地面沉降對大清河系尾閭防洪能力影響研究

周志華

摘要：地面沉降是當(dāng)今城市化進(jìn)程中不容忽視的環(huán)境地質(zhì)問題，不但造成水利設(shè)施破壞、地下水質(zhì)和地質(zhì)環(huán)境惡化、標(biāo)高損失等一系列問題，還會(huì)引發(fā)城市內(nèi)澇和河道泄流能力降低，危及城鄉(xiāng)防洪安全。選取沉降最嚴(yán)重的大清河系尾閭骨干防洪工程，通過建立一維河網(wǎng)和二維蓄滯洪區(qū)銜接數(shù)學(xué)模型，分別模擬計(jì)算地面沉降前1982年和沉降后2010年地形條件下50 a 一遇洪水演進(jìn)過程，利用特征點(diǎn)水力參數(shù)對比統(tǒng)計(jì)，分析近30 a地面沉降對區(qū)域防洪的影響。研究表明：地面沉降后行洪河道和蓄滯洪區(qū)水位明顯降低，入?？偹繙p少，但河道堤防超高大幅減小，區(qū)域防洪風(fēng)險(xiǎn)大大增加。

關(guān)鍵詞：地面沉降：防洪能力：數(shù)值模擬：大清河系

中圖分類號：P333

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.06.叭0

1 防洪工程沉降現(xiàn)狀

大清河系位于海河流域中部，上游分為南、北兩支：北支為白溝河水系，經(jīng)新蓋房分洪道人東淀：南支為趙王河水系，各河均匯人白洋淀，出水經(jīng)趙王新河、趙王新渠人大清河、東淀。南、北兩支在東淀匯集后又納清南、清北平原瀝水，同時(shí)納子牙河、南運(yùn)河部分來水，大部分洪水由進(jìn)洪閘經(jīng)獨(dú)流減河人海，少部分洪水由西河閘經(jīng)海河人海。

大清河系尾閭主要指白洋淀以下水系，區(qū)內(nèi)有華北、大港兩大油田，京廣、京九、津浦三條重要鐵路干線貫穿其中，工農(nóng)業(yè)迅猛發(fā)展，交通便利，具有發(fā)展經(jīng)濟(jì)的優(yōu)越條件。由于長期的水資源短缺，近年來該地區(qū)過量開采地下水，加上構(gòu)造沉降、油氣資源和固體礦產(chǎn)資源開發(fā)、城市建設(shè)等一系列內(nèi)因和外因，引發(fā)地面沉降等環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害。地面沉降不僅直接造成標(biāo)高資源損失、水利設(shè)施破壞、工程防洪能力和效益降低，同時(shí)受下游潮位頂托影響，河道行洪不暢的趨勢愈加嚴(yán)重，甚至已經(jīng)影響了整體的防洪形勢，危及防洪安全。本研究利用天津市測繪院20世紀(jì)80年代測繪的1：10 000地形圖和同期河道斷面測繪成果與2012年測繪成果進(jìn)行對比，分析重點(diǎn)防洪工程沉降情況。

1.1 骨干行洪河道沉降特征

根據(jù)地面沉降監(jiān)測資料[1]，獨(dú)流減河沿線1985-2012年累計(jì)地面沉降量最大為1.7 m，累計(jì)沉降量0.8 m以上的河段長度約占全長的88.6%。平均累計(jì)沉降量為1.33 m，平均沉降速率為49 mm/a。2012年上游和中游部分河段沉降速率達(dá)到70 mm/a，堤防的沉降呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢。

1.2 重點(diǎn)蓄滯洪區(qū)沉降特征

選取大清河系尾閭蓄滯洪區(qū)東淀、文安洼、賈口洼、團(tuán)泊洼、沙井子進(jìn)行沉降分析，5個(gè)蓄滯洪區(qū)總面積為3 625.04 km2，不同累計(jì)沉降量所占面積統(tǒng)計(jì)見表1。

