李春輝，苑希民，田福昌，劉天鵬

(1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021;2.水利部寒區(qū)工程技術(shù)研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130021;3.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350)

1 概況

淮河干流具有上游陡、中游平、下游翹的特點(diǎn)，上游洪水下泄速度快，下游排泄不暢，中游易成為洪水滯蓄場(chǎng)地。加之中游河道漫灘幾率低，遇洪水極易形成高水位長(zhǎng)歷時(shí)狀況，“關(guān)門淹”問題突出，行蓄洪區(qū)啟用頻繁，嚴(yán)重影響兩岸經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]?，F(xiàn)有河道整治措施雖然取得了較好的防洪效果，但淮河中游洪水位并未得到顯著降低，科學(xué)有效地評(píng)估河道整治對(duì)洪水的影響效應(yīng)，對(duì)淮河進(jìn)一步治理規(guī)劃十分重要。

近年來，針對(duì)工程對(duì)洪水影響的評(píng)估技術(shù)和方法已有不少研究成果。Jeong A等[2]開發(fā)了一種河道疏浚管理模型，研究了河道疏浚工程的影響；Forster等[3- 4]采用一、二維耦合模型模擬了蓄滯洪區(qū)的運(yùn)行機(jī)制；孫東坡等[5]采用二維平面水沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算黃河下游游蕩型河段，模擬在現(xiàn)狀生產(chǎn)堤、廢除生產(chǎn)堤、限制生產(chǎn)堤三種工況下的洪水演進(jìn)過程，分析了三種不同邊界條件對(duì)洪水水位、河段流速、灘槽沖淤的影響；陳可鋒等[6]利用潮流數(shù)學(xué)模型模擬分析了射陽河口攔門沙航道開挖后的水流及含沙量變化。

本文在已有研究基礎(chǔ)上，基于水力學(xué)方法建立淮河干流正陽關(guān)至吳家渡段水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，開展典型年設(shè)計(jì)洪水條件下不同整治方案洪水演進(jìn)過程的模擬研究，重點(diǎn)關(guān)注不同整治方案對(duì)該河段沿程水位、測(cè)站水位流量關(guān)系、洪水演進(jìn)過程以及泄流能力等方面的影響，為進(jìn)一步提高淮河中游的防洪除澇能力，切實(shí)解決“關(guān)門淹”問題提供參考依據(jù)。

2 研究范圍

如圖1所示，正陽關(guān)至吳家渡段河道彎曲、狹窄、分汊，河道比降平緩，洪水排泄不暢，自1954年淮河全流域大水后，該河段先后實(shí)施過多處整治工程[8]。根據(jù)淮河流域防洪規(guī)劃，要求該段河道設(shè)計(jì)泄流能力提高到10000m3/s，目前已完成的工程有壽西湖退堤切崗，石姚段和洛河洼堤防退建并改為防洪保護(hù)區(qū)，荊山湖改建為閘控行洪區(qū)；在建中的工程包括壽西湖和董峰湖改為閘控行洪區(qū)，退建董峰湖行洪堤，鳳臺(tái)峽山口段疏浚工程，湯漁湖堤防退建并調(diào)整為閘控行洪區(qū)；規(guī)劃建設(shè)工程有廢棄上下六坊堤行洪區(qū)，鏟除行洪堤，恢復(fù)為河道灘地。部分河道整治工程經(jīng)歷了1991年、2003年和2007年大洪水的檢驗(yàn)，發(fā)揮了顯著的防洪效益，但是仍未解決淮河“關(guān)門淹”問題。

圖1 淮河中游正陽關(guān)至吳家渡段河道示意圖

3 計(jì)算原理與方法

3.1 計(jì)算原理

淮河干流正陽關(guān)至吳家渡段河道計(jì)算采用描述明渠一維非恒定流運(yùn)動(dòng)的圣維南方程組，求解方法為Abbott六點(diǎn)隱式差分離散，控制方程如下：

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

式中，A—過水?dāng)嗝婷娣e，m2；Q—流量，m3/s；Z—水位，m；R—水力半徑，m；t—時(shí)間的坐標(biāo)，s；x—空間的坐標(biāo)，m；q—旁側(cè)入流單寬流量，m2/s；g—重力加速度，m/s2；α—?jiǎng)恿啃拚禂?shù)，無量綱常量。

