洪澤湖中低水位下泄流能力數值模擬

薛聯青，成 誠，汪 露，張 敏，張 開

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098；2.皖江工學院水利工程學院，安徽 馬鞍山 243031；3.江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 淮安 223100)

淮河流域位于我國東部，湖泊眾多[1]，較大的湖泊有洪澤湖、高郵湖和邵伯湖等。地處九河下梢的洪澤湖是流域內最大的湖泊，為我國四大淡水湖之一，也是我國目前人工修筑的最大平原水庫之一，承接淮河中上游約16萬km2的全部來水[2]，最大入湖流量達1.98萬m3/s(1931年)[3]，抗洪作用在整個流域具有舉足輕重的地位。洪澤湖湖面是淮河中游的侵蝕基準面，由于淤積湖底不斷抬高，湖區范圍因而不斷沿河上溯，湖面上升引起淮河中游基準面上升，大部分泥沙特別是推移質泥沙淤積在中游河谷，使中游河道坡降變緩。目前淮河下游江蘇省的洪澤湖湖底高程為10～11 m，比淮河中游的蚌埠河底高程高出2 m，從而使得淮河干流中下游河床出現倒比降[4]。淮河干流全長約1 000 km,總落差約為200 m[5-6]，淮河干流上游及淮南、淮北支流坡降大、匯流快，產生的洪水峰高歷時短，但進入干流中下游河床后，受倒比降限制，洪水過程變得平緩，一旦流域發生中小型洪水，洪澤湖處于中低水位下，泄流能力不足，洪水下泄時間大幅延長，加之流域平原洼地眾多，平緩的洪水過程大幅延長了漫灘的時間，兩岸澇災嚴重[7]。因此，對中低水位下洪澤湖的行洪能力進行分析，并根據分析結果制定合理的方案，對洪澤湖的洪澇治理具有重要的現實意義。

1 研究區概況

淮河中游(圖1)上起安徽蚌埠，下至洪澤湖出湖口三河閘，地處32°85′N～33°94′N、117°42′E～118°94′E之間,位于亞熱帶季風氣候和溫帶季風氣候的分界處。洪澤湖位于淮河中游末端，承接淮河中上游約16萬km2的來水，淮河干流入流量占總入流量的70%以上[8]。湖區年平均降水量為925.5 mm，最大年降水量為1 240.9 mm，最小年降水量為 532.9 mm。降水年內分布極不均勻，一般集中在汛期6—9月[9]，多年平均降水量為605.9 mm，占年總降水量的65.5%，集中程度從南向北遞增。年降水量的空間分布從北向南、自西向東逐漸增多。湖區多年平均蒸發量為1 592.2 mm，旱澇災害的發生較為頻繁[10]。洪山頭至老子山河段為洪澤湖的入湖河道，阻水灘群較多，主要的灘地如圖1所示。腰東灘位于洪山頭下游1.5 km處，灘地面積約為 20 km2，高程12.2～14.0 m，全灘為圈圩；中港灘位于老子山上游10 km處，灘地面積約為 17 km2，高程10.8～11.6 m，以圈圩為主；附淮灘位于老子山下游 1 km 處，灘地面積約為 11 km2，高程12.2～12.7 m，大部分為圈圩；新灘位于附淮灘以北3 km處，灘地面積約為9 km2，高程11.9～13.3 m，大部分為圈圩。

圖1 研究區域概況

淮河中游蚌埠至洪山頭河段全長約140 km，河道坡降較緩，部分河段呈倒比降。兩岸洼地眾多，高程一般為15～20 m，低于河道設計洪水位4～6 m，低洼地特別是沿河洼地排澇困難[11]。

2 模型構建

2.1 數據來源

根據建模實際要求，利用已有的高程點及斷面資料，并參考相關文獻與衛星地圖，收集淮河干流蚌埠至老子山河段34個斷面數據作為一維模型的斷面資料，考慮淮河干流斷面形態變化，在浮山至洪山頭的倒比降河段設置18個斷面，蚌埠至臨淮關、臨淮關至浮山河段分別設置7個和9個斷面；二維模型中，由于洪澤湖的地形較為平坦，地形資料選取90 m的DEM數據，再根據洪澤湖實際湖底高程將湖區散點重采樣為1 000 m，其余區域地形資料為 30 m 的DEM數據。模擬所需的水文資料包括洪澤湖主要水文站的日尺度出入湖流量和水位；氣象資料來源于中國氣象數據網，包括模擬時段洪澤湖地區的逐日降雨和蒸散發數據、日平均溫度、日最高溫度、日最低溫度及平均風速與風向。淮河干流斷面一般比較規則，因此節點平灘水位采用斷面寬深比(b/H)曲線最低點時節點水位，并考慮沿程水位銜接，由此確定如表1所示的5個主要斷面的平灘水位，再由內插法得到淮河蚌埠以下沿岸的平灘水位。