通過蓄滯洪區(qū)地形測量數(shù)據(jù)對比分析，東淀沉降面積覆蓋了96.0%的區(qū)域，平均累計(jì)沉降量為0.76 m，沉降速率為20.54 mm/a，累計(jì)沉降1.5 m以上區(qū)域主要集中在東部天津市境內(nèi)：文安洼沉降面積覆蓋了88.86%的區(qū)域，平均累計(jì)沉降量為0.61 m，沉降速率為16.5 mm/a，東南部地面沉降較其他區(qū)域更為嚴(yán)重，特別是河北省大城縣和天津市靜?？h的部分區(qū)域，局部位置沉降量達(dá)2.0 m以上：賈口洼沉降面積覆蓋了98.0%的區(qū)域，平均累計(jì)沉降量為1.12 m，沉降速率為30.1 mm/a；團(tuán)泊洼沉降面積覆蓋了91.72%的區(qū)域，平均累計(jì)沉降量為1.13 m，沉降速率為56.50 mm/a；沙井子沉降面積覆蓋了91.61%的區(qū)域，平均累計(jì)沉降量為0.86 m，沉降速率為43.47 mm/a。蓄滯洪區(qū)最大沉降量達(dá)到2.91 m，位于團(tuán)泊洼。

1.3 重要控制性閘門沉降特征

獨(dú)流減河進(jìn)洪閘位于大清河系東淀下游，是大清河、子牙河洪水人海的主要控制T程，進(jìn)洪閘附近設(shè)有（Ⅱ津唐10）基準(zhǔn)點(diǎn)。據(jù)1965年觀測數(shù)據(jù)[，該基準(zhǔn)點(diǎn)的高程為6.889 m（國家85高程，下同）；到1987年，再次引測，該基準(zhǔn)點(diǎn)的高程變?yōu)?.316 m；2002年開展的基準(zhǔn)點(diǎn)高程復(fù)測，該點(diǎn)高程為5.436 m；到2010年復(fù)測，該點(diǎn)高程為4.958 m。1965-2010年獨(dú)流減河進(jìn)洪閘周邊累計(jì)下沉了1.931 m，平均沉降速率為42.9mm/a。2005年，在對進(jìn)洪閘進(jìn)行除險(xiǎn)加固中發(fā)現(xiàn)，原底板在當(dāng)初建設(shè)時(shí)設(shè)計(jì)高程為1.006 m，加固時(shí)變?yōu)?1.00 m。

2 防洪調(diào)度模型構(gòu)建

從以上分析可以看出，受區(qū)域性地面沉降影響，大清河系尾閭主要河道堤防、蓄滯洪區(qū)、控制性閘門都不同程度存在沉降現(xiàn)象，其中線狀和面狀T程不均勻沉降特征明顯。沉降不僅造成防洪工程自身物理破壞、維護(hù)費(fèi)用增加，同時(shí)還會(huì)影響防洪工程功能和效益的正常發(fā)揮，對區(qū)域防洪安全造成一定的影響。本研究針對大清河系尾閭骨干防洪工程建立一維河網(wǎng)和二維蓄滯洪區(qū)銜接數(shù)學(xué)模型，分別模擬沉降前、后標(biāo)準(zhǔn)頻率下洪水演進(jìn)過程，利用特征點(diǎn)水力參數(shù)對比，分析近30 a地面沉降對區(qū)域防洪的影響。研究范圍上起新蓋房、棗林莊樞紐，下游至人?？冢采w大清河流域中下游地區(qū)，面積約為7 000 km2。研究對象包括骨干河道、大型控制性樞紐及5個(gè)蓄滯洪區(qū)（東淀、文安洼、賈口洼、團(tuán)泊洼和沙井子）。

2.1 模型總體設(shè)計(jì)

根據(jù)地形特征和洪水運(yùn)動(dòng)規(guī)律，將河道與滯洪區(qū)分別按照一維和二維非恒定流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬，模擬區(qū)域概化成網(wǎng)格圖的形式，取單元網(wǎng)格為控制體，采用多通道、多控制條件、擇一鎖定方法銜接一、二維模型，實(shí)現(xiàn)洪水演進(jìn)和分洪計(jì)算模擬。

2.2研究方法

（1）-維非恒定流基本方程[3]。連續(xù)方程為

（4）淺水地面型動(dòng)量方程的離散。對水深不足0.5 m的網(wǎng)點(diǎn)，動(dòng)量方程離散為地面型方程。地面型方程主要是用于地面型通道，即通道兩側(cè)單元為陸地，且通道上沒有堤防等阻水建筑物。考慮到滯洪區(qū)內(nèi)的地形起伏不大，地面洪水較淺時(shí)，洪水演進(jìn)主要受到重力和阻力的作用，保留重力和阻力項(xiàng)的離散方程為