3.2 計(jì)算方法

淮河干流作為長(zhǎng)系列長(zhǎng)距離的大規(guī)劃系統(tǒng)，使用一維模型較為有效，通過充分考慮支流入?yún)R、行蓄洪區(qū)以及閘壩調(diào)度等的綜合影響[9- 10]，建立淮河干流正陽關(guān)-吳家渡段一維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，上邊界給定正陽關(guān)實(shí)測(cè)流量過程，下邊界給定吳家渡實(shí)測(cè)水位過程。模型中一些重要節(jié)點(diǎn)處理方法如下：

(1)蚌埠閘處理方法

蚌埠閘是淮河中游防洪工程體系的主要組成部分，是控制淮河中游洪水的關(guān)鍵工程，設(shè)有28孔節(jié)制閘和12孔新節(jié)制閘，工程調(diào)度情況非常復(fù)雜，現(xiàn)有資料多為閘上和閘下水位或流量過程，采用添加列表建筑物的方法處理蚌埠閘。通過定義過閘流量與上、下游水位之間的關(guān)系，反映蚌埠閘的泄流過程。計(jì)算模式為：

Q=f(hU/S，hD/S)

(3)

式中，Q—流量，m3/s；hU/S—閘上水位，m；hD/S—閘下水位，m。

(2)行洪區(qū)處理方法

行洪區(qū)實(shí)際運(yùn)用過程十分復(fù)雜，既有干流河道向行洪區(qū)分洪，也有行洪區(qū)向河道退水，且行洪前行洪區(qū)內(nèi)為干河床，若模擬時(shí)不將其納入計(jì)算范圍，行洪后再納入，則需要改變河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目和刪減河段，改變河網(wǎng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)發(fā)生超過圩堤防洪標(biāo)準(zhǔn)的大洪水時(shí)，啟用的行洪區(qū)像河道一樣正常行洪，因此采用將行洪區(qū)擴(kuò)展為河道大斷面的方法能夠充分反映出河道的行洪過程。

對(duì)于上、下六坊堤這種類似河心洲的行洪區(qū)，處理方法為以南岸支流河道斷面為基準(zhǔn)，延長(zhǎng)至與北岸支流相交，在相交位置根據(jù)北岸支流相鄰斷面內(nèi)插出北岸支流的斷面，如圖2所示，并參考行洪區(qū)高程點(diǎn)得到行洪區(qū)所在斷面的高程值，處理后的河道大斷面如圖3(a)所示；對(duì)于石姚段、洛河洼等分布在河道一側(cè)的行洪區(qū)，處理方法為以淮河干流河道斷面為基準(zhǔn)，向行洪區(qū)方向延伸，并參考行洪區(qū)高程點(diǎn)得到行洪區(qū)所在斷面的高程值，處理后的河道大斷面如圖3(b)所示。

圖2 上、下六坊堤河道斷面處理方式示意圖

圖3 行洪區(qū)處理為河道后的大斷面圖

(3)支流處理方法

篩選對(duì)干流洪水影響較大的支流，主要為潁河和渦河，其控制站分別為阜陽閘和蒙城閘，通過馬斯京根法將各控制站洪水過程演算至干流河道相應(yīng)里程處，并以點(diǎn)源的形式加入到一維河網(wǎng)中[5- 7]。

4 結(jié)果分析

4.1 模型率定和驗(yàn)證

模型河道斷面采用2003年實(shí)測(cè)斷面資料，驗(yàn)證洪水年份為2003年和2006年，基本保證與地形資料同步。該河段模型計(jì)算糙率為0.032～0.033，與多年實(shí)測(cè)糙率值相符，選用魯臺(tái)子水文站和淮南水位站實(shí)測(cè)洪水過程進(jìn)行驗(yàn)證。2006年沿程行蓄洪區(qū)均未啟用，可進(jìn)行平槽和漫灘級(jí)洪水驗(yàn)證；2003年沿程啟用了上六坊堤、下六坊堤、石姚段、洛河洼和荊山湖行洪區(qū)，可進(jìn)行大流量級(jí)洪水驗(yàn)證。計(jì)算與實(shí)測(cè)洪水過程比較如圖4和圖5所示，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差均在3%以內(nèi)，表明模型具有較高精度，可以為河道整治方案的模擬評(píng)估提供計(jì)算平臺(tái)。

