淮河中游大型人工新河分洪效果分析

（安徽省淮河河道管理局 蚌埠 233000 中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司 合肥 230000）

1 概述

茨淮新河及懷洪新河是橫亙在淮北平原上的兩條大型人工河道，工程始建于20世紀(jì)70年代初，分別于1991年和2002年建成。其中茨淮新河全長134km，最大分洪流量2000m3/s，主要作用是遇沙潁河或淮河發(fā)生特大洪水時，分泄沙潁河洪水，盡量減少沙潁河來水對淮河干流的影響；懷洪新河是茨淮新河的接力河道，全長121km，最大分洪流量2000m3/s，其主要作用是分泄淮河干流洪水入洪澤湖，盡量減少上游來水對蚌埠以下河段的防洪壓力。

茨淮新河及懷洪新河建成后，歷經(jīng)多次分洪，效益顯著。為充分發(fā)揮兩條人工新河的作用，進(jìn)一步完善工程調(diào)度運行方案，本文利用淮河中游一、二維耦合水動力數(shù)學(xué)模型，分析模擬人工新河運用與干流水位的響應(yīng)關(guān)系，系統(tǒng)評估典型年洪水條件下茨淮新河及懷洪新河實際運用的效果。

2 數(shù)學(xué)模型簡介

淮河中游地勢平緩、河網(wǎng)交錯、行蓄洪區(qū)眾多，相互之間的水力聯(lián)系復(fù)雜，開展河道洪水演進(jìn)的模擬研究是解析淮河干流洪水變化特性、合理安排治淮工程布局、實現(xiàn)洪水科學(xué)調(diào)度的關(guān)鍵所在?；春又杏蔚暮樗葸M(jìn)方法可分為水文學(xué)和水力學(xué)兩種，水文學(xué)方法通過馬斯京根方法演算各斷面的流量，然后用擴(kuò)散波非線性水位法推求水面線；水力學(xué)方法的核心是求解圣維南方程組或淺水方程組，相對而言計算精度較高，但需要詳細(xì)的河道地形資料。

虞邦義等基于對淮河中游大型河網(wǎng)水流運動的分析，利用MIKE水流模擬系統(tǒng)建立了淮河中游水動力數(shù)學(xué)模型。該模型采用一、二維嵌套的模型架構(gòu)，對淮河中游河道、湖泊、行蓄洪區(qū)、水利工程樞紐等河網(wǎng)典型要素進(jìn)行分別概化，將蓄洪區(qū)視為零維調(diào)蓄節(jié)點，將干支流河道水流運動處理成一維模型，將洪澤湖、沿淮行洪區(qū)、重要生產(chǎn)圩等寬淺水域處理成二維模型，通過堰閘等水工建筑物過流計算實現(xiàn)不同模型和不同區(qū)域的耦合。目前，該模型已初步應(yīng)用于淮河中游河道整治及行洪區(qū)調(diào)整工程、沿淮重要區(qū)域洪水風(fēng)險圖繪制以及行蓄洪區(qū)優(yōu)化調(diào)度等方面，為淮河進(jìn)一步治理和保護(hù)提供了重要的技術(shù)支持手段。

鑒于該模型能客觀反映淮河中游洪水運動規(guī)律，精確模擬各種調(diào)度方案對河網(wǎng)水動力所產(chǎn)生的影響，故本文采用其作為研究淮河中游大型人工新河分洪效果的計算工具。

3 實際分洪過程及效果分析

3.1 實際分洪過程

在2003年6月下旬～7月中旬期間，茨淮新河茨河鋪閘共有3次運用過程，共分泄沙潁河洪水4.73億m3，最大分洪流量1580 m3/s。具體分洪情況見表1。

2003年7月懷洪新河何巷閘共3次開閘分洪，總分洪水量17.18億m3，最大分洪流量1670m3/s。具體分洪過程見表2。

3.2 分洪效果分析

圖1為茨淮新河分洪與不分洪時正陽關(guān)的水位過程。從圖中可以看出，茨淮新河若不分洪，正陽關(guān)第一次的洪峰水位將達(dá)26.78m，超保證水位0.38m，相應(yīng)魯臺子洪峰流量為8532m3/s；第二次洪峰將達(dá)26.87m，超保證水位0.47m，相應(yīng)魯臺子洪峰流量7889m3/s。兩次洪峰保證水位以上的洪水歷時將達(dá)137h。茨淮新河分洪后，正陽關(guān)洪峰水位及魯臺子洪峰流量均有所降低，其中第一次和第二次正陽關(guān)洪峰水位的降幅較明顯，分別為0.33m和0.17m，相應(yīng)魯臺子洪峰流量分別削減了642m3/s和270m3/s。上述計算表明，為保證淮干正陽關(guān)以下防洪安全，在2003年洪水期實時開啟茨河鋪閘分泄沙潁河洪水是十分必要的，效果也是明顯的。

