北京市大中型水庫下游河道行洪能力分析
——以懷柔水庫為例

劉一平，田景環(huán)

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450046）

隨著全球氣候變化和拉尼娜效應，我國極端降雨天氣頻發(fā)，帶來了較大風險，嚴重威脅人民的生命財產(chǎn)安全。面對暴雨洪水災害日益擴大的影響，利用相關洪水風險分析技術對大中型水庫下游河道行洪能力進行風險分析評估工作，對補齊水庫影響水安全問題的短板、實現(xiàn)洪水風險精細化管理具有十分重要的意義。河道上一般都存在橡膠壩等阻水建筑物，這些阻水物會對河道行洪造成一定的影響，為了下游保護區(qū)安全，需要對其進行風險分析，以改善行洪情況，保障兩岸安全。本文所采用的洪水風險分析技術是基于水動力學原理的數(shù)值模型法[1-5]。數(shù)值模型法可模擬河道水位、淹沒面積等風險要素的具體情況，但計算耗時較長，可利用簡化水動力學模型[6，7]、并行求解技術[8，9]等手段解決計算速度的問題，也可在保證模擬精度的前提上通過控制二維網(wǎng)格數(shù)量實現(xiàn)快速計算。本文通過構建水動力數(shù)值模型來分析河道行洪能力及有無阻水建筑物對河道行洪狀態(tài)的影響。

大中型水庫的攔洪調(diào)蓄作用，為下游河道爭取了更大的防洪安全保障，因而進一步促進了下游河道兩岸保護區(qū)的經(jīng)濟活動。兩岸經(jīng)濟活動又進一步導致跨河工程和建筑物增多，極易形成河道障礙物，改變河道設計行洪能力。同時，眾所周知，大中型水庫的防洪標準是有限度的，一旦水庫發(fā)生超標準洪水，下游河道及兩岸保護區(qū)依然面臨巨大的洪水風險。因此，大中型水庫下游河道行洪能力一直是水庫和河道洪水風險管理關注的重點，有必要分析河道阻水建筑物對河道行洪能力的影響，為防洪工作提供參考。

目前，比較常用的河道行洪能力分析技術為MIKE11、InfoWorks ICM、HEC-RAS等水動力模型，對目標河道建立一維分析模型，分析主要斷面的過流能力。目前的河道行洪能力研究主要針對河道斷面形狀及兩岸堤防進行分析，而對河道上阻水建筑物的影響研究較少，本文在河道行洪能力分析中加入了對橡膠壩、橋梁等阻水建筑物的考慮，通過模型計算分析阻水建筑物對河道行洪的具體影響。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)資料

懷柔水庫于1958年7月建成，是一座防洪灌溉等綜合利用的大型水庫，控制流域面積525 km2，總庫容1.44億m3，防洪標準按100 a一遇洪水設計，設計洪水位64.16 m，2000 a一遇洪水校核，校核洪水位67.73 m，最大下泄量3036 m3/s。

懷河為潮白河支流，上游由懷九河、懷沙河兩大支流匯合后入懷柔水庫，在史家口村入潮白河。懷河總長71.77 km，流域面積1012.4 km2，河道防洪標準為20 a一遇洪水設計，利用堤防超高可抵御50 a一遇洪水。懷河干流上已建成廟城橡膠壩、創(chuàng)業(yè)橋橡膠壩與三號橡膠壩共3座攔河橡膠壩以及若干橋梁。

懷柔區(qū)位于北京市東北部，總面積2122.6 km2，2022年末全區(qū)常住人口42.2萬人。懷柔市區(qū)位于懷柔水庫下方，懷河從市區(qū)中央穿過，懷柔水庫及懷河位置如圖1所示。若爆發(fā)洪水，將對市區(qū)造成極大影響，因此必須做好防備預案，及時應對汛情。

圖1 懷柔水庫及懷河位置示意

懷柔水庫建庫以來，共發(fā)生41場較大洪水（洪峰流量＞100 m3/s），其中最大一場流域平均降雨量242 mm，最大站點降雨量達451.4 mm，入庫洪峰流量3860 m3/s，3 d洪水總量4930萬m3。暴雨歷時短、強度大，水位上漲十分迅猛。為保障人民生命財產(chǎn)安全，必須重視懷柔水庫洪水風險，明確懷河下游河道過流能力。

