基于水動力模型裕溪河干流潰堤風險分析

王 飛

（中水建管國際工程有限公司,江西 九江 332000）

1 引言

洪水暴發在一定程度上會造成河流出現潰堤現象,從而對河道沿線造成一定的威脅[1-2]。裕溪河是巢湖流域洪水入江的主要通道,針對裕溪河進行潰堤風險分析是十分必要的。目前,在河道水文研究中常用的方法是水動力模擬方法,具有計算效率高,結果可靠等優勢[3-5]。

2 模型參數選取與率定

裕溪河流域面積3929 km2,干流河道自巢湖閘至裕溪閘河道全長57.7km。根據1954 年、1969 年、1983 年、1991 年、1996 年、1998 年、1999 年、2003 年和2005 年9 個典型年巢湖流域洪水演算成果,裕溪河河道按20 年一遇標準設計（1969 年洪水）,裕溪河分段下泄流量分別為巢湖閘至蟹子口為1350 m3/s,蟹子口至裕溪閘為1170 m3/s。

（1）上邊界條件

將巢湖閘下的汛期實測流量過程作為模型的上邊界條件。2003 年巢湖閘下的洪水過程見圖1。

圖1 巢湖閘下2003 年汛期洪水過程

（2）旁側入流邊界條件

將無為站（西河口）、銅城閘及區間來水（或出流）2003 年汛期的實測流量過程作為模型的旁側入流邊界條件。無為站（西河口）、銅城閘洪水過程見圖2。

圖2 無為站、銅城閘2003 年汛期洪水過程

（3）下邊界條件

將裕溪閘上的汛期水位過程（見圖3）作為模型的下邊界條件。

圖3 裕溪閘上2003 年汛期水位過程

（4）參數選取及率定

根據流域水系情況,湖閘下為水網地區,水系復雜,巢湖閘下有裕溪河、牛屯河、西河3 個出口,出口分別設有裕溪閘、黃雒閘、銅城閘,有相應的流量水位資料,為更好地率定裕溪河河道參數,本次建立巢湖閘～裕溪閘～銅城閘～黃雒閘段的河道斷面模型。本次裕溪河河道參數率定采用2003 年實測水位流量進行計算。

①河道設置

構建巢湖閘下～裕溪閘下段率定河道模型,全長約57.6 km,118 個斷面；三汊河口～銅城閘河道長12.1 km,11 個斷面。裕溪閘處以MIKE 11 可控建筑物模塊的Control Structure 功能進行概化,銅城閘、黃雒閘根據點源形式對流量進行加載。

②糙率初值選取

裕溪河河道糙率參考《安徽省裕溪河治理工程可行性研究報告》,初始值采用主槽0.0225,灘地0.03。

③工況設置

計算時段設置：裕溪河下游水網復雜,河道承擔功能較多（泄洪、排澇、灌溉）,裕溪閘閘門啟閉大小均影響河內洪水位,為減小本次糙率率定的各種因素干擾,計算時段盡量選擇裕溪閘泄洪量較大可能是裕溪閘全開的工況進行,率定的計算時段選擇2003 年6 月21 日～2003 年8 月6 日。

計算參數設置：率定河道糙率,包括主槽和灘地。

計算邊界條件設置：巢湖閘（樁號0+000）上游入流采用巢湖閘實測流量過程；銅城閘、黃雒河閘出流采用銅城閘、黃雒閘實測流量以點源形式加載；下游出流斷面裕溪閘（樁號57+600）采用閘上實測水位過程。

率定結果：

裕溪河干流糙率主槽最終采用主槽0.024,灘地0.0336,2003 年巢湖閘下實測洪水位與率定計算水位對比圖分別見圖4。

圖4 2003 年洪水巢湖閘下實測水位與率定水位對比圖

結合率定結果圖和精度評價表可見,實測與模擬計算的水位差相對值均在0.2 m 以內,率定結果總體比較理想,水位峰值及相位等能夠得到較好的擬合。

3 裕溪河干流洪水風險計算方案

裕溪河干流發生1991 年實測洪水,計算時段為1991 年7 月10 日～1991 年8 月31 日,裕溪河干流一維水動學模型上游邊界提供巢湖閘、銅城閘及無為站實測及區間入流過程線,下游邊界提供裕溪閘閘下實測水位。一維模型與二維模型藕合位置為裕溪河干流樁號43+600 附近藏墩段潰口處,圩內地面高程6.5 m,潰口寬度130 m,潰口時機選在該處出現最高洪水位10.9 m 時,潰口方式為瞬間潰決。

