含多個行洪區(qū)的淮干中游段洪水模擬Ⅱ：模型應(yīng)用

王立輝，謝偉杰,，王宗志，程 亮，劉克琳，王 坤,，何巖雨

(1.福州大學(xué)，福建福州 350002; 2.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210029)

在全國七大江河中，淮河以洪水災(zāi)害嚴(yán)重著稱。黃河奪淮導(dǎo)致的淮河中游地理環(huán)境變化、特殊的氣象條件以及歷史上對沿淮湖泊的過度圍墾，使得淮河中游更成為全國洪水災(zāi)害嚴(yán)重的地區(qū)之一[1]?；春痈闪髡栮P(guān)-茨淮新河河口段(圖1)，兩岸有一連串的湖泊洼地，其中較大的有壽西湖、董峰湖、上六坊堤、下六坊堤、湯漁湖和荊山湖等，一遇到較大洪水，河湖就連成一片，這些湖泊洼地就變?yōu)樾泻閰^(qū)，加之控制閘和分洪道眾多，形成了一個復(fù)雜的防洪體系。該河段歷來洪水災(zāi)害頻繁，河道整治任務(wù)繁重，工程投資巨大。雖經(jīng)幾十年的治理，仍然是淮河中游的防洪重點(diǎn)。因此，建立一個穩(wěn)定的、帶有多行洪區(qū)的一維水動力模型對該區(qū)域防洪減災(zāi)具有重大意義。

目前國內(nèi)外通用的水利分析軟件中以丹麥水利研究所(DHI)開發(fā)的MIKE11等系列軟件最為成熟，具有計算穩(wěn)定及精度高等特點(diǎn)，可以模擬復(fù)雜河網(wǎng)水流演進(jìn)以及閘門和寬頂堰等各類水工建筑物的調(diào)度運(yùn)行，特別適用于水工建筑物眾多、控制調(diào)度復(fù)雜的情況[2]。MIKE11采用英國及其他歐洲國家水動力模型的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，21世紀(jì)初國內(nèi)徐祖信等將該軟件應(yīng)用于河網(wǎng)水動力學(xué)模型的建立[3]，目前該軟件已在國內(nèi)外洪水模擬與預(yù)報中得到了廣泛應(yīng)用[4-8]。王立輝等[9]基于MIKE11建立了淮河中游具有多個行蓄洪區(qū)的正陽關(guān)-茨淮新河河口段一維水動力學(xué)模型。該模型以行洪時間和蓄洪量不變?yōu)樵瓌t，將行洪區(qū)概化為一維河道；針對行洪區(qū)各口門的不同控制方式，采用相應(yīng)的概化方法并設(shè)置合理的控制參數(shù)，模擬洪水在主河道與多個行洪區(qū)之間的轉(zhuǎn)換過程；采用2007年和2003年洪水過程，對模型的適用性進(jìn)行了率定和驗(yàn)證，結(jié)果表明該模型精度較高，能快速模擬行洪區(qū)洪水進(jìn)退過程及其調(diào)度規(guī)則。本文以構(gòu)建的正陽關(guān)-茨淮新河河口段水動力學(xué)模型為工具，探討《淮河流域防洪規(guī)劃報告》中廢棄上、下六坊堤行洪區(qū)的合理性，以及黃蘇段洪泛區(qū)棄守分洪對淮干高水位的影響。張大偉等[10-11]的研究結(jié)果表明，分蓄洪區(qū)相機(jī)分洪對河道水位的降低具有重要作用。另外，黃蘇段洪泛區(qū)內(nèi)的洪水演進(jìn)過程采用由DHI開發(fā)的MIKE21軟件進(jìn)行模擬。此軟件還可模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環(huán)境場[12]。

圖1 淮河干流正陽關(guān)-茨淮新河河口段Fig.1 Zhengyangguan to Cihuaixin River estuary in main stream of Huaihe River

1 上、下六坊堤行洪區(qū)廢棄合理性分析

淮干行洪區(qū)既是超過一定量級洪水后洪水行進(jìn)的重要通道，又是淮河兩岸人民居住和從事生產(chǎn)活動的地方。隨著社會經(jīng)濟(jì)與人口的迅速發(fā)展，行洪區(qū)的啟用與群眾的生產(chǎn)生活之間的矛盾越來越突出。一旦遭遇較大量級洪水，是否啟用行洪區(qū)將成為防汛部門的一大難題。

目前作為行洪區(qū)的上、下六坊堤，在《淮河流域防洪規(guī)劃報告》的近期規(guī)劃和遠(yuǎn)期規(guī)劃中均將其廢棄[13]。上六坊堤行洪區(qū)位于淮河干流鳳臺大橋下游，區(qū)域面積約為8.8 km2；下六坊堤行洪區(qū)緊靠上六坊堤行洪區(qū)下游，區(qū)域面積約為19.2 km2，如圖2所示?，F(xiàn)應(yīng)用構(gòu)建的正陽關(guān)-茨淮新河河口段一維水動力模型，研究遭遇大中型洪水時，棄用上、下六坊堤行洪區(qū)對淮干水位的影響，探討規(guī)劃的合理性。