2 方法及原理

本文采用一二維水動力耦合模型展開河道水動力分析，模型計算原理如下。

2.1 河道一維模型

模型采用有限差分和有限體積聯(lián)合求解算法，連續(xù)方程和動量方程離散形式分別表示為：

式中：A為過流面積（m2）；x為河長（m）；t為時間（s）；z為斷面水位（m）；v為流速（m/s）；||V為流速的模；α為動量修正系數(shù)；Q為斷面流量（m3/s），且Q=Av；q為源項（m2/s）；g為重力加速度（m/s2）；n為曼寧糙率系數(shù)；R為水力半徑（m）。

跨河建筑物一般收窄河道寬度或抬高河道底高程，從而減小河道過流斷面，影響行洪能力，其主要形式如圖2所示。模型采用堰流公式計算，即：

圖2 跨河阻水建筑物示意

式中：Q為流量（m3/s）；B為過流寬度（m）；H0為堰上水頭（m）；m為流量系數(shù)；σ為淹沒出流系數(shù)；g為重力加速度（m/s2）。

懷河河道上對行洪影響較大的跨河建筑物為3座橡膠壩及2座橋梁，共5處阻水建筑物，可將其在模型中統(tǒng)一概化為橡膠壩型阻水建筑物，以方便計算與分析。經(jīng)過實地觀測與分析，將橡膠壩在模型工況中設為底高抬高0.5 m的正常河道斷面，對于模型中橋的處理，同樣將橋處斷面底高抬高0.5 m，考慮到橋墩阻水效應，應將河道過水斷面收窄20%。

2.2 保護區(qū)二維模型

懷柔水庫下游淹沒區(qū)地勢平坦，水流運動相對平緩，為提高計算速度，模型采用省略對流項的二維淺水方程組，控制方程分別為：

式中：t為時刻（s）；h為水深（m）；u、v分別為x、y方向上的流速分量（m/s）；||V為流速的模；n為糙率系數(shù)；g為重力加速度（m/s2）。

2.3 一二維側向耦合

河道一維模型與保護區(qū)二維模型，通過堤防進行耦合。下游河道堤頂溢流的流量按寬頂堰流公式計算，即：

式中：Q j為潰口流量（m3）；σ為淹沒出流系數(shù)；m為流量系數(shù)；H為堰頂水深（m）；B為漫溢堤段長度（m）。

3 模型構建及分析

為了分析懷柔水庫非常規(guī)泄洪對下游懷河兩岸保護區(qū)影響，應基于中國水利水電科學研究院自主研發(fā)的洪水分析模型展開分析計算。

3.1 構建范圍

本文構建懷河干流及左右保護區(qū)一二維耦合的水動力模型，分析懷河干流行洪能力，以及懷河左右堤防可能發(fā)生的漫溢及造成的淹沒風險。保護區(qū)內(nèi)小泉河、雁西河以及下游潮白河均納入一維模型構建范圍。懷河干支流斷面數(shù)據(jù)基于北京市2016年2 m分辨率DEM提取，斷面間距200 m。懷柔水庫庫區(qū)范圍地表二維模型總面積約3 km2，剖分網(wǎng)格約3892個；懷河干流左右保護區(qū)地表二維模型總面積約285 km2，網(wǎng)格尺度50～100 m，并考慮阻水道路、堤防、河道的分布，總網(wǎng)格33128個。地表網(wǎng)格單元高程根據(jù)北京市現(xiàn)有5 m DEM數(shù)據(jù)取值。

將懷河干流及支流一維模型與左右保護區(qū)地表模型進行耦合，其一二維模型示意如圖3所示，使沿河道的二維網(wǎng)格邊與最近的河道斷面耦合，共建立一二維耦合連接點81個，通過懷河干流一二維耦合連接點，一維和二維模型在運行計算中聯(lián)合為一體，懷河干流洪水一旦發(fā)生漫溢，洪水將由左右堤漫溢進入保護區(qū)，通過模型工具的程序計算模擬洪水在保護區(qū)網(wǎng)格的淹沒流動情況。漫溢洪水采用堰流公式實時計算。下游河道中添加5處阻水建筑物，作為修改后的斷面加入一維模型，本文分析中假定橡膠壩保持升起狀態(tài)，橡膠壩處斷面抬高，橋梁也保持縮窄斷面的阻水效果。

圖3 一二維模型示意

從懷柔水庫洪水來源及本文研究要求出發(fā)，根據(jù)《水利水電工程設計洪水計算規(guī)范》（SL44-2006）與《北京市水文手冊》等標準規(guī)范和懷柔降雨資料推算懷柔水庫設計洪水，考慮到稍小洪水更能凸顯有無阻水建筑物時河道行洪的差別，因此選取50 a一遇設計洪水作為研究方案，為防范較大洪水，為洪水災害做好預案準備，再選取1000 a一遇設計洪水進行研究，洪水泄流過程線如圖4所示。為了保障下游安全，在懷柔水庫的控制下，50 a一遇洪水下泄時最大流量控制為800 m3/s，1000 a一遇洪水敞泄。懷河起點為懷柔水庫泄洪閘，設計洪水以此處為起點進入河道。根據(jù)防汛應急處置的需求，應通過水動力數(shù)值模型模擬分析以下問題：在該洪水條件下，有無河道阻水建筑物對河道水位及出流后淹沒面積的差別影響。

