南水北調中線左岸排水渡槽洪水風險分析

苗玉霞

（河南省水利移民事務中心，河南 鄭州 450003）

0 前言

南水北調中線工程是實現中國水資源優化配置、促進經濟社會可持續發展、保障和改善民生的重大戰略性基礎設施。工程沿線布置有上千座立體交叉建筑物，其中輸水建筑物159座，左岸排水建筑物458座。左岸排水建筑物擔負著中線工程總干渠左岸洪水的行洪任務，對保障中線工程總干渠安全穩定運行具有重要意義。

隨著社會經濟的持續快速發展和城市化進程的加劇，左岸排水建筑物區域的地形、地物可能發生較大的變化，因此需要模擬在現狀地形、地物特征條件下的洪水演進過程，分析對總干渠及工程上下游可能產生的風險，提出相應的工程處理方案，為中線工程汛期應急搶險、工程維護提供決策支持。

1 工程概況

1.1 工程布置

晏曲溝左岸排水渡槽于廿里鋪鄉魏寨村附近與總干渠相交，軸線交點滎陽段樁號為XYD6+930.57。交叉斷面以上集水面積2.31 km2，溝長2.60 km、比降3.40‰。交叉斷面處，河道50年一遇設計流量54 m3/s，200 年一遇校核流量77 m3/s；總干渠設計流量265 m3/s，相應水位118.93 m，加大流量320 m3/s，相應水位119.64 m，渠底寬18.00 m，渠底高程111.93 m。

晏曲溝左岸排水渡槽主要包括進口防護段、進口漸變段、進口連接段、槽身段、出口連接段、陡坡段、消力池段、出口漸變段、出口防護段。

1.2 設計洪水成果

晏曲溝為無實測資料山丘區河流，根據圖集查算設計暴雨，采用推理公式法計算晏曲溝與總干渠交叉斷面設計洪水。

總干渠修建后，晏曲溝與魏寨溝串流。晏曲溝交叉建筑物為排水渡槽，經采用水庫調洪法計算建總干渠后水位流量，選定斷面尺寸為1.00 m×8.00 m×2.90 m，建總干渠前后交叉斷面各頻率水位及流量成果見表1。

表1 晏曲溝各頻率水位泄量成果表

2 模型構建和率定

2.1 模擬方案

模擬設計洪水采用設計標準50 年一遇和校核標準200 年一遇兩種工況，各頻率洪水過程均采用24 h。

建立洪水演進模型，模擬洪水演進過程，得到河道不同斷面的水位、流量過程線以及洪水淹沒范圍、水深、流速等風險要素。

2.2 模型原理

二維洪水演進控制方程組，如式（1）至式（4）：

式中：H為水深；u、v為x、y方向的垂線平均流速；ε為紊動黏性系數；g為重力加速度；Z為水位；Z0為地面高程；n為糙率。

2.3 模型范圍

為準確反應現狀地形對晏曲溝、魏寨溝左岸排水渡槽及總干渠附近的洪水演進影響，以總干渠堤防、公路、地勢高區域為界，選取魏寨溝與總干渠交叉斷面上游約490 m 建設路為南邊界，晏曲溝與總干渠交叉斷面下游750 m 繩金路為北邊界，總干渠右側1 050 m鄭州繞城高速為東邊界，晏曲溝上游河道較高處為西邊界作為模型計算范圍，總面積為2.65 km2，進行無人機航測，得到0.10 m 分辨率的高清正射影像和數字高程地形。

2.4 模型構建

2.4.1 地形網格剖分與地形插值

采用非結構性網格進行地形剖分，單一網格面積不超過25 m2，最大邊長不超過8 m，對渡槽建筑物、河道以及截洪溝等關鍵位置進行網格加密，加密網格邊長為1～5 m。通過數字高程地形對生成的網格進行插值得到網格文件，共剖分網格數量186 051個。

2.4.2 模擬時間和計算步長

模擬時間選取24 個小時，以保證能夠完整地模擬淹沒演進過程。計算時間步長直接影響模型的穩定性和模擬計算所需時間，根據網格大小，確定計算時間步長為5 s。

2.4.3 邊界條件

結合晏曲溝、魏寨溝上下游河道地形，模型上邊界為兩個入流點源，分別位于晏曲溝上游河道、魏寨溝上游河道，洪水過程為50年一遇和200年一遇洪水過程。

模型下邊界為晏曲溝下游河道與魏寨溝下游河道交匯處下游約500 m繩金路涵洞處，設置為開邊界，設置流速邊界；在總干渠左岸截流溝處、總干渠右岸道路處設置開邊界，設置為流速邊界。

2.4.4 干濕邊界

對于陸地二維洪水模擬，從模型穩定性和產匯流效果多方面考慮，將模型干水深設置為0.005 m，濕水深設置為0.1 m。

2.4.5 糙率

在二維洪水淹沒演進模型中，通過按居民地、耕地、道路、空地、河道等細分各類下墊面，并分別賦予不同的糙率值。模型中各下墊面的糙率參考南水北調總干渠原設計階段賦值和《洪水風險圖編制導則》推薦值。

2.5 模型參數率定

為保證構建模型的準確性，對構建的晏曲溝左岸排水渡槽進行過流能力率定。通過調整建筑物糙率，使槽身過流能力與設計成果相符，通過模型率定，晏曲溝槽身糙率設置為0.015，符合實際情況。