圖2 各行洪區(qū)及洪泛區(qū)在正陽關(guān)-茨淮新河河口段中的位置概化Fig.2 Generalized locations of flood way districts and flood plains from Zhengyangguan to Cihuaixin River estuary

圖3 棄用上、下六坊堤行洪區(qū)對淮干水位(鳳臺站)的影響Fig.3 Influence on water level of main stream of Huaihe River without flood way districts of Shangliufangdi and Xialiufangdi

根據(jù)行洪區(qū)的現(xiàn)行調(diào)度運(yùn)用規(guī)則，上、下六坊堤均在控制站鳳臺站水位達(dá)到23.90 m時開始行洪。模擬淮河遭遇50年一遇和100年一遇洪水過程[13]，對比啟用全部行洪區(qū)與棄用上、下六坊堤行洪區(qū)后鳳臺站水位過程的變化。模擬計算時，在正陽關(guān)給定流量過程，區(qū)間入流給定相應(yīng)量級流量過程，在茨淮新河河口給定水位-流量關(guān)系曲線。計算結(jié)果見圖3。

從圖3可以看出：無論是遭遇50年一遇或100年一遇洪水過程，棄用上、下六坊堤行洪區(qū)均會導(dǎo)致淮河干流鳳臺站水位的上升。遭遇50年一遇洪水時，在7月10—30日水位上漲期間，棄用上、下六坊堤行洪區(qū)比運(yùn)用全部行洪區(qū)平均水位上升0.05 m，洪峰水位由27.18 m漲到27.20 m；遭遇100年一遇洪水時，在7月7—17日水位上漲期間，棄用上、下六坊堤行洪區(qū)比運(yùn)用全部行洪區(qū)平均水位上升0.04 m，洪峰水位由27.20 m漲到27.24 m。

可見淮河遭遇大中型洪水時，棄用上、下六坊堤行洪區(qū)雖對淮干水位稍有影響，但對洪峰水位的影響非常有限，如遭遇50年一遇洪水過程時洪峰水位僅增加0.02 m，遭遇100年一遇洪水過程時洪峰水位僅增加0.04 m。究其原因，上、下六坊堤行洪區(qū)面積較小、地形較低且運(yùn)用較早，遭遇大中型洪水時，在控制站水位到達(dá)洪峰水位前基本上已經(jīng)達(dá)到最大行洪流量，因而影響甚小。該結(jié)果驗(yàn)證了《淮河流域防洪規(guī)劃報告》中棄用上下六坊堤行洪區(qū)是合理可行的。

2 黃蘇段洪泛區(qū)棄守進(jìn)洪的影響分析

黃蘇段洪泛區(qū)位于蚌埠市西南部的淮河右岸，淮河中游懷遠(yuǎn)縣境內(nèi)，西北部以淮干堤防黃疃窯-蘇家崗段為界，東部以延伸堤蘇家崗-王小郢為界，南部以堤頂高程26.0 m等高線為邊界，區(qū)域面積約39 km2。黃蘇段洪泛區(qū)和淮干河網(wǎng)相對位置參見圖2。

依據(jù)《淮河洪水調(diào)度方案》，若淮河發(fā)生百年一遇及以上洪水時，當(dāng)正陽關(guān)水位超過27.50 m時，視水情和工程情況，棄守黃蘇段等洪泛區(qū)[14-16]。因此本文重點(diǎn)研究淮河發(fā)生200年一遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水過程[17]并且壽西湖等行洪區(qū)都已啟用的情況下，黃蘇段洪泛區(qū)棄守進(jìn)洪對淮干水流的影響。

圖4 一二維耦合模型結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure graph of 1-D and 2-D coupled model

基于1∶10 000的地形數(shù)據(jù)建立黃蘇段整體地形變化的混合網(wǎng)格，并考慮道路、堤防等線狀地物的阻水作用，構(gòu)建分洪區(qū)二維水動力模型。將潰口位置選在潰堤風(fēng)險較大的歷史潰口朱村村堤段，潰口寬度設(shè)置為80 m，潰口形狀取梯形，潰決方式為爆破進(jìn)洪。該堤段距正陽關(guān)101 km，相應(yīng)起潰水位為24.90 m。最后再利用MIKE FLOOD模型實(shí)現(xiàn)河道一維和保護(hù)區(qū)二維模型的耦合[18]。采用標(biāo)準(zhǔn)連接技術(shù)，將潰口處的河道與二維模型的網(wǎng)格連接，當(dāng)河道水位高于潰口底高程時，洪水漫過堤防進(jìn)入二維漫流區(qū)；隨著一維河道洪水進(jìn)入退水階段，當(dāng)二維漫流區(qū)水位高于河道水位和潰口堤防底高程的最高值時，漫流區(qū)的洪水又回退至一維河道中，潰口流量采用堰流公式求解，根據(jù)河道與漫流區(qū)的水位差、潰口寬度等參數(shù)計算，從而實(shí)現(xiàn)一、二維模型的耦合。淮干河道與黃蘇段分洪區(qū)的一二維耦合模型結(jié)構(gòu)圖見圖4。

