芻議如何確定城市防洪內(nèi)圈堤高程

(安徽省水利水電勘測設(shè)計院，安徽合肥230088)

改革開放以來，中國城鎮(zhèn)化進程發(fā)展迅速，以城鎮(zhèn)人口比例統(tǒng)計，1981年中國城鎮(zhèn)化率僅為20.16%，而2017年達到了58.52%。隨著城鎮(zhèn)化進程不斷加快，城市范圍不斷擴大，普遍超出了原有城市防洪設(shè)施的保護范圍，大部分新城區(qū)無防洪設(shè)施，且隨著城市經(jīng)濟實力的不斷發(fā)展，可能的受災(zāi)損失也在急劇上升，城市防洪設(shè)施建設(shè)滯后的現(xiàn)狀與城鎮(zhèn)化快速的建設(shè)已發(fā)生了嚴重沖突，城市防洪風(fēng)險呈不斷上升趨勢[1-3]。

城市防洪圈堤體系的建設(shè)是沿河湖城市安全與發(fā)展保障基礎(chǔ)，面對城市防洪的新問題，城市的防洪圈堤隨著城市規(guī)劃范圍不斷增加而調(diào)整。多年來的防洪工程建設(shè)，在綜合規(guī)劃、防洪規(guī)劃中均有明確的治理方案與標(biāo)準，抵御外河洪水方案研究較多，城市靠河側(cè)外圈堤高程均有系統(tǒng)研究[4-6]。對于城市內(nèi)圈堤高程的確定，目前在城市防洪規(guī)劃中處理方式較為粗放，一般存在2種建設(shè)方案：①由于防洪標(biāo)準就高不就低的原則，直接采用外河的設(shè)計洪水位加堤頂超高，整個防洪圈堤同高；②在城市外圈范圍，結(jié)合外環(huán)道路等工程建設(shè)，地面高程基礎(chǔ)上加一定超高或直接采用城市內(nèi)河堤防高程。

對于第一種建設(shè)方案，在城市范圍較小時采用較多，但隨著城市面積增加，城市圈堤長度必然增加，若城市圈堤建設(shè)標(biāo)準過高，不僅工程量大，投資高，在增加了地區(qū)社會經(jīng)濟負擔(dān)的同時，過高的內(nèi)圈堤也會破壞了城市景觀?，F(xiàn)今由于城市范圍迅猛擴大，大多采用第二種建設(shè)方案，但城市上下游的外河堤防防洪標(biāo)準一般低于城市段堤防，因此當(dāng)外河上下游防洪標(biāo)準不足而發(fā)生外河潰口洪水時，由于內(nèi)圈堤建設(shè)標(biāo)準不足，洪水會越過外環(huán)道路或內(nèi)河低標(biāo)準堤防，城市洪水風(fēng)險較大。為滿足新時期城市防洪規(guī)劃的需要，建設(shè)合理的城市防洪內(nèi)圈堤體系，筆者以較為典型的安徽省蒙城縣城市內(nèi)圈堤高程確定為例，對如何確定城市防洪內(nèi)圈堤高程進行了實際研究和探索，以期為廣大規(guī)劃設(shè)計人員和決策者提供參考。

1 研究區(qū)概況

蒙城縣位于安徽省淮北平原中南部，東經(jīng)116°15′43″～116°49′25″，北緯32°55′29″～33°29′04″之間，東鄰懷遠，西接渦陽、利辛，南靠鳳臺，北依濉溪，規(guī)劃外環(huán)內(nèi)城市建設(shè)區(qū)域面積為105.5 km2，規(guī)劃至2020年建成區(qū)為45萬人。

蒙城縣城市建成區(qū)外河為渦河，渦河發(fā)源于河南省黃河南岸的開封，全長380 km，流域面積15 905 km2，是淮北平原的骨干排水河道之一，安徽省境內(nèi)下游河道比降較緩，亳州至蒙城段河道洪水比降約為萬分之一，蒙城以下河道洪水比降約為1/20000。蒙城縣境內(nèi)渦河長56 km，流域面積671 km2，主槽寬200～300 m，灘地寬100～200 m，平槽流量約1 600 m3/s。