圖2為懷洪新河分洪與不分洪時吳家渡的水位過程。從圖中可以看出，懷洪新河若不分洪，吳家渡第一次洪峰水位將達(dá)22.52m，超保證水位（22.48m）0.04m，相應(yīng)洪峰流量9422m3/s，第二次洪峰水位22.37m，相應(yīng)洪峰流量8688m3/s。懷洪新河分洪后，吳家渡站洪峰水位將降低0.37～0.63m，洪峰流量也將減少350～850m3/s，且三次洪峰的水位均在保證水位以下。上述計算表明，2003年懷洪新河的適時分洪，為緩解蚌埠城市圈堤及淮北大堤的防汛壓力起到了關(guān)鍵的作用。

表1 2003年6月下旬～7月中旬茨河鋪閘分洪情況統(tǒng)計表

表2 2003年7月上旬～7月下旬何巷閘分洪情況統(tǒng)計表

表3 結(jié)果對比表

圖1 2003年正陽關(guān)水位過程線圖

圖2 2003年吳家渡水位過程線圖

4 水文學(xué)與水力學(xué)方法成果對比分析

《2003年淮河暴雨洪水》（以下簡稱文獻(xiàn)1）采用水文學(xué)方法，分析了茨淮新河和懷洪新河2003年分洪的效果。表3給出了兩者主要成果的對比情況，由表3可知，水文學(xué)及水動力模型在削減洪峰流量、降低洪峰水位以及縮短警戒水位以上歷時等方面還存在一定的差異，初步分析原因主要有以下幾點:

4.1 洪水演算方法

在分析人工新河不分洪時干流的洪峰流量時，文獻(xiàn)1采用馬斯京根法將茨河鋪的實測分洪過程演算到魯臺子站，并與原魯臺子實測流量疊加。由于馬斯京根法是在出流與槽蓄量單一函數(shù)關(guān)系的假定下導(dǎo)出的，是運動波的差分解，這種假定在河底比降較大的山區(qū)河道與實際基本符合，有足夠的精度。而對于淮河中游平原河網(wǎng)地區(qū)，河底比降較小，洪水演進(jìn)受上游來流、下游水位以及閘壩調(diào)控的聯(lián)合作用，上述假定與實際情況有偏差。此種情況較宜采用動力波方程描述水流運動，即直接求解圣維南方程組。

4.2 經(jīng)驗相關(guān)關(guān)系

在分析人工新河不分洪時干流的洪峰水位時，文獻(xiàn)1普遍采用了水位流量的相關(guān)關(guān)系及上下游水位的相關(guān)關(guān)系。受洪水漲落及回水頂托的影響，吳家渡的水位流量呈逆時針的繩套曲線，特別是遇到復(fù)式洪峰時，水位流量的繩套關(guān)系更加復(fù)雜。此外，正陽關(guān)站與魯臺子站的水位相關(guān)關(guān)系受魯臺子流量及其南北區(qū)間洪水組成的影響，十分復(fù)雜。簡單的經(jīng)驗在相關(guān)處理上述復(fù)雜的情況是有難度的。

4.3 分洪之間的互相影響

在評估人工新河的分洪效果時，分洪過程效果應(yīng)作為一個整體進(jìn)行分析。這是由于一次分洪在削減本次洪峰流量，降低本次洪峰水位的同時，也改變了下一次分洪時河道的起漲水位等條件，因此，每次分洪的效果互相影響，很難截然分開。以懷洪新河2003年分洪效果為例，吳家渡第二次洪峰的削峰效果是何巷閘第一次和第二次分洪的綜合作用，而吳家渡第三次洪峰的削峰效果則包含何巷閘三次分洪的綜合作用。

5 結(jié)論與討論

本文應(yīng)用淮河中游一、二維耦合水動力數(shù)學(xué)模型重演了2003年典型洪水，研究了茨淮新河、懷洪新河的分洪效果，并與水文學(xué)方法的成果進(jìn)行比較，初步討論了兩者差異的成因。研究表明，水力學(xué)模型能夠更為精細(xì)地模擬淮河中游的水流運動，能有效地分析人工新河分洪的效果。今后可以將水文學(xué)及水力學(xué)方法相結(jié)合，補充分析閘壩調(diào)度對區(qū)域匯流條件的影響，以進(jìn)一步提高調(diào)度效果評估的精度■