淮河遭遇200年一遇洪水、黃蘇段洪泛區(qū)棄守進(jìn)洪的情況下，運(yùn)用所構(gòu)建的一維、二維及一二維耦合模型模擬此次洪水演進(jìn)過程，得到了潰口未潰情況下潰口處的淮干水位過程、潰口潰破情況下潰口處的淮干水位過程以及潰口流量過程，并統(tǒng)計了潰口潰破前后潰口處的淮干水位下降情況。此外，還提取了潰口潰破前后潰口上游10 和15 km及潰口下游5，10和15 km的淮干水位下降數(shù)據(jù)，以此分析黃蘇段棄守進(jìn)洪對淮干水位的影響(見圖5)。

圖5 潰堤前后淮河干流水位及流量過程Fig.5 Stage-discharge relationships curves of main stream of Huaihe River before and after levee breaking

由圖5可見：

(1)淮河遭遇200年一遇洪水、黃蘇段棄守進(jìn)洪條件下，朱村村堤潰堤后3～4 d內(nèi)，潰口位置對應(yīng)的淮干水位降低10～14 cm。由此可見棄守黃蘇段對降低潰口位置對應(yīng)的淮干水位有顯著影響。究其原因，雖然黃蘇段面積不大，但其境內(nèi)大部分地形較低，淮干水位保持高于分洪區(qū)水位，淹沒水深較大；再者黃蘇段內(nèi)主要阻水建筑物僅有一條縣道，洪水演進(jìn)幾乎沒有障礙。

(2)淮河遭遇200年一遇洪水、黃蘇段棄守進(jìn)洪條件下，朱村村堤潰堤后3～4 d內(nèi)，潰口位置下游5 km淮干水位下降8～12 cm，下游10 km下降5～9 cm，下游15 km下降3～5 cm；潰口位置上游10 km的淮干水位下降8～12 cm，上游15 km下降6～9 cm?？梢?，棄守黃蘇段不僅對潰口位置對應(yīng)的淮干水位降低有顯著影響，對潰口位置上下游的淮干水位亦有較大影響。對上游淮干水位的降低尤其顯著，潰口位置上游行洪河道的有效拓寬是主要原因。

(3)黃蘇段棄守分洪，在潰堤后的3～4 d內(nèi)降低了淮干水位，有效減輕了淮干洪水對兩岸堤防的壓力，對淮干兩側(cè)重要堤防的安全起到了保護(hù)作用，為相關(guān)部門進(jìn)行防洪調(diào)度、相關(guān)地區(qū)居民和財產(chǎn)撤離爭取了寶貴時間。

3 結(jié) 語

應(yīng)用所構(gòu)建的洪水演進(jìn)模型計算分析了棄用上、下六坊堤行洪區(qū)對淮河干流水位的影響，結(jié)果表明廢棄上下六坊堤行洪區(qū)對淮干水位的影響有限，驗(yàn)證了防洪規(guī)劃中廢棄這兩個行洪區(qū)的合理性。同時，應(yīng)用該模型計算分析了淮河遭遇200年一遇洪水、黃蘇段洪泛區(qū)棄守分洪對淮干水位的影響，計算結(jié)果表明棄守黃蘇段可以顯著降低淮河干流水位，從而有效保護(hù)附近重要堤防的安全；該成果可為相關(guān)防汛部門進(jìn)行防洪工程調(diào)度提供參考依據(jù)。

雖然該模型忽略了石姚段和洛河洼這兩個面積較小的行洪區(qū)，對模型精度會造成小幅影響(啟用條件低，對大中型洪水過程洪峰水位影響甚微)，但從長遠(yuǎn)來看，淮河流域防洪規(guī)劃已將這兩個行洪區(qū)規(guī)劃為一般堤防保護(hù)區(qū)，未來進(jìn)行淮河流域洪水演進(jìn)計算時，該模型將顯得更為合理。此外，依據(jù)《淮河洪水調(diào)度方案》，若淮河發(fā)生百年一遇及以上洪水時，當(dāng)正陽關(guān)水位超過27.50 m時，視水情和工程，正陽關(guān)-茨淮新河河口段上游的正南淮堤洪泛區(qū)亦在棄守分洪范圍內(nèi)。該區(qū)的棄守進(jìn)洪分析與黃蘇段類似。但與黃蘇段相比，該區(qū)面積較大、地形復(fù)雜和水系眾多，是分析的難點(diǎn)。相比行蓄洪區(qū)，分洪區(qū)的人類活動更加劇烈。例如黃蘇段區(qū)內(nèi)人口3.8萬人，耕地面積12.11 km2；正南淮堤內(nèi)人口多達(dá)23.5萬人，耕地面積137 km2。棄守將使得該區(qū)內(nèi)群眾的家園遭受滅頂之災(zāi)，蒙受重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，除了分洪區(qū)的使用應(yīng)慎之又慎外，政府部門還應(yīng)有力引導(dǎo)群眾避開洪水易吞噬之地居住，未來可嘗試在洪水淹沒范圍內(nèi)推行洪水保險計劃，以減少洪水對人民群眾生命財產(chǎn)造成的損失，保障人民群眾的生產(chǎn)生活安全。