蒙城縣屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，多年平均氣溫14.8℃，根據(jù)實測資料統(tǒng)計，區(qū)域多年平均降雨量820 mm。降雨年內(nèi)變化較大，汛期6—9月份降雨量占全年降雨量的70%以上，其中7月份降雨量占汛期降雨量約40%，極端情況下7月份降雨量可占汛期雨量的60%以上，占全年的50%左右(如1965年)。區(qū)域降雨年際變幅亦較大，最大與最小年降雨量比值達3倍。

2 洪源及潰口分析

蒙城縣城區(qū)位于渦河下游，渦河穿越城區(qū)，將城區(qū)分為南、北兩部分，城區(qū)內(nèi)還有數(shù)條支流大溝：阜蒙新河、長流溝、白洋溝、孫溝等，大部分大溝均匯入渦河，城區(qū)可能的外河洪水來源主要為渦河潰口洪水。渦河現(xiàn)狀設(shè)計洪水標(biāo)準為20年一遇，考慮蒙城縣城防洪標(biāo)準為50年一遇，本次渦河洪水量級采用50年一遇，渦河易受淮河干流洪水頂托影響，洪水遭遇采用淮河干流1954年型100年一遇設(shè)計洪水。

渦河潰口位置選擇按照不利、關(guān)注、可能等原則篩選。不利和關(guān)注的原則主要是考慮渦河潰口洪水對城市防洪安全風(fēng)險最大，即潰口越是靠近城區(qū)段，對城市防洪安全風(fēng)險越大?？赡艿脑瓌t主要是結(jié)合防汛調(diào)度原則，堤防歷史險工險段、迎流頂沖和窄灘段等因素綜合考慮[7]?？紤]到渦北區(qū)與渦南區(qū)地形特點相似，而渦北區(qū)面積較小，本次選擇渦南區(qū)為研究范圍，根據(jù)潰口位置篩選原則，在渦河右堤蒙城縣城段上、下游分別設(shè)定王寨潰口和葛莊潰口，各處均為潁河等迎流頂沖段，潰破后對蒙城縣城市防洪安全風(fēng)險較大。蒙城縣城市外河潰口位置示意見圖1。

圖1 蒙城縣城市外河潰口位置示意

根據(jù)淮河流域1975、1982、1983、1991、2003年和2007年洪水調(diào)查資料，周邊行蓄洪區(qū)等潰口寬度一般在150～450 m，本文根據(jù)歷史潰口調(diào)查成果和經(jīng)驗公式法計算結(jié)果，結(jié)合實地觀測資料、洪水量級、專家意見，確定渦河潰口采用矩形斷面，具體潰口寬度設(shè)置見表1。

考慮到不利于城市防洪角度應(yīng)遭遇同一等級洪水的最大風(fēng)險，分洪量應(yīng)盡可能大，堤防潰決方式設(shè)定為瞬間潰決，潰口處縱向沖刷全潰；考慮到潰口后的沖刷，選擇堤后100 m范圍內(nèi)地面最低高程作為潰口底高程。對于設(shè)定潰口，均是考慮外河發(fā)生超標(biāo)準洪水組合方案，可按河道水位達到設(shè)計洪水位時刻瞬間潰決，渦河潰決時機采用潰口斷面處20年一遇設(shè)計洪水位。

