河道整治方案優化模擬研究

李春輝，苑希民，田福昌，劉天鵬

(1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021;2.水利部寒區工程技術研究中心，吉林 長春 130021;3.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300350)

1 概況

淮河干流具有上游陡、中游平、下游翹的特點，上游洪水下泄速度快，下游排泄不暢，中游易成為洪水滯蓄場地。加之中游河道漫灘幾率低，遇洪水極易形成高水位長歷時狀況，“關門淹”問題突出，行蓄洪區啟用頻繁，嚴重影響兩岸經濟發展[1]。現有河道整治措施雖然取得了較好的防洪效果，但淮河中游洪水位并未得到顯著降低，科學有效地評估河道整治對洪水的影響效應，對淮河進一步治理規劃十分重要。

近年來，針對工程對洪水影響的評估技術和方法已有不少研究成果。Jeong A等[2]開發了一種河道疏浚管理模型，研究了河道疏浚工程的影響；Forster等[3- 4]采用一、二維耦合模型模擬了蓄滯洪區的運行機制；孫東坡等[5]采用二維平面水沙數學模型計算黃河下游游蕩型河段，模擬在現狀生產堤、廢除生產堤、限制生產堤三種工況下的洪水演進過程，分析了三種不同邊界條件對洪水水位、河段流速、灘槽沖淤的影響；陳可鋒等[6]利用潮流數學模型模擬分析了射陽河口攔門沙航道開挖后的水流及含沙量變化。

本文在已有研究基礎上，基于水力學方法建立淮河干流正陽關至吳家渡段水動力數學模型，開展典型年設計洪水條件下不同整治方案洪水演進過程的模擬研究，重點關注不同整治方案對該河段沿程水位、測站水位流量關系、洪水演進過程以及泄流能力等方面的影響，為進一步提高淮河中游的防洪除澇能力，切實解決“關門淹”問題提供參考依據。

2 研究范圍

如圖1所示，正陽關至吳家渡段河道彎曲、狹窄、分汊，河道比降平緩，洪水排泄不暢，自1954年淮河全流域大水后，該河段先后實施過多處整治工程[8]。根據淮河流域防洪規劃，要求該段河道設計泄流能力提高到10000m3/s，目前已完成的工程有壽西湖退堤切崗，石姚段和洛河洼堤防退建并改為防洪保護區，荊山湖改建為閘控行洪區；在建中的工程包括壽西湖和董峰湖改為閘控行洪區，退建董峰湖行洪堤，鳳臺峽山口段疏浚工程，湯漁湖堤防退建并調整為閘控行洪區；規劃建設工程有廢棄上下六坊堤行洪區，鏟除行洪堤，恢復為河道灘地。部分河道整治工程經歷了1991年、2003年和2007年大洪水的檢驗，發揮了顯著的防洪效益，但是仍未解決淮河“關門淹”問題。

圖1 淮河中游正陽關至吳家渡段河道示意圖

3 計算原理與方法

3.1 計算原理

淮河干流正陽關至吳家渡段河道計算采用描述明渠一維非恒定流運動的圣維南方程組，求解方法為Abbott六點隱式差分離散，控制方程如下：

連續性方程：

(1)

動量方程：

(2)

式中，A—過水斷面面積，m2；Q—流量，m3/s；Z—水位，m；R—水力半徑，m；t—時間的坐標，s；x—空間的坐標，m；q—旁側入流單寬流量，m2/s；g—重力加速度，m/s2；α—動量修正系數，無量綱常量。

3.2 計算方法

淮河干流作為長系列長距離的大規劃系統，使用一維模型較為有效，通過充分考慮支流入匯、行蓄洪區以及閘壩調度等的綜合影響[9- 10]，建立淮河干流正陽關-吳家渡段一維水動力數學模型，上邊界給定正陽關實測流量過程，下邊界給定吳家渡實測水位過程。模型中一些重要節點處理方法如下：

(1)蚌埠閘處理方法

蚌埠閘是淮河中游防洪工程體系的主要組成部分，是控制淮河中游洪水的關鍵工程，設有28孔節制閘和12孔新節制閘，工程調度情況非常復雜，現有資料多為閘上和閘下水位或流量過程，采用添加列表建筑物的方法處理蚌埠閘。通過定義過閘流量與上、下游水位之間的關系，反映蚌埠閘的泄流過程。計算模式為：

Q=f(hU/S，hD/S)

(3)

式中，Q—流量，m3/s；hU/S—閘上水位，m；hD/S—閘下水位，m。

(2)行洪區處理方法

行洪區實際運用過程十分復雜，既有干流河道向行洪區分洪，也有行洪區向河道退水，且行洪前行洪區內為干河床，若模擬時不將其納入計算范圍，行洪后再納入，則需要改變河網節點數目和刪減河段，改變河網結構。當發生超過圩堤防洪標準的大洪水時，啟用的行洪區像河道一樣正常行洪，因此采用將行洪區擴展為河道大斷面的方法能夠充分反映出河道的行洪過程。