（1）1991 年實測洪水,藏墩段潰堤,巢湖閘不控制方案

圩區澇水通過P+Pa～R 模型分析的相應時段凈雨,面雨量平鋪入圩區,再通過虛擬河道概化泵站排出；十四連圩、練綱圩因考慮裕溪河干流潰堤,潰堤后兩圩泵站不考慮抽排。

（2）1991 年實測洪水,藏墩段潰堤,巢湖閘關閘方案

圩區澇水通過P+Pa～R 模型分析的相應時段凈雨,面雨量平鋪入圩區,再通過虛擬河道概化泵站排出；十四連圩、練綱圩因考慮裕溪河干流潰堤,潰堤后兩圩泵站不考慮抽排。

（3）1991 年型放大100 年一遇洪水,藏墩段潰堤,巢湖閘不控制方案

圩區澇水通過P+Pa～R 模型分析的相應時段凈雨,面雨量平鋪入圩區,再通過虛擬河道概化泵站排出；十四連圩、練綱圩因考慮裕溪河干流潰堤,潰堤后兩圩泵站不考慮抽排。

（4）1991 年型放大100 年一遇洪水,藏墩段潰堤,巢湖閘關閘方案

瞬間潰決發生后,第二天巢湖閘、銅城閘及黃雒閘關閘,為防止江水倒灌,裕溪閘也關閘。

圩區澇水通過P+Pa～R 模型分析的相應時段凈雨,面雨量平鋪入圩區,再通過虛擬河道概化泵站排出；十四連圩、練綱圩因考慮裕溪河干流潰堤,潰堤后兩圩泵站不考慮抽排。

4 裕溪河干流洪水風險計算成果

（1）1991 年實測洪水,藏墩段潰堤,巢湖閘不控制方案成果

①淹沒范圍。裕溪河潰堤淹沒范圍為蕪湖市鳩山區的沈巷鎮（十四聯圩、練綱圩）、銅閘鎮共2 個鄉鎮,最高蓄洪水位為10.03 m。潰堤后保護區內水位線見圖5。

圖5 1991 年洪水巢湖閘不控制-裕溪河干流藏墩段潰口洪水過程

②淹沒水深。防洪保護區內大部分區域淹沒水深在2 m以上,最大淹沒水深4.88 m。最大淹沒水深分布見圖6（a）。

③流速分布。局部區域流速較大,超過1.0 m/s；大部分區域流速在0～1 m/s 之間。洪水最大流速分布見圖6（b）。

④洪水前鋒達到時間。洪水前鋒到達時間見圖6（c）。

圖6 洪水計算成果

⑤洪水成果分析

裕溪河干流藏墩段潰口工況設計標準（1991 年開閘）洪水,遭遇內部降雨,所有的鄉鎮均有影響,淹沒總人口約15.72 萬人,沈巷鎮受影響最大,影響人口11.65 萬人。總淹沒面積293.03 km2,總淹沒農田面積9155.72 hm2,受影響公路、鐵路長度137.43 km、15.63 km,受影響GDP 達666802 萬元。

（2）1991 年實測洪水,藏墩段潰堤,巢湖閘關閘方案成果

①淹沒范圍。裕溪河潰堤淹沒范圍為蕪湖市鳩山區的沈巷鎮（十四聯圩、練綱圩）、銅閘鎮共2 個鄉鎮,最高蓄洪水位為8.16 m。潰堤后保護區內水位線見圖7。

圖7 1991 年洪水巢湖閘關閘-裕溪河干流藏墩段潰口洪水過程

②淹沒水深。防洪保護區內大部分區域淹沒水深在2 m以上,最大淹沒水深3.3 m。最大淹沒水深見圖8（a）。

③流速分布。局部區域流速較大,超過1.0 m/s；大部分區域流速在0～1 m/s 之間。洪水最大流速見圖8（b）。

④洪水前鋒達到時間。洪水前鋒到達時間見圖8（c）。

圖8 洪水計算成果

⑤洪水成果分析

裕溪河干流藏墩段潰口工況設計標準（1991 年關閘）洪水,遭遇內部降雨,所有的鄉鎮均有影響,淹沒總人口約14.36 萬人,沈巷鎮受影響最大,影響人口10.75 萬人。總淹沒面積265.46 km2,總淹沒農田面積8405 hm2,受影響公路、鐵路長度113.63 km、9.35 km,受影響GDP 達611785 萬元。

