陶浩然

(安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

1 基本情況

淮河干流發(fā)源于河南省桐柏山麓，流經河南、安徽、江蘇3省，在江蘇境內經洪澤湖調蓄后，主流經入江水道至三江營入長江，全長約1000km?；春又杏魏拥辣冉灯骄?、低洼地面積大、分布范圍廣、居住人口眾多。沿淮洼地的地面高程一般為15～20m，低于河道設計洪水位和警戒水位2m以上，而淮河干流常遇高水位洪水、嚴重頂托支流和沿淮洼地的排水，導致澇災情況嚴重，損失巨大。因此，可通過擴大淮河中游排洪通道來增強河道灘槽泄量，降低常遇洪水水位，提升流域防洪安全保障能力。使用MIKE11構建淮河干流一維水動力模型，計算河道在不同疏浚底寬下的過流能力及水位變化情況，可對疏浚規(guī)模進行論證，最終確定疏浚規(guī)模。

2 模型構建及邊界條件

2.1 模型構建

淮河干流河道泄流能力分析的核心是構建一系列一維水動力數(shù)學模型，模擬在平灘流量、中等洪水、設計洪水等工況下，干流各種斷面下的水位、流量變化過程，分析河道主槽及灘地過流能力變化情況，為疏浚規(guī)模論證提供依據(jù)。模型的選擇考慮到DHI的MIKE模型系統(tǒng)軟件已有幾十年研發(fā)與應用的歷史，在世界各地及中國已有大量的工程應用案例，可靠性已被大量項目所驗證，本文采用MIKE系列軟件構建河流水動力學模型。

本次構建的干流一維水動力學模型庫采用的數(shù)學模型方法是MIKE 11 HD水動力模塊和SO水工建筑物操作模塊。

2.1.1MIKE 11 HD水動力模塊

MIKE11水動力(HD)模型包含馬斯京根法(Muskingum)和馬斯京根-康吉洪水演算方法(Muskingum-Cunge)，用于簡化的河道演算，可自動匹配次臨界流和超臨界流計算。一維水動力計算模型的基本方程采用基于垂向積分的物質和動量守恒方程，即一維非恒定流圣維南(Saint-Venant)方程組來模擬河流或河口的水流狀態(tài)。方程組如下：

(1)

(2)

式中，x、t—計算點空間和時間的坐標；A—過水斷面面積，m2；Q—過流流量，m3；h—水位，m；q—旁側入流流量，m3；C—謝才系數(shù)；R—水力半徑，m；α—動量校正系數(shù)；g—重力加速度，m/s。

方程組利用Abbott-Ionescu六點隱式有限差分格式求解。該格式在每一個網格點不是同時計算水位和流量，而是按順序交替計算水位和流量，分別稱為h點和Q點。Abbott-Ionescu格式具有穩(wěn)定性好、計算精度高的特點。離散后的線形方程組用追趕法求解。

2.1.2MIKE11 SO水工建筑物操作模塊

在數(shù)學理論上，水工建筑物(也被稱為函數(shù))用于計算上下游2個水位點(h-point)之間的流量，也就是水工建筑物被安置在計算網格點的流量點處(Q-point)。通過水工建筑物的流量由上下游水位以及建筑物本身參數(shù)(如建筑物相關尺寸等)確定。

根據(jù)河道過流能力分析的需要，本次基于MIKE 11 HD構建淮河干流一維水動力學模型的總體布置包括河道及斷面的概化、上下游邊界條件設定、河道構筑物的概化及模型率定驗證等。

2.2 邊界條件

根據(jù)淮河防洪要求，各節(jié)點控制水位為臨淮崗閘下26.70m，正陽關26.40m，淮南24.48m，渦河口23.39m，蚌埠22.48m，浮山18.35m。

(1)設計洪水流量(行洪區(qū)啟用)。王家壩-正陽關段河道為7400～9400m3/s，正陽關-茨淮新河口段河道為10000m3/s，茨淮新河口-渦河口段河道為12000m3/s，渦河口以下河道為13000m3/s。200年一遇正陽關下泄流量為12800m3/s，蚌埠下泄流量14660m3/s。

(2)河道灘槽流量(行洪區(qū)不啟用)。王家壩-正陽關段河道為7000m3/s，正陽關-茨淮新河口段河道為8000m3/s，茨淮新河口-渦河口段河道為9000m3/s，渦河口以下河道為10500m3/s。