圖4 50 a一遇及1000 a一遇洪水泄流過程線

3.2 河道行洪能力

3.2.1 斷面滿溢流量

利用構建的懷柔水庫下游懷河一維模型，對水庫—懷河潮白河匯合口段進行了行洪能力分析。分別以水庫恒定流泄流40、100、320、500，600、700與800、900、1000 m3/s，分析下游河道過洪能力，記錄洪水漫堤河段，懷河左右堤漫溢臨界流量情況詳見表1。根據(jù)模型計算結果分析，懷柔水庫泄流320 m3/s洪水時，下游能順利行洪過流，當上游漫溢行洪后下游河道堤防基本無問題。其中，最易溢洪處為河段14斷面5，其右堤在行洪流量為470 m3/s時就開始漫溢。

表1 懷河左右堤漫溢臨界流量情況

3.2.2 有無阻水斷面水位

選取懷河河段中橡膠壩上游斷面，比較該斷面在有阻水和無阻水情況下河道按50 a一遇及1000 a一遇洪水行洪時水位的變化，有無阻水斷面水位變化情況分別如圖5—6所示。在洪水到達洪峰后，由于下游阻水建筑物的阻攔作用，有阻水斷面的水位明顯比無阻水斷面要高，這是因為下游橡膠壩壅高了水位。查看50 a一遇及1000 a一遇洪水其他阻水建筑物上游斷面的水位情況，結果和河段3的2號斷面同樣是有阻水時斷面水位更高。由此可以確定，河道行洪過程中阻水建筑物確實會造成影響，導致上游河段壅高水位，進而可能導致河水漫堤，淹沒保護區(qū)，加大洪水風險。

圖5 50 a一遇洪水有無阻水斷面水位變化

圖6 1000 a一遇洪水有無阻水斷面水位變化

3.3 淹沒范圍

模型計算可得洪水淹沒范圍，因為河道行洪條件不同，有阻水建筑物情況下的淹沒范圍和無阻水建筑物情況下的淹沒范圍也有不同，具體情況如圖7—8所示。對于50 a一遇洪水，無阻水建筑物下總淹沒面積為10.6 km2，而有阻水建筑物下總淹沒面積為12 km2；對于1000 a一遇洪水，無阻水建筑物下總淹沒面積為32.8 km2，而有阻水建筑物下總淹阻水建筑物的情況下，阻水建筑物對洪水有一定的阻攔作用，壅高了水位，導致出流水量增加，則河道出流后對于下游保護區(qū)的淹沒范圍會更大。河道北岸淹沒范圍較小，因此受阻水建筑物影響也較小，有無阻水建筑物淹沒范圍變化不大；南岸區(qū)域高程較低，因此淹沒范圍較大，受阻水建筑物影響也較大，擴大的淹沒范圍基本集中在南岸。

圖7 有無阻水建筑物下50 a一遇洪水淹沒范圍

4 結論

本文以北京市懷柔水庫為例，建立了以懷柔地區(qū)數(shù)據(jù)為基礎的數(shù)值模型，闡述了洪水風險分析技術在河道行洪能力分析中的應用，結果表明基于水動力數(shù)值模型法可高效準確地模擬河道行洪、出流及淹沒狀況。文中所述數(shù)值模型構建、堤防出流區(qū)域、洪水淹沒狀況等過程，可為類似事件的防洪決策及科學研究提供借鑒。

本文根據(jù)模型計算結果對懷河進行河道行洪能力分析，確認了河段各范圍滿溢的臨界流量，分析了50 a一遇洪水的河流縱剖面圖，通過這些內(nèi)容確定了懷河干流的行洪能力，并設計了有無阻水建筑物2種狀況下的水動力數(shù)值模型，分析了阻水建筑物對河道行洪能力的影響，結果表明，阻水建筑物對河道行洪過程中的水位變化、出流時間、淹沒范圍均有沒面積為33.8 km2。在有影響，如壅高水位、增大淹沒范圍，在防洪抗險及相關科學研究中應考慮河道中阻水建筑物的作用。

圖8 有無阻水建筑物下1000 a一遇洪水淹沒范圍