劉 迪

（河北省水利水電勘測設(shè)計研究院集團(tuán)有限公司，天津 300250）

1 項目區(qū)概況

沙河是大清河水系南支潴龍河的一條主要支流，發(fā)源于山西省靈丘縣和繁峙縣。沙河上游北支源出靈邱縣太白衛(wèi)山， 西北支源出繁峙縣五臺山東白坡頭，兩支于河北省阜平縣杜里元匯合，流經(jīng)阜平、曲陽縣至新樂南辛店小吳村入定州市大吳村， 至懷德、子遠(yuǎn)、東西張歉村以下分為兩支：北支在邵村、西留春、西王耨、馬阜才等村南；南支在李親顧鎮(zhèn)東、東湖村西、西丁、子位村北，至安國市大李莊南兩支合流。 北支為主流，至大定村出境入安國市境，至安平縣北郭村附近與磁河、孟良河匯合后注入潴龍河，河道全長242km，北郭村以上流域面積為5560km2。定州市段主河長26.4km，南支15.2km，西部河寬3.3km，東部河寬300～500m，境內(nèi)流域面積105.7km2。

2 研究內(nèi)容及技術(shù)路線

沙河定州市段長約26.4km， 本課題主要以李親顧鎮(zhèn)段5.6km為研究對象，為保證模型可靠對模型上下游進(jìn)行了延長。 為滿足規(guī)劃0.313∶0.687比例，擬定了幾種不同工況， 基于MIKE21 FM水動力模塊進(jìn)行各種工況下的二維數(shù)值模擬。技術(shù)路線如下：①提取區(qū)域地圖數(shù)據(jù)；②構(gòu)建數(shù)模劃分網(wǎng)格；③設(shè)置邊界條件；④控制高程數(shù)據(jù)；⑤模型概化；⑥構(gòu)建MIKE21 FM水動力模型；⑦水力學(xué)模塊構(gòu)建；⑧入流條件設(shè)置；⑨建筑模塊構(gòu)建；⑩運轉(zhuǎn)模型計算成果。

3 河道模型的建立

本次研究以沙河定州段規(guī)劃后河道為例構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。 沙河定州市段長約26.4km河道，研究對象主要為分叉口及其上下游各延長5km河道。采用2019年1∶1000實測地形圖，并結(jié)合沙河設(shè)計斷面，作為建?；A(chǔ)進(jìn)行轉(zhuǎn)化、提取，將沙河河道堤線作網(wǎng)格剖分邊界， 以100m為邊長， 形成三角形， 模型總面積18.13km2，對分汊口段河道進(jìn)行了模型加密，內(nèi)部有1561個節(jié)點，2521個非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

沙河防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇， 模型的入流為沙河20年一遇設(shè)計流量3560m3/s。 入流條件選擇恒定流。下游邊界條件為模型的出流。 下游邊界為規(guī)劃斷面下的設(shè)計水位。

糙率是反映地面阻水程度的參數(shù)， 本次參照以往模型率定成果按經(jīng)驗選取。 現(xiàn)狀灘地糙率取0.045，主槽糙率取0.025。

3.1 分流堰設(shè)置方案

河道規(guī)劃分流比為0.313∶0.687。經(jīng)模型驗算，發(fā)生20年一遇洪水時規(guī)劃模型下河道自然分流比為0.228∶0.772，不滿足規(guī)劃要求。 沙河定州段現(xiàn)狀多為沙土， 很難實現(xiàn)在河底采取工程措施改變分流比。本次采取在分汊口設(shè)置分流堰的方式達(dá)到設(shè)計值的目標(biāo)。

分流堰設(shè)置方案選定辦法： ①考慮改變河道寬度。 首先利用分流堰將河道南北支寬度劃分為3∶7進(jìn)行試算，再通過調(diào)試分流堰位置達(dá)到計算目的；②參考沙河洪水自然分流工況下的流態(tài)， 設(shè)置分流堰對水流進(jìn)行攔截導(dǎo)流， 再通過調(diào)整分流堰位置使流量逐步趨近設(shè)計值。

通過模型對分流堰的位置進(jìn)行了多次的調(diào)整試算，選出了9種方案進(jìn)行比對，方案特性如表1，分流堰各方案工程位置如圖1。

表1 分流堰各方案特性

圖1 各方案位置

3.2 模型計算結(jié)果

對模型計算結(jié)果進(jìn)行比對，其中方案5分流比達(dá)到0.310∶0.690；方案7分流比達(dá)到0.312∶0.688；方案9分流比達(dá)到0.311∶0.689，基本滿足規(guī)劃要求。 方案5分流堰長805m；方案7分流堰長736m；方案9分流堰長416m。綜合考慮可實施性確定方案9為最終實施方案。 模型充分運行，待流態(tài)穩(wěn)定后，計算提取南北支流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分流比分析，記入表2。

表2 分流堰各方案計算成果

設(shè)置分流堰后， 當(dāng)沙河定州段發(fā)生20年一遇洪水時， 南支分得流量為1108.25m3/s， 北支分得流量2451.75m3/s，分流比為0.311∶0.689。

經(jīng)計算確定分流堰位于分汊口北側(cè)，長416m，與分汊口成60°夾角。 模型計算30min時，洪水行至樁號9+800 附 近；90min 時 洪 水 行 至 樁 號15+600 附 近；120min洪水行至樁號18+400附近；160min分洪水行至北支22+000左右，南支已行至模型終點；200min左右，洪水行至模型終點。 從淹沒過程上看，各時段淹沒范圍基本合理；從洪水流場圖上看，各時段流場分布合理，變化趨勢符合水流運動規(guī)律。圖2為方案9實施后，沙河定州段分叉口附近流態(tài)圖。

圖2 分流堰附近流態(tài)

4 結(jié)語

（1）河道規(guī)劃分流比為0.313∶0.687。經(jīng)模型驗算，發(fā)生20年一遇洪水時規(guī)劃模型下河道自然分流比為0.228∶0.772，不滿足規(guī)劃要求。 沙河定州段現(xiàn)狀多為沙土，很難實現(xiàn)在河底采取工程措施改變分流比。本次采取在分汊口設(shè)置分流堰的方式達(dá)到設(shè)計值的目標(biāo)。

（2）沙河分流堰與水平方向的夾角越大，與水流方向的夾角就越大，南支流量就越大；同一位置方向的分流堰，長度越長，南支流量越大。

（3） 經(jīng)模型驗證可知方案9為最優(yōu)分流堰位置、長度416m、 角度60°， 坐標(biāo)為X=596348.1381，Y=4248270.209；X=596780.8692，Y=4248087.2366。 總體來講， 分流堰的結(jié)構(gòu)能夠影響河道的分流比，在一定范圍內(nèi)達(dá)到設(shè)計規(guī)劃要求，同時分流堰具體型式也要滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，確保河道行洪時兩岸居民的安全。