表1 淮河干流主要斷面平灘水位

2.2 一二維耦合模型構建

在進行模型構建時，要充分考慮耦合模型的收斂性。影響耦合模型收斂性的因素眾多，包括模型時間步長、二維模型網格尺寸、地形壞點、耦合邊界地形匹配程度、初始條件、糙率以及耦合邊界連接方式等，需對上述可能出現的問題進行逐一排除。首先將一維河網模型調試穩定，調整時間步長；在二維模型中，需對部分網格進行局部加密并充分平滑過渡，刪除地形壞點，避免局部死水區導致的計算發散；在一維模型和二維模型均調試穩定后，要重點解決耦合邊界處可能導致的發散問題，耦合邊界應設于地形變化較為平順的區域，對子模型耦合界面附近的地形作適當修正以避免出現較大的地形突變；最后，適當調整耦合模型各部分的初始條件以及糙率等，盡量避免初始條件與邊界條件相差過大以及倒比降河段糙率過小等情況。

依據水力學特性，將一維水動力模型的范圍設置為淮河干流蚌埠至洪山頭河段，起到輸水及流量分配的作用，全長約137 km，沿線控制斷面34個。一維河網上游邊界為蚌埠，采取流量進行控制；下游邊界選取洪山頭，此處為一二維模型耦合斷面，根據模型模擬原理，將此處邊界條件設置為名義水位邊界，即給予邊界任意水位值，不影響模型計算結果。

洪山頭至老子山河段長約40 km，為洪澤湖的入湖河道，河道分為三汊，各汊之間設置有可漫頂的生產圩，流態復雜，且該河段呈倒比降，洪山頭河底高程約為8 m，老子山約為10 m，壅水嚴重。考慮實際計算需要與模型穩定性，設定二維模型計算范圍為洪山頭至洪澤湖出口三河閘段，并包括部分圈圩及行洪區，起到行洪與調蓄的作用。格網設置為非結構化網格，包含62 319個網格，32 894個節點。模型除耦合斷面外共有9個開邊界，其中池河、懷洪新河、新汴河、濉河、徐洪河、老濉河為上邊界，采用流量控制；三河閘、二河閘、高良澗為下邊界，采用水位流量關系曲線進行控制；同時考慮計算精度，在入湖河道及各開邊界處網格加密為200 m，其余區域網格設置為1 000 m。

一維河網模型中，區間降雨選取淮河干流小柳巷站實測降雨資料，二維網格模型氣象條件的設定采用洪澤湖附近盱眙站實測資料。由于模擬工況選擇中小型洪水，對研究區域其余行蓄洪區及部分水工建筑物不進行特殊設置，洪澤湖周邊生產圈圩按照堤防建筑物的形式在二維模型中設置，高程為 16 m，當水位超過圩頂時，按堰流公式計算水位。

模型通過Mike Flood軟件實現耦合[12-13]，Mike Flood采用動態解法，通過定義一維水流計算節點和二維計算網格的連接方式，可以實現不同情景的模擬，其中標準連接多用于模擬河湖連通水量交換，將多個Mike21網格與Mike11河段底端相連，Mike11計算模型的流量傳遞給Mike21，Mike21將耦合邊界水位返回到Mike11中，兩者結合進行模擬。因此，本文選擇標準連接進行模型的耦合。

3 模型率定與驗證

為研究中低水位下洪澤湖的行洪能力，根據1951—2017年實測流量資料，對淮河干流洪峰流量及最大洪量進行頻率分析，繪制淮河干流蚌埠站、小柳巷站洪峰流量的頻率曲線，確定蚌埠站5年一遇洪峰流量為6 300 m3/s，小柳巷站5年一遇洪峰流量為6 000 m3/s。由于淮河中下游的洪水過程較為平緩，一次洪水過程可長達30 d甚至更長時間，在此情況下，對蚌埠站和小柳巷站最大30 d洪量進行頻率分析，確定兩水文站5年一遇30 d最大洪量分別為156億m3與144億m3。同時因為淮河流域防洪規劃的不斷推進，選取較新的洪水過程進行率定驗證。綜合考慮，選擇率定時間為2015年6月26至8月22日，蚌埠站實測洪峰流量為5 700 m3/s，小柳巷站實測洪峰流量為5 500 m3/s，30 d最大洪量為120億m3；驗證期為2017年9月1日至11月1日，蚌埠站實測洪峰流量為5 000 m3/s，小柳巷站實測洪峰流量為 4 600 m3/s，30 d最大洪量為128億m3。