3 模擬結果分析

3.1 串流洪水分析

3.1.1 地形地勢分析

根據原設計成果，晏曲溝、魏寨溝屬于串流河道，且具有單向串流的特點，魏寨溝為串出河流，晏曲溝為串入河流。

2021 年9 月，經過現場查勘，現狀晏曲溝流域內新建科學大道和滎澤大道，呈“十”字形交叉，晏曲溝與魏寨溝排水渡槽被其分割開，總干渠左側科學大道至滎澤大道路面高程為128.31～127.42 m，高于魏寨溝200年一遇設計洪水位127.18 m，故總干渠左岸魏寨溝洪水無法串入晏曲溝。

3.1.2 水動力學模型分析

進行200 年一遇設計洪水工況下魏寨溝與晏曲溝串流洪水分析，洪水模擬開始后，約4小時40分鐘后，晏曲溝上游洪水到達魏寨溝左岸排水渡槽進口，魏寨溝下游洪水到達繩金路公路涵洞；約6 小時后，晏曲溝下游洪水與魏寨溝下游洪水匯合向并向下游演進；約14小時10分鐘后，魏寨溝排水渡槽洪峰流量達到最大，為254 m3/s，且總干渠左岸洪水到達科學大道，最高水位為127.21 m，小于科學大道路面高程，洪水沿科學大道向西演進；約15小時15分鐘后，淹沒范圍達到最大，洪水開始消退，約19小時40分鐘后，洪水消退完成，下游地勢低洼處留有積水。

通過二維水動力學模型計算分析，總干渠左岸魏寨溝上游洪水由于科學大道的阻隔并未與總干渠左岸晏曲溝上游洪水串流，與現狀地形地勢符合。

3.2 宴曲溝洪水結果分析

根據串流洪水分析結果，在現狀地形下，魏寨溝洪水不會串入晏曲溝，因此，僅對晏曲溝洪水進行模擬分析。

通過對晏曲溝左岸排水渡槽兩種工況下洪水模擬計算，得到洪水的最大淹沒范圍、最大水深分布、最大流速分布、到達時間等各類水力要素。

3.2.1 50年一遇工況計算成果

由模擬結果可知，洪水沿晏曲溝上游河道到達左岸排水渡槽，通過渡槽后進入下游，由于下游河道斷面束窄，洪水漫出河槽，向總干渠右岸演進，剩余洪水通過河道下游繩金路公路涵洞向下游演進。

50 年一遇工況下，晏曲溝排水渡槽槽身洪峰流量最大約為40 m3/s，流速為2.35 m/s，水深為2.15 m。3.2.2 200年一遇工況計算成果

200 年一遇設計洪水淹沒演進過程大致與50 年一遇設計洪水類似，晏曲溝排水渡槽槽身洪峰流量最大約為51 m3/s，流速為2.85 m/s，水深為2.23 m。

50 年一遇工況和200 年一遇工況下渡槽槽身均未出現漫槽現象，但由于下游約180 m 處河道束窄，導致渡槽槽身回水壅高。

4 洪水風險分析

4.1 建筑物風險分析

4.1.1 槽身水位分析

提取晏曲溝左岸排水渡槽50年一遇和200年一遇成果中渡槽中不同位置的最高水位，與渡槽頂部高程進行對比，見表2。

表2 晏曲溝渡槽中水位與槽頂高程對比表

由表2 可知，50 年一遇時，渡槽槽身槽頂超高均在0.70 m以上，200年一遇時，渡槽槽身槽頂超高均在0.60 m以上，不會出現漫槽風險。

4.1.2 沖刷風險分析

50年一遇和200年一遇設計洪水方案下，晏曲溝排水渡槽進口最大流速為5.68 m/s，大于漿砌石的不沖流速4 m/s，可能會對建筑物進口漸變段處造成沖刷破壞。

4.2 總干渠風險分析

4.2.1 漫堤風險分析

在總干渠左岸和右岸洪水淹沒區域自建筑物起分別沿堤防附近選取一系列測點，比較兩個方案各點淹沒水深和對應堤頂高程，對比結果見表3。

表3 總干渠左右岸堤防淹沒區水位成果表

通過結果可知，總干渠左岸在50年一遇和200年一遇工況下，堤頂高程均高于洪水位1 m以上；總干渠右岸在50年一遇和200年一遇工況下，堤頂高程均高于洪水位0.5 m以上，不會出現漫堤風險。

4.2.2 沖刷風險分析

50 年一遇和200 年一遇設計洪水方案下，總干渠左岸、右岸截留溝內最大流速為3.57 m/s，小于漿砌石的不沖流速4 m/s，不會對總干渠坡腳造成沖刷破壞。

4.2.3 坡腳淹沒風險分析

200 年一遇洪水消退完成后，部分地勢低洼處仍有積水，總干渠左岸距離堤腳約180 m處留有積水深約1.52 m，左右岸截流溝內留有積水深約0.56 m，晏曲溝左岸排水渡槽進口處留有積水深約0.55 m。總干渠左右岸截流溝為混凝土護砌，因此地勢低洼處積水不會對總干渠堤防和建筑物造成影響。

5 結論與建議

經分析，晏曲溝左岸排水渡槽過流能力滿足設計要求，無漫槽風險，渡槽進口處存在沖刷風險；總干渠無漫堤風險，坡腳不存在沖刷風險。

為進一步降低晏曲溝左岸排水渡槽和總干渠風險，建議對晏曲溝左岸排水渡槽下游出口防護段后約250 m 范圍內進行河道擴寬，在現有基礎上擴寬約5～8 m，擴寬面積約3 250 m2；并對渡槽下游出口防護段至繩金路公路涵洞范圍內樹木進行清理、河道進行清淤疏浚；對繩金路公路涵洞進行清淤疏通；確保洪水下泄順暢。