對于上、下六坊堤這種類似河心洲的行洪區，處理方法為以南岸支流河道斷面為基準，延長至與北岸支流相交，在相交位置根據北岸支流相鄰斷面內插出北岸支流的斷面，如圖2所示，并參考行洪區高程點得到行洪區所在斷面的高程值，處理后的河道大斷面如圖3(a)所示；對于石姚段、洛河洼等分布在河道一側的行洪區，處理方法為以淮河干流河道斷面為基準，向行洪區方向延伸，并參考行洪區高程點得到行洪區所在斷面的高程值，處理后的河道大斷面如圖3(b)所示。

圖2 上、下六坊堤河道斷面處理方式示意圖

圖3 行洪區處理為河道后的大斷面圖

(3)支流處理方法

篩選對干流洪水影響較大的支流，主要為潁河和渦河，其控制站分別為阜陽閘和蒙城閘，通過馬斯京根法將各控制站洪水過程演算至干流河道相應里程處，并以點源的形式加入到一維河網中[5- 7]。

4 結果分析

4.1 模型率定和驗證

模型河道斷面采用2003年實測斷面資料，驗證洪水年份為2003年和2006年，基本保證與地形資料同步。該河段模型計算糙率為0.032～0.033，與多年實測糙率值相符，選用魯臺子水文站和淮南水位站實測洪水過程進行驗證。2006年沿程行蓄洪區均未啟用，可進行平槽和漫灘級洪水驗證；2003年沿程啟用了上六坊堤、下六坊堤、石姚段、洛河洼和荊山湖行洪區，可進行大流量級洪水驗證。計算與實測洪水過程比較如圖4和圖5所示，計算值與實測值誤差均在3%以內，表明模型具有較高精度，可以為河道整治方案的模擬評估提供計算平臺。

圖4 2003年大洪水驗證

4.2 方案計算

淮河干流正陽關至吳家渡段近期演變趨勢主要表現為主槽沖刷、灘地微淤，自上而下主槽沖刷速度不斷加大、灘地淤積速度不斷減慢，河道深泓不斷下切。淮河干流來水無明顯變化而輸沙逐漸減少，有利于河道主槽沖刷和邊坡的穩定，這也為河道疏浚等整治工程的實施提供了必要條件。根據《淮河流域防洪規劃》和《淮河干流行蓄洪區調整規劃》，要求通過河道拓浚，擴大洪水通道，行蓄洪區調整，減少行蓄洪區的啟用幾率[8]。本文擬定三個河道整治方案，并基于上述淮河干流正陽關至吳家渡段水動力數學模型對各方案進行模擬計算，對比分析不同整治方案的差異和優劣，為淮河進一步治理提供技術參考依據，見表1。

表1 整治方案優化設計

方案1為規劃方案，方案2以疏浚工程為主，行洪區調整為輔，方案3以行洪區調整為主，疏浚工程為輔。由于淮河各河段洪水頻率不同，例如2003年洪水中正陽關洪水頻率接近20年一遇而蚌埠洪水頻率大于20年一遇，因此本文主要對2003年和2007年兩個典型年以及不同量級洪水進行研究。

4.2.1沿程水位計算與分析

應用上述水動力數學模型對各整治方案的洪水演進過程進行模擬，得到2003和2007年洪水條件下各整治方案的模擬水位值，與實測值對比得到各河道整治方案產生的水位效益，沿程各水位節點實測及模擬值見表2和圖6，Z表示實測水位，Z1、Z2、Z3和ΔZ1、ΔZ2、ΔZ3分別表示方案1、方案2和方案3的模擬水位和水位效益。

由表2和圖6可以看出，與實測水位相比各水位節點模擬水位值下降，各河段水面比降也有所下降。2003年洪水條件下，方案1沿程水位降低0.31～0.64m左右，方案2沿程水位降低0.58～1.09m左右，方案3沿程水位降低0.48～0.85m左右，方案2產生的水位效益最大。2007年洪水條件下，方案1沿程水位降低0.13～0.42m左右，方案2沿程水位降低0.35～0.80m左右，方案3沿程水位降低0.30～0.61m左右，方案2產生的水位效益最大。

表2 2003年淮河干流正陽關至蚌埠段河道模擬水位值 單位：m

圖6 各整治方案沿程最大水位

由上述分析可知各方案均降低了河道水位，但2007年洪水條件下水位降低幅度明顯小于2003年，由于實測值是在本年地形條件下測得，說明2003—2007年間實施的整治工程產生了一定的水位效益，故與設計整治方案相比產生的水位效益較小。從兩場典型年洪水模擬結果中可以看出，方案2產生的水位效益最大，說明疏浚阻水河段比行洪區堤防退建降低沿程水位效果更好，在河道灘邊足夠寬，疏浚空間充足，河床穩定以及水沙條件允許的情況下，可作為河道整治的一項重要措施。