水動力模型率定的關鍵參數為模擬區域的糙率[14-18]，由于模型范圍較大、影響因素復雜，考慮到模型包括河網與湖泊，故率定水文站選取淮河干流蚌埠站和小柳巷站、洪澤湖入湖口老子山站及洪澤湖出湖口三河閘站。率定方式采用整體與局部相結合的方法，首先對一維河網和二維網格模型分別進行率定，在確定子模型的糙率后將模型進行耦合，依據耦合結果對各部分糙率進行調整。本次率定對不同區域賦值不同的糙率，通過對糙率的反復率定，確定淮河干流蚌埠至臨淮關、臨淮關至浮山、浮山至洪山頭河段的糙率分別為0.024、0.029和0.027，洪澤湖灘地圈圩的糙率為0.033，湖區為0.02。

為對模擬結果進行定量化評價，選用納什效率系數(NSE)作為模擬的評價標準。率定期和驗證期兩場洪水模擬結果如圖2和圖3所示，率定期小柳巷站流量模擬的納什效率系數達到了0.98，蚌埠站、老子山站、三河閘站的水位模擬的納什效率系數分別達到了0.96、0.91和0.94；驗證期小柳巷站流量納什效率系數為0.99，蚌埠站、老子山站、三河閘站的水位模擬納什效率系數分別為0.92、0.97和0.94，說明模型可以很好地模擬中低水位下洪澤湖的行洪過程。

(a)小柳巷站流量

(a)小柳巷站流量

4 模型模擬結果與分析

4.1 現狀條件下泄流能力

根據實測資料，2012年蚌埠站洪峰流量為 6 800 m3/s(7月5日)，30 d最大洪量為156億m3，與5年一遇洪水過程最為接近，故選取2012年洪水過程進行模擬。各入湖河道流量過程如圖4所示。

圖4 2012年5年一遇洪水洪澤湖各入湖河流流量過程

模擬結果顯示，在蚌埠站洪峰流量 6 800 m3/s的情況下，淮河干流的水位普遍較高，隨著河道斷面與蚌埠閘距離的增加，漫灘時間逐漸加長，此時洪澤湖水位較低，泄流能力差。淮河干流各水文站日均水位于7月5日到達最大值，蚌埠站最高水位為20.10 m，高出平灘水位1.87 m，漫灘時間17 d；臨淮關站最高水位為19.51 m，高出平灘水位1.98 m，漫灘時間26 d；香廟站最高水位為18.02 m，高出平灘水位1.43 m，漫灘時間25 d；浮山站最高水位為17.28 m，高出平灘水位1.82 m，漫灘時間34 d；洪山頭站最高水位為16.08 m，高出平灘水位0.97 m，漫灘時間33 d。模擬的水位與漫灘時間表明，淮河干流洪水在流域中下游過程變得平緩，下泄不暢，漫灘時間加長，為流域的排澇帶來困難。洪澤湖在應對中小洪水時存在行洪能力不足的情況，因此，通過整治提高洪澤湖的行洪能力十分關鍵。

4.2 擬定切灘方案下研究區域泄流能力復核

導致洪澤湖泄流能力不足的主要原因是湖區水位偏低，此時洪澤湖下泄流量小，難以達到下泄要求的水位，加之洪澤湖入湖河道沿程灘地圈圩眾多，增大了阻水面積與糙率，更加大了洪澤湖泄洪的困難。根據《洪澤湖保護規劃報告》[19]，洪澤湖入湖河段為規劃保護的重點片區，部分灘地需要實行切灘還湖。因此，結合實際要求，本文設置切除洪澤湖入湖河道腰東灘、中港灘、附淮灘、新灘方案，對比切灘前后研究區域水動力過程。

考慮入湖河道的河床變化情況，上游洪山頭處河底高程約為8 m，下游老子山處河底高程約為 10 m，現將切灘方案設定為腰東灘、中港灘、附淮灘及新灘的高程分別切灘至9 m、9 m、10 m和10 m。

對于切灘后的糙率確定，參考相關研究[20]，將切灘等同于河道水位上升的情況，此時切灘導致的下墊面形狀的改變對糙率的變化影響較小，故糙率可參考切灘前的灘地糙率進行賦值，同時考慮到切灘對于灘地植物的生長抑制，最終設置灘地糙率高于河道糙率0.01。因此，切灘后，腰東灘和中港灘的糙率為0.028，附淮灘和新灘的糙率為0.021。

切灘前后模型的計算結果對比如圖5所示，切灘后淮河干流的水位整體下降，越靠近湖區下降的幅度越大，如7月5日淮河干流洪峰時刻，蚌埠、臨淮關、香廟、浮山、洪山頭站水位分別下降0.02 m、0.07 m、0.21 m、0.55 m和0.70 m，河道漫灘時間分別減少1 d、4 d、9 d、9 d和17 d，河道整體漫灘時間明顯縮短。