表1 渦河50年一遇洪水潰口寬度采用值

3 內(nèi)圈堤高程分析

3.1 模型構(gòu)建

本次研究分析需對城市外河潰口洪水的流量過程和洪水在城市周邊的演進過程進行模擬，模型需具備一維水動力學(xué)、潰口構(gòu)筑物、二維水動力學(xué)等模擬功能。MIKE系列軟件可應(yīng)用于河流、湖泊、行蓄洪區(qū)、保護區(qū)、潰口或分洪閘構(gòu)筑物等的模擬，在洪水風(fēng)險分析、洪水預(yù)報及水利工程規(guī)劃設(shè)計等方面具有大量的工程應(yīng)用。結(jié)合外河潰口洪水研究需要，本次選用MIKE系列軟件進行模型構(gòu)建，通過選擇中游典型城市，分別搭建相應(yīng)河道的一維河道水動力學(xué)模型和城市所在保護區(qū)的二維水動力學(xué)模型，并采用MIKE Flood建立一、二維耦合水動力學(xué)模型進行分析[8]。

a) 一維模型構(gòu)建。蒙城縣城外河潰口洪水分析需構(gòu)建渦河義門集至渦河口段、淮河茨淮新河口至渦河口段一維水動力學(xué)模型，共長166 km，斷面間距按800 m左右控制；葛莊、王寨潰口采用MIKE 11 SO模塊中的可控建筑物概化。渦河、淮河河道糙率值采用現(xiàn)有成果，其中渦河主槽和灘地糙率取值分別為0.022～0.024、0.030～0.034，淮河主槽和灘地糙率取值分別為0.021 5～0.023 5，灘地為0.030～0.038[9]。

b) 二維模型構(gòu)建。本文重點分析渦河潰口洪水在城市圈堤外形成的最高洪水位，二維模型構(gòu)建蒙城縣城渦南區(qū)所在茨渦片防洪保護區(qū)范圍，共6 503 km2。網(wǎng)格剖分基于實測的地形數(shù)據(jù)建立區(qū)域整體地形變化的不規(guī)則三角形網(wǎng)格，采用不同的空間分辨率和網(wǎng)格尺度，對地勢平緩區(qū)域進行網(wǎng)格抽稀處理，抽稀后最大網(wǎng)格面積不大于0.3 km2，主要溝渠、重要地區(qū)、地形和平面形態(tài)變化較大區(qū)域最大網(wǎng)格面積不大于0.05 km2，其他區(qū)域最大網(wǎng)格面積不大于0.1 km2，共剖分33 862個網(wǎng)格，17 408個節(jié)點。城區(qū)外寧洛高速、雙公大道、蒙鳳路等線性構(gòu)筑物，均采用MIKE 21 SO模塊的dikes功能進行概化，設(shè)定沿路基空間變化的高程。防洪保護區(qū)二維水動力模型網(wǎng)格剖分示意見圖2。

茨渦片防洪保護區(qū)糙率系數(shù)取值利用已有地形地類資料，劃分區(qū)內(nèi)不同下墊面糙率，包括村莊、樹叢、旱田、水田、道路以及河道，不同下墊面糙率資料采用淮河流域行蓄洪區(qū)和防洪保護區(qū)糙率敏感性分析成果，不同下墊面糙率系數(shù)取值在0.022 5～0.070之間[10-11]。

圖2 蒙城縣渦南城區(qū)所在保護區(qū)網(wǎng)格劃分示意

圖3 淮河干流渦河口H～Q關(guān)系曲線

c) 邊界條件。渦河上游入流邊界義門集采用渦河50年一遇設(shè)計洪水成果，洪峰流量為2 900 m3/s；淮河上游入流邊界茨淮新河口采用淮河干流1954年型100一遇設(shè)計洪水成果，洪峰流量為12 000 m3/s；淮河下游出流邊界渦河口采用H～Q關(guān)系曲線，渦河口H～Q關(guān)系曲線見圖3。

3.2 潰洪水位分析

a) 潰口洪水結(jié)果：經(jīng)計算分析，城市上游王寨潰口方案潰決洪量為1.39億m3，潰口洪峰流量為583 m3/s；城市下游葛莊潰口方案潰決洪量為2.59億m3，潰口洪峰流量為922 m3/s；兩潰口均為相應(yīng)城區(qū)河段達到20年一遇設(shè)計水位時潰決，潰決時間一致，各潰口方案潰口流量過程見圖4。