2.3 地形剖分

為模擬分析地面沉降對區(qū)域防洪調(diào)度的影響，應(yīng)針對地面沉降前與沉降后的不同年代地形條件，分別建立數(shù)學(xué)模型，然后針對同一設(shè)計(jì)頻率洪水進(jìn)行演進(jìn)計(jì)算，通過典型位置水力特征值對比分析地面沉降對防洪調(diào)度的影響。首先搭建蓄滯洪區(qū)二維模型，利用1982年和2010年區(qū)域地形實(shí)測資料，運(yùn)用arcGIS軟件提取高程值、DEM數(shù)據(jù)以及阻水作用明顯的交通干線、堤防和居民地分布位置信息，分別進(jìn)行兩個(gè)年代蓄滯洪區(qū)地形網(wǎng)格剖分：然后利用行洪河道2010年實(shí)測斷面資料，通過各河道不同河段平均沉降速率推算1982年的河道斷面，形成兩套不同年代的河道斷面數(shù)據(jù)。

模型應(yīng)用有限體積法[4]的原理，采用無結(jié)構(gòu)不規(guī)則網(wǎng)格將河道、蓄滯洪區(qū)分別概化。河道根據(jù)河寬分別采用一維線性網(wǎng)格和二維平面網(wǎng)格，蓄滯洪區(qū)采用二維平面網(wǎng)格，網(wǎng)格可以是三角形、四邊形或五邊形，區(qū)域內(nèi)的地形、糙率情況均在各網(wǎng)格中反映，同時(shí)對于有明顯阻水作用的公路、鐵路、堤防等，將其高程概化到網(wǎng)格邊界上，統(tǒng)一作為堤防處理。模型中蓄滯洪區(qū)劃分為5 761個(gè)單元，河道劃分為148個(gè)單元、405個(gè)河道斷面。蓄滯洪區(qū)模型網(wǎng)格劃分見圖l，河網(wǎng)模型見圖2。

2.4 模型邊界

模型上邊界為新蓋房、棗林莊30 d洪水過程線，選用最不利的北支設(shè)計(jì)洪水、南支相應(yīng)洪水的組合。其中北支新蓋房設(shè)計(jì)洪水為原設(shè)計(jì)洪水北支白溝站扣除蘭溝洼、大清河（灌溉渠）及白溝引河分泄后的洪水，南支棗林莊洪水為原設(shè)計(jì)洪水南支十方院扣除白洋淀及向其周邊洼淀分洪后的洪水。模型下邊界為海河口和獨(dú)流減河口典型潮位過程。以距獨(dú)流減河防潮閘以北約30 km的六米站潮位資料為依據(jù)，選取1972年7月26日潮位過程為典型潮型。模型上邊界流量過程見圖3，下邊界典型潮位過程見圖4。

2.5 模型糙率

糙率是反映地面阻水狀況的一個(gè)綜合參數(shù)。大清河系缺乏糙率資料，本次模型計(jì)算中，蓄滯洪區(qū)糙率參考“96·8”實(shí)測洪水資料率定，河道糙率取值參照《大清河系防洪規(guī)劃報(bào)告（2004年）》。蓄滯洪區(qū)、河道糙率取值分別見表2、表3。

河道模型斷面采用主槽和邊灘的綜合糙率，計(jì)算公式為式中：n為糙率：X為濕周，無下標(biāo)表示綜合糙率，下標(biāo)z表示主槽值，下標(biāo)b表示邊灘值。

蓄滯洪區(qū)模型單元采用分區(qū)綜合糙率，計(jì)算公式為 式中：n_i為各典型區(qū)域糙率；A_i為各典型區(qū)域面積。

2.6 控制條件

調(diào)度原則按照《大清河洪水調(diào)度方案》（國汛[ 2008] 11號]：當(dāng)趙王新渠泄量超過700 m3/s時(shí)，扒開任莊子堤埝向東淀分洪。十方院水位達(dá)到9.3 m且繼續(xù)上漲時(shí)，運(yùn)用王村分洪閘向文安洼分洪。王村分洪閘運(yùn)用后，第六堡水位達(dá)到6.44 m且繼續(xù)上漲威脅天津市區(qū)安全時(shí)，利用灘里口門向文安洼分洪，當(dāng)文安洼大趙站水位達(dá)到5.94 m且繼續(xù)上漲時(shí)，視洪水情況向賈口洼分洪。當(dāng)?shù)诹核贿_(dá)到6.44 m且繼續(xù)上漲威脅天津市區(qū)安全時(shí)，則向賈口洼分洪，當(dāng)賈口洼八埠站水位達(dá)到5.94 m且繼續(xù)上漲時(shí)，視洪水情況向文安洼分洪。獨(dú)流減河進(jìn)洪閘汛期全部開啟，西河閘控制泄流400 m3/s，防潮閘用閘上、閘下水位差判斷閘門開啟、關(guān)閉時(shí)機(jī)，當(dāng)閘上水位高于閘下水位時(shí)，閘門開啟，否則關(guān)閉。