4.2.2水位流量關系分析

正陽關至吳家渡段之間有魯臺子水文站，基于上述水動力數學模型分析不同整治方案下魯臺子站的水位-流量關系變化情況。在2003年和2007年洪水條件下，計算得到方案1、方案2和方案3魯臺子站同級別水位下的流量變化及同級別流量下的水位變化情況，見表3—4，表中Q表示同級別水位下的實測流量，Q1、Q2和Q3分別表示方案1、方案2和方案3在同級別水位下的模擬流量，ΔQ1、ΔQ2和ΔQ3分別表示與實測值相比方案1、方案2和方案3同級別水位下的流量增幅；Z表示同級別流量下的實測水位，Z1、Z2和Z3分別表示方案1、方案2和方案3在同級別流量下的模擬水位，ΔZ1、ΔZ2和ΔZ3分別表示與實測值相比方案1、方案2和方案3同級別流量下的水位降幅，可以看出方案2在同級別水位下的流量增幅最大，同級別流量下的水位降幅最大，說明方案2河道的行洪能力最大。

表3 魯臺子站同級別水位下流量變幅 單位：m3/s

4.2.3洪水演進過程分析

在不同優化設計方案河道斷面條件下還原2003年洪水，對比計算與實測洪水過程，分析不同河道整治方案對淮河干流洪水的減災效應。圖7(a)為峽山口站水位過程線比較，2003年實測最高水位25.06m，方案1計算最高水位24.75m，較實測值降低0.31m，方案2計算最高水位24.23m，較實測值降低0.83m，方案3計算最高水位24.45m，較實測值降低0.61m。圖7(b)為淮南站水位過程線比較，2003年實測最高水位24.38m，方案1計算最高水位23.74m，較實測值降低0.64m，方案2計算最高水位23.32m，較實測值降低1.06m，方案3計算最高水位23.53m，較實測值降低0.85m。

圖7 2003年洪水條件下水位過程對比

在不同設計方案河道斷面條件下還原2007年洪水，圖8(a)為峽山口站水位過程線比較，2007年實測最高水位24.90m，方案1計算最高水位24.59m，較實測值降低0.31m，方案2計算最高水位24.17m，較實測值降低0.73m，方案3計算最高水位24.38m，較實測值降低0.52m。圖8(b)為淮南站水位過程線比較，2007年實測最高水位23.72m，方案1計算最高水位23.50m，較實測值降低0.22m，方案2計算最高水位23.19m，較實測值降低0.53m，方案3計算最高水位23.34m，較實測值降低0.38m。與實測洪水過程相比，各方案模擬洪水過程均出現洪峰滯后的現象，分析是2007年大洪水中該河段局部性降雨導致的，由于缺乏降雨資料，在模型計算過程中未考慮降雨的影響。

表4 魯臺子站同級別流量下水位變幅 單位：m

圖8 2007年洪水條件下水位過程對比

4.2.4泄流能力計算與分析

增加灘槽泄流能力，提高行洪區使用標準，對改善河勢、保障防洪安全和促進沿河經濟發展都具有積極意義。正陽關至吳家渡段河道堤距較窄，河道泄流能力不足，沿程行洪區啟用頻繁，約5～8年一遇，且行洪能力達不到規劃要求，因此擴大中小洪水行洪通道十分必要。基于上述水動力數學模型，計算各整治方案在設計水位條件下的灘槽泄流能力，各測站設計水位及河道灘槽泄量見表5。中小洪水條件下該河段河道規劃泄流能力為8000m3/s，可以看出各整治方案在設計水位下河道泄流能力基本滿足規劃要求。

表5 設計水位條件下各河段灘槽泄流能力 單位：m3/s

5 結論

(1)本文建立了正陽關至吳家渡段水動力數學模型，采用2003年和2006年實測洪水過程對模型率定和驗證，計算結果與實測資料吻合較好，可為不同河道整治方案洪水演進模擬提供計算平臺。

(2)利用模型對2003和2007兩個典型年設計洪水條件下不同河道整治方案洪水演進過程進行模擬計算，結果表明河道整治及行洪區調整工程可有效降低洪水位，減緩水面比降，提高河道灘槽泄流能力。

(3)以河道疏浚為主，行洪區調整為輔的方案2沿程水位降低最多，同級別流量或水位條件下水位變幅或流量變幅最大，河道行洪能力大。在耕地面積日益減少，行蓄洪區調整采取大規模退田還河的難度越來越大的情況下，方案2對改善河勢、保障防洪安全和促進沿河經濟發展都具有積極意義。