（3）1991 年型放大100 年一遇洪水,藏墩段潰堤,巢湖閘不控制方案成果

①淹沒范圍。裕溪河潰堤淹沒范圍為蕪湖市鳩山區的沈巷鎮（十四聯圩、練綱圩）、銅閘鎮共2 個鄉鎮,最高蓄洪水位為10.11 m。潰堤后裕溪河干流及保護區內水位線見圖9。

圖9 1991 年放大100 年一遇洪水裕溪河干流藏墩段潰口洪水過程

②淹沒水深。防洪保護區內大部分區域淹沒水深在2 m以上,最大淹沒水深4.95 m。最大淹沒水深見圖10（a）。

③流速分布。局部區域流速較大,超過1.0 m/s；大部分區域流速在0～1 m/s 之間。洪水最大流速見圖10（b）。

④洪水前鋒達到時間。洪水前鋒到達時間見圖10（c）。

⑤洪水成果分析

裕溪河干流藏墩段潰口工況設計標準（100 年開閘）洪水,遭遇內部降雨,所有的鄉鎮均有影響,淹沒總人口約15.83 萬人,沈巷鎮受影響最大,影響人口11.69 萬人。總淹沒面積294.60 km2,總淹沒農田面積9207.73 hm2,受影響公路、鐵路長度137.93 km、15.63 km,受影響GDP 達668764 萬元。

（4）1991 年型放大100 年一遇洪水,藏墩段潰堤,巢湖閘關閘方案成果

①淹沒范圍。裕溪河潰堤淹沒范圍為蕪湖市鳩山區的沈巷鎮（十四聯圩、練綱圩）、銅閘鎮共2 個鄉鎮,最高蓄洪水位為8.19 m。潰堤后保護區內水位線見圖11。

圖11 1991 年放大100 年一遇洪水巢湖閘關-裕溪河干流藏墩段

②淹沒水深。防洪保護區內大部分區域淹沒水深在2 m以上,最大淹沒水深3.4 m。最大淹沒水深見圖12（a）。

③流速分布。局部區域流速較大,超過1.0 m/s；大部分區域流速在0～1 m/s 之間。洪水最大流速見圖12（b）。

④洪水前鋒達到時間。洪水前鋒到達時間見圖12（c）。

圖12 洪水計算成果

⑤洪水成果分析

裕溪河干流藏墩段潰口工況設計標準（100 年關閘）洪水,遭遇內部降雨,所有的鄉鎮均有影響,淹沒總人口約14.48 萬人,沈巷鎮受影響最大,影響人口10.86 萬人。總淹沒面積267.54 km2,總淹沒農田面積8436.1 hm2,受影響公路、鐵路長度116.93 km、10.15 km,受影響GDP 達617079 萬元。

5 結語

（1）裕溪河干流洪水計算方案選用的標準為91 年型和91 年型放大100 年一遇兩種工況。因裕溪河洪水來源為上游的巢湖流域,巢湖調蓄水面大,調蓄能力強,出口有巢湖閘控制下泄,因此,兩種標準洪水形成的水位和流量相差不大,破圩后,造成的對練綱圩及十四連圩的淹沒面積、范圍及水深均相差不大。

（2）裕溪河干流91 年型洪水藏墩段發生潰堤后,巢湖閘不控制工況下,最大進洪量為7.52 億m3,圩內最高蓄水位為10.03 m；巢湖閘關閘工況下,最大進洪量為3.15 億m3,其中巢湖閘上游來量1.98 億m3,區間來量1.48 億m3；從巢湖閘控制與不控制進洪效果看,巢湖閘不控制時大部分圩內淹沒水深達到3 m,而巢湖閘關閘后圩內淹沒水深大部分在2 m 以下,效果較明顯。主要原因是,裕溪河主要來水量是巢湖閘來量,區間匯水面積較小,洪量不大。此外巢湖閘關閘方案中巢湖閘上游來量與關閘時間有密切關系,如若潰口后,立馬可關巢湖閘,則圩內蓄水量還將大大降低,淹沒范圍及水深也將進一步減小。

（3）裕溪河干流91 年放大100 年型洪水藏墩段發生潰堤后,巢湖閘不控制工況為進洪量最大,進洪量為7.7 億m3,圩內最高蓄水位為10.11 m。