3 沉降對區(qū)域防洪影響分析

針對50 a一遇洪水，分別計(jì)算沉降前、后地形條件下大清河下游地區(qū)洪水演進(jìn)過程，并從行洪河道水力特征、蓄滯洪區(qū)運(yùn)用情況和總進(jìn)出水量幾個(gè)方面分析地面沉降對區(qū)域防洪的影響。

3.1 行洪河道水力特征

從行洪河道特征點(diǎn)最高水位對比可以看出，變化最為明顯的是第六埠、西河閘上和獨(dú)流減河進(jìn)洪閘上，水位下降接近1.00 m。與此同時(shí)，從流量上分析，由于進(jìn)洪閘最大泄量變化不明顯，因此人海防潮閘流量變化也不明顯。另一方面，從河道自身行洪安全考慮，獨(dú)流減河左堤為1級堤防，大港電廠（樁號60+687）以上設(shè)計(jì)超高2.5 m，大港電廠以下設(shè)計(jì)超高2.0 m。沉降前獨(dú)流減河左堤超高不足河段達(dá)1km，集中在東千米橋附近；沉降后左堤超高不足河段達(dá)3 km，行洪河道不同特征點(diǎn)沉降前、后水力特征統(tǒng)計(jì)見表4，獨(dú)流減河沉降前、后沿程水面線變化見圖5。

3.2 蓄滯洪區(qū)運(yùn)用情況

從蓄滯洪區(qū)運(yùn)用情況看，沉降后東淀和文安洼最高蓄水位均有所降低，分別降低0.74、0.45 m，但是最大滯洪水量均增加，分別增加0.74億、3.81億m3。蓄滯洪區(qū)沉降前、后水力特征統(tǒng)計(jì)見表5。

3.3 進(jìn)出水量

從總的進(jìn)出水量看，人流總量不變的情形下，因蓄滯洪區(qū)及河道的最終蓄量增加，2010年地形條件下人?？偭枯^1982年減少了1. 31億m3。沉降前、后洪水進(jìn)出水量統(tǒng)計(jì)見表6。

3.4 防洪影響綜合分析

區(qū)域性地面沉降現(xiàn)象的發(fā)生，導(dǎo)致行洪河道和蓄滯洪區(qū)特征點(diǎn)水位均大幅下降。以大清河系防洪調(diào)度控制性節(jié)點(diǎn)第六埠為例，50 a一遇洪水條件下沉降后水位較沉降前下降0.97 m，下降比率為3.2%。蓄滯洪區(qū)特征點(diǎn)最高水位下降規(guī)律與第六埠基本一致，進(jìn)洪閘最大泄量地面沉降后基本無變化，行洪河道和蓄滯洪區(qū)蓄水總量增加，人海水量減少1. 31億m3。從大清河系主要泄洪通道獨(dú)流減河的行洪安全情況考慮，地面沉降后獨(dú)流減河的左堤超高大幅減少，50 a-遇洪水條件下，左堤超高減少0.82 m，河道行洪風(fēng)險(xiǎn)大大增加。

4 結(jié)論

（1）大清河系尾閭地區(qū)地面沉降非常嚴(yán)重，沉降具有普遍性、不均勻性、不可逆等特點(diǎn)。骨干行洪河道、重點(diǎn)蓄滯洪區(qū)、控制性閘門都不同程度存在地面沉降現(xiàn)象，其中獨(dú)流減河1985-2012年平均累計(jì)沉降量為1.33 m，蓄滯洪區(qū)最大沉降量為2.91 m。

（2）通過建立一維河網(wǎng)和二維蓄滯洪區(qū)銜接數(shù)學(xué)模型，對地面沉降前（1982年）、沉降后（2010年）50 a一遇洪水條件下大清河系尾閭洪水演進(jìn)過程進(jìn)行了模擬，并分析了區(qū)域性地面沉降對防洪形勢的影響。地面沉降后雖然河道和蓄滯洪區(qū)的水位降低了，但是河道與蓄滯洪區(qū)堤防也在同步降低，同時(shí)加上下游潮位頂托的影響，沉降后堤防超高平均減少0.82 m，左堤超高不足河段較沉降前增加2 km，加劇了區(qū)域防御洪水的風(fēng)險(xiǎn)。

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