圖4 2003年大洪水驗(yàn)證

4.2 方案計(jì)算

淮河干流正陽關(guān)至吳家渡段近期演變趨勢(shì)主要表現(xiàn)為主槽沖刷、灘地微淤，自上而下主槽沖刷速度不斷加大、灘地淤積速度不斷減慢，河道深泓不斷下切。淮河干流來水無明顯變化而輸沙逐漸減少，有利于河道主槽沖刷和邊坡的穩(wěn)定，這也為河道疏浚等整治工程的實(shí)施提供了必要條件。根據(jù)《淮河流域防洪規(guī)劃》和《淮河干流行蓄洪區(qū)調(diào)整規(guī)劃》，要求通過河道拓浚，擴(kuò)大洪水通道，行蓄洪區(qū)調(diào)整，減少行蓄洪區(qū)的啟用幾率[8]。本文擬定三個(gè)河道整治方案，并基于上述淮河干流正陽關(guān)至吳家渡段水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型對(duì)各方案進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)比分析不同整治方案的差異和優(yōu)劣，為淮河進(jìn)一步治理提供技術(shù)參考依據(jù)，見表1。

表1 整治方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

方案1為規(guī)劃方案，方案2以疏浚工程為主，行洪區(qū)調(diào)整為輔，方案3以行洪區(qū)調(diào)整為主，疏浚工程為輔。由于淮河各河段洪水頻率不同，例如2003年洪水中正陽關(guān)洪水頻率接近20年一遇而蚌埠洪水頻率大于20年一遇，因此本文主要對(duì)2003年和2007年兩個(gè)典型年以及不同量級(jí)洪水進(jìn)行研究。

4.2.1沿程水位計(jì)算與分析

應(yīng)用上述水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型對(duì)各整治方案的洪水演進(jìn)過程進(jìn)行模擬，得到2003和2007年洪水條件下各整治方案的模擬水位值，與實(shí)測(cè)值對(duì)比得到各河道整治方案產(chǎn)生的水位效益，沿程各水位節(jié)點(diǎn)實(shí)測(cè)及模擬值見表2和圖6，Z表示實(shí)測(cè)水位，Z1、Z2、Z3和ΔZ1、ΔZ2、ΔZ3分別表示方案1、方案2和方案3的模擬水位和水位效益。

由表2和圖6可以看出，與實(shí)測(cè)水位相比各水位節(jié)點(diǎn)模擬水位值下降，各河段水面比降也有所下降。2003年洪水條件下，方案1沿程水位降低0.31～0.64m左右，方案2沿程水位降低0.58～1.09m左右，方案3沿程水位降低0.48～0.85m左右，方案2產(chǎn)生的水位效益最大。2007年洪水條件下，方案1沿程水位降低0.13～0.42m左右，方案2沿程水位降低0.35～0.80m左右，方案3沿程水位降低0.30～0.61m左右，方案2產(chǎn)生的水位效益最大。

表2 2003年淮河干流正陽關(guān)至蚌埠段河道模擬水位值 單位：m

圖6 各整治方案沿程最大水位

由上述分析可知各方案均降低了河道水位，但2007年洪水條件下水位降低幅度明顯小于2003年，由于實(shí)測(cè)值是在本年地形條件下測(cè)得，說明2003—2007年間實(shí)施的整治工程產(chǎn)生了一定的水位效益，故與設(shè)計(jì)整治方案相比產(chǎn)生的水位效益較小。從兩場(chǎng)典型年洪水模擬結(jié)果中可以看出，方案2產(chǎn)生的水位效益最大，說明疏浚阻水河段比行洪區(qū)堤防退建降低沿程水位效果更好，在河道灘邊足夠?qū)?，疏浚空間充足，河床穩(wěn)定以及水沙條件允許的情況下，可作為河道整治的一項(xiàng)重要措施。

4.2.2水位流量關(guān)系分析

正陽關(guān)至吳家渡段之間有魯臺(tái)子水文站，基于上述水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型分析不同整治方案下魯臺(tái)子站的水位-流量關(guān)系變化情況。在2003年和2007年洪水條件下，計(jì)算得到方案1、方案2和方案3魯臺(tái)子站同級(jí)別水位下的流量變化及同級(jí)別流量下的水位變化情況，見表3—4，表中Q表示同級(jí)別水位下的實(shí)測(cè)流量，Q1、Q2和Q3分別表示方案1、方案2和方案3在同級(jí)別水位下的模擬流量，ΔQ1、ΔQ2和ΔQ3分別表示與實(shí)測(cè)值相比方案1、方案2和方案3同級(jí)別水位下的流量增幅；Z表示同級(jí)別流量下的實(shí)測(cè)水位，Z1、Z2和Z3分別表示方案1、方案2和方案3在同級(jí)別流量下的模擬水位，ΔZ1、ΔZ2和ΔZ3分別表示與實(shí)測(cè)值相比方案1、方案2和方案3同級(jí)別流量下的水位降幅，可以看出方案2在同級(jí)別水位下的流量增幅最大，同級(jí)別流量下的水位降幅最大，說明方案2河道的行洪能力最大。