b) 內(nèi)圈堤外水位結(jié)果：為分析渦河潰口洪水在城市圈堤外形成的最高洪水位，在城市圈堤外圍設(shè)置16個測點，測點位置詳見圖1。經(jīng)計算分析，城市上游王寨潰口方案在城市西側(cè)內(nèi)圈堤外形成洪峰水位為26.4～27.6 m，最大水深為0.5～1.4 m，城市東側(cè)內(nèi)圈堤不受洪水影響；城市下游葛莊潰口方案在城市東側(cè)內(nèi)圈堤外形成洪峰水位為25.8～26.5 m，最大水深為0.4～0.7 m，城市西南側(cè)內(nèi)圈堤不受洪水影響。各潰口方案測點洪峰水位和最大水深詳見表2，各潰口方案部分測點水位過程見圖5—6。

表2 各潰口方案測點洪峰水位和最大水深計算成果 m

圖4 各潰口方案潰口流量過程

圖5 王寨潰口方案部分測點水位過程

c) 內(nèi)圈堤外流速結(jié)果：經(jīng)計算分析，城市上游王寨潰口方案潰口處最大洪水流速為1.0 m/s左右，城市西側(cè)、南側(cè)內(nèi)堤圈外形成最大洪水流速均在0.3 m/s以下；城市下游葛莊潰口方案潰口處最大洪水流速為1.3 m/s左右，城市東側(cè)內(nèi)堤圈外形成最大洪水流速均在0.3 m/s以下；即各方案在城市圈堤外洪水流速均在0.3 m/s以下，對城市內(nèi)圈堤沖刷影響小，各洪水方案城市內(nèi)圈堤外最大洪水流速示意見圖7—8。

3.3 內(nèi)圈堤高程分析

內(nèi)圈堤高程應(yīng)采用外河潰口洪水和城市內(nèi)河洪水兩者外包，考慮蒙城縣渦南區(qū)城市內(nèi)河過流能力已達到20年一遇內(nèi)澇洪水標(biāo)準，不需設(shè)置內(nèi)河堤防，渦南區(qū)內(nèi)圈堤高程僅需考慮防御外河潰口洪水。

a) 王寨

b) 葛莊圖6 各潰口方案部分測點洪水位過程

堤頂標(biāo)高為設(shè)計洪水位、波浪爬高、安全超高三者之和。GB/T 50805—2012《城市防洪工程設(shè)計規(guī)范》中對城市等別、防洪標(biāo)準、堤防工程級別及安全超高的規(guī)定見表3，綜合內(nèi)圈堤擋水機率、堤外流速、工程量、工程投資及城市景觀等因素，可不考慮波浪爬高，且內(nèi)圈堤安全超高可適當(dāng)降低，內(nèi)圈堤安全超高本次取0.5 m。即蒙城縣渦南區(qū)西側(cè)內(nèi)圈堤高程為27.0～28.2 m，南側(cè)內(nèi)圈堤高程為26.0～27.0 m，西側(cè)內(nèi)圈堤高程為26.0～27.1 m。

圖7 王寨潰口方案城市內(nèi)圈堤外最大洪水流速示意

圖8 葛莊潰口方案城市內(nèi)圈堤外最大洪水流速示意

表3 城市等別、防洪標(biāo)準、堤防工程級別

4 結(jié)語

本文研究分析采用實測的斷面及基礎(chǔ)地形圖數(shù)據(jù)，利用了MIKE 11、21模型模擬計算，精確度高，模擬結(jié)果可靠。以構(gòu)建的渦河、淮河、茨渦片防洪保護區(qū)一、二維耦合非恒定流水動力學(xué)模型為基礎(chǔ)，綜合洪水來源、洪水量級、洪水組合、潰口位置、潰口尺寸、潰決時機等分析成果，模擬蒙城渦南區(qū)城市上、下游兩種潰口洪水工況下在城市圈堤外形成的最高洪水位，并基于GB/T 50805—2012《城市防洪工程設(shè)計規(guī)范》，確定蒙城渦南區(qū)城市內(nèi)圈堤高程，盡可能的為沿河湖城市內(nèi)圈堤高程設(shè)計提供借鑒與參考。