(a)洪峰時刻沿程水位線

圖6為三河閘站水位最高時刻(7月13日)洪澤湖水位與流速變化，切灘后，湖區水位較切灘前整體升高0～0.08 m，入湖河道水位較切灘前下降0～0.07 m;切灘后，入湖河道與湖區流速明顯增大。從二維模型水位變化來看，切灘后湖區水位整體上升，河道水位下降，有效減輕了河道的洪澇災害;從流速變化來看，二維模型流速整體增大，洪水下泄速度加快。

(a)水位差

由于三河閘站是洪澤湖重要的水位控制站，對其進行水位變化與流速變化(圖7)的單獨分析。從全洪水過程來看，切灘前后三河閘站水位變化趨勢一致，時間上也基本吻合，這是由于只對洪澤湖入湖河道進行了切灘處理，使得洪水在入湖河道下泄順暢，并不影響洪水在淮河干流的演進，對整體洪水過程影響較小。在開始時刻，因為洪水入湖需要時間，切灘前后三河閘站水位均處于下降狀態，但由于入湖較為順暢，洪水流量較大，切灘后三河閘站水位的下降幅度小于切灘前。隨著入湖流量的增大，切灘前后三河閘站水位均在不斷上升，切灘后的水位始終高于切灘前，兩者在7月13日同時達到最大值，切灘前三河閘站水位最高值為13.26 m，此時洪澤湖對應的下泄流量為7 500 m3/s；切灘后水位最高值為13.33 m，相比切灘前升高0.07 m，此時洪澤湖對應的下泄流量為8 300 m3/s，較切灘前增大 800 m3/s，行洪能力提高11%。隨著入湖流量的降低，三河閘站水位開始降低，在8月5日后，由于入湖流量較小，切灘前入湖河道的行洪能力已滿足過水需求，切灘前后的水位趨于一致。切灘后三河閘站的流速整體增大，增加值在0.03～0.48 m3/s之間，這說明洪水下泄速度加快，洪澤湖的行洪能力有所提升。

(a)水位

洪澤湖切灘前后日均下泄流量的變化如圖8所示，總體過程與水位相似，與入湖流量變化呈正相關關系，不同點在于7月7—16日由于切灘后湖區水位升高至13.30 m以上，二河閘開閘泄流，洪澤湖下泄流量增大較為明顯。

圖8 切灘前后洪澤湖日均下泄流量

圖5～8的模擬結果表明，隨著河道與湖區距離的增加，河道水位對切灘工程的敏感度逐漸降低，蚌埠站水位下降僅0.02 m，洪峰時刻淮河干流主要水文站水位高于平灘水位，在發生中小洪水時仍有漫灘風險，這可能與淮河干流浮山至洪山頭河段河道狹窄、坡降為負有關。但對洪澤湖入湖河道的部分灘地進行切灘，可在流域發生中小洪水時有效降低淮河干流水位，減少河道漫灘時間，增強洪澤湖泄流能力。因此，將洪澤湖入湖河道的切灘工程與浮山至洪山頭河段的河道疏浚相結合對淮河中下游洪澇災害的治理至關重要。

5 結 論

a.基于Mike Flood軟件，將一維模型Mike11和二維模型Mike21耦合，建立淮河中下游蚌埠至洪澤湖出湖口三河閘段一二維耦合模型，選取2015年與2017年實測洪水過程對模型進行了率定與驗證，模擬結果較為精確，模型適用性好。選用2012年5年一遇洪水過程對洪澤湖行洪過程進行模擬，模擬結果顯示，淮河干流的水位普遍較高，隨著河道斷面與蚌埠閘距離的增加，漫灘時間逐漸加長，此時洪澤湖水位較低，泄流能力差，在應對中小洪水時存在泄流能力不足的情況。

b.為增強洪澤湖的泄流能力，減少淮河中下游漫灘時間，減輕沿淮洼地的排澇困難，對洪澤湖入湖河道腰東灘、中港灘、附淮灘、新灘分別切灘至9 m、9 m、10 m和10 m，運用耦合模型重新對2012年洪水過程進行切灘后的行洪分析。結果表明，切灘后洪峰時刻淮河干流各水文站的水位明顯下降，越靠近湖區下降的幅度越大，沿程漫灘時間顯著減少；洪澤湖水位明顯升高，湖泊下泄能力增強；二維模型區域流速整體加快，洪水下泄通暢。

c.隨著河道與湖區距離的增加，河道水位對切灘工程的敏感度逐漸降低，切灘后淮河干流主要水文站洪峰時刻水位仍高于平灘水位，淮河干流在流域發生中小洪水時仍有漫灘風險。因此，為進一步減輕淮河中下游的洪澇災害，需要將洪澤湖入湖河道的切灘工程與浮山至洪山頭河段的河道疏浚相結合。