表3 魯臺(tái)子站同級(jí)別水位下流量變幅 單位：m3/s

4.2.3洪水演進(jìn)過程分析

在不同優(yōu)化設(shè)計(jì)方案河道斷面條件下還原2003年洪水，對(duì)比計(jì)算與實(shí)測(cè)洪水過程，分析不同河道整治方案對(duì)淮河干流洪水的減災(zāi)效應(yīng)。圖7(a)為峽山口站水位過程線比較，2003年實(shí)測(cè)最高水位25.06m，方案1計(jì)算最高水位24.75m，較實(shí)測(cè)值降低0.31m，方案2計(jì)算最高水位24.23m，較實(shí)測(cè)值降低0.83m，方案3計(jì)算最高水位24.45m，較實(shí)測(cè)值降低0.61m。圖7(b)為淮南站水位過程線比較，2003年實(shí)測(cè)最高水位24.38m，方案1計(jì)算最高水位23.74m，較實(shí)測(cè)值降低0.64m，方案2計(jì)算最高水位23.32m，較實(shí)測(cè)值降低1.06m，方案3計(jì)算最高水位23.53m，較實(shí)測(cè)值降低0.85m。

圖7 2003年洪水條件下水位過程對(duì)比

在不同設(shè)計(jì)方案河道斷面條件下還原2007年洪水，圖8(a)為峽山口站水位過程線比較，2007年實(shí)測(cè)最高水位24.90m，方案1計(jì)算最高水位24.59m，較實(shí)測(cè)值降低0.31m，方案2計(jì)算最高水位24.17m，較實(shí)測(cè)值降低0.73m，方案3計(jì)算最高水位24.38m，較實(shí)測(cè)值降低0.52m。圖8(b)為淮南站水位過程線比較，2007年實(shí)測(cè)最高水位23.72m，方案1計(jì)算最高水位23.50m，較實(shí)測(cè)值降低0.22m，方案2計(jì)算最高水位23.19m，較實(shí)測(cè)值降低0.53m，方案3計(jì)算最高水位23.34m，較實(shí)測(cè)值降低0.38m。與實(shí)測(cè)洪水過程相比，各方案模擬洪水過程均出現(xiàn)洪峰滯后的現(xiàn)象，分析是2007年大洪水中該河段局部性降雨導(dǎo)致的，由于缺乏降雨資料，在模型計(jì)算過程中未考慮降雨的影響。

表4 魯臺(tái)子站同級(jí)別流量下水位變幅 單位：m

圖8 2007年洪水條件下水位過程對(duì)比

4.2.4泄流能力計(jì)算與分析

增加灘槽泄流能力，提高行洪區(qū)使用標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)改善河勢(shì)、保障防洪安全和促進(jìn)沿河經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有積極意義。正陽關(guān)至吳家渡段河道堤距較窄，河道泄流能力不足，沿程行洪區(qū)啟用頻繁，約5～8年一遇，且行洪能力達(dá)不到規(guī)劃要求，因此擴(kuò)大中小洪水行洪通道十分必要?；谏鲜鏊畡?dòng)力數(shù)學(xué)模型，計(jì)算各整治方案在設(shè)計(jì)水位條件下的灘槽泄流能力，各測(cè)站設(shè)計(jì)水位及河道灘槽泄量見表5。中小洪水條件下該河段河道規(guī)劃泄流能力為8000m3/s，可以看出各整治方案在設(shè)計(jì)水位下河道泄流能力基本滿足規(guī)劃要求。

表5 設(shè)計(jì)水位條件下各河段灘槽泄流能力 單位：m3/s

5 結(jié)論

(1)本文建立了正陽關(guān)至吳家渡段水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，采用2003年和2006年實(shí)測(cè)洪水過程對(duì)模型率定和驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)資料吻合較好，可為不同河道整治方案洪水演進(jìn)模擬提供計(jì)算平臺(tái)。

(2)利用模型對(duì)2003和2007兩個(gè)典型年設(shè)計(jì)洪水條件下不同河道整治方案洪水演進(jìn)過程進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果表明河道整治及行洪區(qū)調(diào)整工程可有效降低洪水位，減緩水面比降，提高河道灘槽泄流能力。

(3)以河道疏浚為主，行洪區(qū)調(diào)整為輔的方案2沿程水位降低最多，同級(jí)別流量或水位條件下水位變幅或流量變幅最大，河道行洪能力大。在耕地面積日益減少，行蓄洪區(qū)調(diào)整采取大規(guī)模退田還河的難度越來越大的情況下，方案2對(duì)改善河勢(shì)、保障防洪安全和促進(jìn)沿河經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有積極意義。