御洪水的風險。

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