(3)浮山中等洪水水位。根據(jù)淮河中游洼地高程與面積曲線，對比行蓄洪區(qū)調整完成基礎上實施河道疏浚工程前后沿程中等洪水水位，即過流7000～8000～10500m3/s時所對應的沿程水位，分析疏浚對洼地排澇的影響。由于浮山以下段河道進一步疏浚有較大的不確定性，浮山中等洪水水位采用行蓄洪區(qū)調整完成后確定的水位17.5m。

3 疏浚規(guī)模方案

結合淮河干流蚌埠以下河道治理研究的成果，在淮河干流行洪區(qū)調整完成基礎上，在主要堤防不退建、蓄滯洪能力不減少、主要節(jié)點設計洪水位不調整的條件下，擴大淮河中游河道灘槽泄量，降低中等洪水水位1～2m，擬定3組河道規(guī)模疏浚方案。

3.1 方案一

該方案河道平灘流量3000～4400～4500m3/s，為2～3年一遇，主要是研究設計洪水條件下取消正陽關以下行洪區(qū)行洪功能的方案，在現(xiàn)有河道灘槽范圍內，淮河干流達到設計流量時，設計洪水位維持不變的情況下，按淮河干流正陽關以下河道灘槽泄量10000～13000m3/s控制疏浚規(guī)模，將壽西湖、董峰湖、上六坊堤、下六坊堤、荊山湖、花園湖行洪區(qū)啟用標準提高到50年一遇以上。

疏浚臨淮崗-正陽關-渦河口-浮山段河道，底寬為310～390～400m，底高程為14.9～12.0～8.0～5.0m，疏浚土方量為14480萬m3。切灘永久占地19600畝，沖填區(qū)占地62100畝。估算投資73.2億元。

3.2 方案二

該方案河道平灘流量3200～4700～5200m3/s，為3年一遇，是在方案一的基礎上，適當增加疏浚規(guī)模，在設計洪水位維持不變條件下，按淮河干流正陽關以下灘槽泄洪流量達到10500～13600m3/s控制疏浚規(guī)模，將壽西湖、董峰湖、上六坊堤、下六坊堤、荊山湖、花園湖行洪區(qū)啟用標準提高到50年一遇以上。

疏浚臨淮崗-正陽關-渦河口-浮山段河道，底寬為340～430～450m，底高程為14.9～12.0～8.0～5.0m，疏浚土方量為24780萬m3。切灘永久占地33200畝，沖填區(qū)占地108000畝。估算投資124.6億元。

3.3 方案三

該方案河道平灘流量3600～5000～6200m3/s，為3～5年一遇，主要是研究以第二造床流量控制河道疏浚規(guī)模的方案，在現(xiàn)有河道灘槽范圍內，淮河干流達到設計流量時，設計洪水位維持不變的情況下，按淮河干流正陽關以下河道灘槽泄量11300～14600m3/s控制疏浚規(guī)模，將壽西湖、董峰湖、上六坊堤、下六坊堤、荊山湖、花園湖行洪區(qū)啟用標準提高到50年一遇以上。

疏浚臨淮崗-正陽關-渦河口-浮山段河道，底寬為420～490～550m，底高程為14.9～12.0～8.0～5.0m，疏浚土方量為40520萬m3。切灘永久占地63600畝，沖填區(qū)占地178800畝。估算投資207.0億元。

4 疏浚方案比較分析

4.1 整體布局與效果分析

3個疏浚方案均能在不抬高現(xiàn)有設計洪水位(正陽關26.40m、渦河口23.39m、浮山18.35m)情況下，通過河道灘槽泄洪替代行洪區(qū)行洪流量，將行洪區(qū)調整為蓄洪區(qū)。河道灘槽泄洪能力方案一達到10000～13000m3/s，方案二達到10500～13600m3/s，方案三達到11300～14600m3/s。

若壽西湖、董峰湖、上六坊堤、下六坊堤、荊山湖、花園湖仍為行洪區(qū)且充分運用，在設計水位維持不變的情況下，河道泄洪能力方案一達到11400～13600m3/s，方案二達到12000～14200m3/s，方案三達到12800～15100m3/s。

在淮干正陽關-浮山段設計洪水流量10000～12000m3/s維持不變、浮山水位18.35m情況下，方案一設計水位降低0.2～0.6m，方案二設計水位降低0.5～0.9m，方案三設計水位降低0.7～1.2m。

在淮干正陽關-浮山段中等洪水流量8000～10500m3/s維持不變、浮山水位17.50m情況下，僅河道灘槽泄洪，中等洪水較設計洪水水位方案一降低0.85～1.83m，方案二降低0.85～2.11m，方案三降低0.85～2.38m。

從提升淮河中游防洪能力和治理效果角度，方案三提升灘槽泄洪能力最大，降低中等洪水水位效果最顯著，結合行洪區(qū)運用，滿足淮河干流200年一遇正陽關、蚌埠下泄要求，能夠提高中游防洪能力到200年一遇。

整體布局與效果分析結果見表1。

表1 疏浚方案整體布局與效果分析

4.2 工程量與投資分析

方案一疏浚土方14480萬m3，切灘永久占地19600畝，排泥場臨時占地62100畝，總投資73.2億元。疏浚規(guī)模最小，切灘占地、排泥場用地最少。

方案二疏浚土方24780萬m3，較方案一增加71.1%；切灘永久占地33200畝，較方案一增加69.4%；排泥場臨時占地108000畝，較方案一增加73.9%?？偼顿Y124.6億元，較方案一增加70.1%。

方案三疏浚規(guī)模最大，切灘占地、排泥場用地最多。疏浚土方40520萬m3，較方案一增加179.8%，比方案二增加63.5%；切灘永久占地63600畝，較方案一增加224.5%，比方案二增加91.6%；排泥場臨時占地178800畝，較方案一增加187.9%，比方案二增加65.6%。總投資207.0億元，較方案一增加205.7%，比方案二增加66.2%。

3個方案工程量與投資分析情況見表2。

表2 疏浚方案工程量與投資分析

可見，方案三較前2個方案增加的灘槽泄洪能力最多，且單位增加灘槽泄洪能力的投資最少。

4.3 改善沿淮兩岸洼地排澇效果分析

安徽省沿淮兩岸分布近60片洼地，洼地面積達8556km2，在淮河干流行洪區(qū)調整和建設工程完成后，處于10～20年一遇洪水位下的沿淮洼地面積達7523km2。

本次疏浚臨淮崗-浮山段河道，其中方案一按平灘流量3000～4400～4500m3/s，五河以上河道中等洪水水位比現(xiàn)狀設計洪水水位降低1.0～1.8m，可保護沿淮洼地面積950km2。方案二按平灘流量3200～4700～5200m3/s，五河以上河道中等洪水水位比現(xiàn)狀設計洪水水位降低1.1～2.1m，可增加沿淮洼地面積1350km2。方案三按平灘流量3600～5000～6200m3/s，五河以上河道中等洪水水位比現(xiàn)狀設計洪水水位降低1.2～2.4m，可增加沿淮洼地面積1960km2。

3個方案改善沿淮兩岸洼地排澇效果分析見表3。可見，方案三增加了單位平灘流量，可保護的沿淮洼地面積最多。

表3 疏浚方案改善沿淮兩岸洼地排澇效果分析

5 結論與建議

從遠近結合、沿淮高質量發(fā)展的要求，對沿淮洼地排澇效果、投資等方面綜合考慮，淮河干流正陽關-浮山段河道疏浚的方案三為優(yōu)選方案。

現(xiàn)有河道灘槽范圍內，淮河干流達到設計流量時，設計洪水位維持不變的情況下，選取合適的斷面控制疏浚規(guī)模，可增加灘槽泄量2600～4100m3/s，中等洪水條件下節(jié)點水位降低0.85～2.38m，保護沿淮洼地面積1960km2，同時將壽西湖、董峰湖、上六坊堤、下六坊堤、荊山湖、花園湖行洪區(qū)啟用標準提高到50年一遇以上。

隨著淮河生態(tài)經濟帶建設、長三角地區(qū)高質量發(fā)展等國家重大戰(zhàn)略不斷推進實施，淮河中游地區(qū)經濟必將快速發(fā)展，對淮河的治理也將進入新的階段。在未來治理淮河時應擴大洪水通道，進一步增強河道灘槽泄洪能力，提高行蓄洪區(qū)啟用標準。本文的研究結果對于淮河干流河道進一步治理具有一定的參考價值。