基于一二維耦合的共渠西蓄滯洪區(qū)洪水演進(jìn)模擬

(1.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120； 2.河南省水利勘測設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450016)

1 共渠西蓄滯洪區(qū)概況

共渠西蓄滯洪區(qū)地處浚縣境內(nèi)，位于淇河和共產(chǎn)主義渠交匯口下游共產(chǎn)主義渠左岸，現(xiàn)狀由上、下兩片組成，上片西南以淇河左堤為界，東南靠共產(chǎn)主義渠，西北接自然高地；下片東南靠共產(chǎn)主義渠左堤，西北接自然高地，中間被邢固北至同山的高地與上片隔開。共西行洪區(qū)圍堤包括淇河左堤、共渠右堤及規(guī)劃新建鹽土莊隔堤。淇河左堤為共西行洪區(qū)西南部邊界堤，全長4.16km，現(xiàn)狀堤頂高程73.7～69.4m。共渠右堤為行洪區(qū)東部邊界堤防，從?？h劉莊閘至鹽土莊，全長30.6km，現(xiàn)狀堤頂高程67.40～61.00m。規(guī)劃新建鹽土莊隔堤從鹽土莊節(jié)制閘向西自然高地，長約1km(蓄滯洪區(qū)范圍見圖1)。

圖1 共渠西蓄滯洪區(qū)范圍

2 洪水來源及設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

共渠西滯洪區(qū)入洪口有淇河的枋城分洪口(現(xiàn)狀)、劉莊分洪口(規(guī)劃)和共產(chǎn)主義渠淇門分洪堰(現(xiàn)狀、規(guī)劃)3個，因此，洪水威脅主要是衛(wèi)河、淇河、共產(chǎn)主義渠大水時蓄滯洪區(qū)啟用的洪水風(fēng)險[1]。

淇河上邊界為新村站、共產(chǎn)主義渠上邊界為黃土崗站，設(shè)計(jì)洪水采用2008年國務(wù)院批復(fù)的《海河流域防洪規(guī)劃》報告中的成果，報告對衛(wèi)河楚旺以上洪水地區(qū)組成，考慮淇門以上來水為主，采用淇門、楚旺同頻率，安湯區(qū)間相應(yīng)這一較為不利的組合情況。淇門以上又分兩種組合方式，即新村與淇門同頻率，共產(chǎn)主義渠淇門以上相應(yīng)；共產(chǎn)主義渠淇門與淇門同頻率，新村以上相應(yīng)。淇門新村以上洪水組合，因上游已建盤石頭大型水庫，只考慮盤石頭水庫—新村區(qū)間與新村站同頻率，盤石頭水庫以上相應(yīng)的組合情況。

淇河新村站設(shè)計(jì)洪水采用淇新區(qū)間與新村同頻率，盤石頭水庫以上相應(yīng)的組合成果(共產(chǎn)主義渠淇門采用與淇門同頻率成果)見表1。流域的最大洪水發(fā)生在1963年8月，設(shè)計(jì)洪水過程線采用流域1963年8月的實(shí)際洪水過程作為典型過程進(jìn)行縮放[2]。

表1 淇河、共渠主要控制站設(shè)計(jì)洪水成果

3 計(jì)算方法

共渠西蓄滯洪區(qū)以滯洪區(qū)邊緣為界，洪水來自共產(chǎn)主義渠和淇河，蓄滯洪區(qū)有共產(chǎn)主義渠入流口、淇河分洪口(現(xiàn)狀工況為枋城分洪口，規(guī)劃工況為劉莊分洪口)兩處入流口，蓄滯洪區(qū)內(nèi)的洪水演算采用二維水動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，河道內(nèi)的行洪采用一維水動力學(xué)模型，退水方式為自然退洪。

采用MIKE ZERO系列軟件中的MIKE11、MIKE21和MILKE Flood三個子模塊進(jìn)行計(jì)算。其中MIKE11[3]是一維河道洪水的水動力學(xué)模塊，模擬分洪堰漫溢分洪過程、共產(chǎn)主義渠以及衛(wèi)河的退水過程，通過耦合為蓄滯洪區(qū)的洪水淹沒計(jì)算提供入流及出流邊界條件；MIKE21[4]是二維水力學(xué)計(jì)算模塊，用于計(jì)算蓄滯洪區(qū)內(nèi)的洪水淹沒過程；MIKE FLOOD 是MIKE 11一維模型和MIKE 21二維模型的動態(tài)耦合計(jì)算模塊，為一維河流與蓄滯洪區(qū)內(nèi)二維洪水提供了有效連接，通過一維河道模型上設(shè)置的水工建筑物靈活控制蓄滯洪區(qū)內(nèi)二維洪水的進(jìn)、退洪過程，從而精確模擬該蓄滯洪區(qū)設(shè)計(jì)調(diào)度運(yùn)行工況，得到各量級洪水下蓄滯洪區(qū)啟用進(jìn)洪至退洪全過程計(jì)算結(jié)果。

4 工程調(diào)度運(yùn)用條件

4.1 啟用條件

4.2 運(yùn)用方式及進(jìn)洪方式

按省防汛指揮部指令適時爆破分洪，敞口進(jìn)洪。

共渠西蓄滯洪區(qū)無進(jìn)退洪控制設(shè)施，共渠西蓄滯洪區(qū)上片采用人工爆破扒口的進(jìn)洪方式，在枋城口門爆破分洪，進(jìn)洪口長300m，堤頂高程66.50m；下片由于共產(chǎn)主義渠在該段無堤，長度約3km，洪水自然漫溢入共渠西蓄滯洪區(qū)。

4.3 退洪方式

共渠西蓄滯洪區(qū)上片退洪方式為在牛四馬湖至邢固附近破共產(chǎn)主義渠右堤，分洪入白寺坡蓄滯洪區(qū)，同時自然溢洪入共渠西蓄滯洪區(qū)下片。共渠西蓄滯洪區(qū)下片退洪方式為自然溢洪入共渠[5]。

5 模型驗(yàn)證及原因分析

1963年8月，豫北地區(qū)發(fā)生特大洪水，大部分地區(qū)降雨量達(dá)400～600mm，暴雨中心地區(qū)達(dá)700mm以上，是流域有觀測以來的最大暴雨，8天降雨量比常年雨量還多。衛(wèi)河流域洼地蓄滯洪區(qū)啟用并攔蓄了大量洪水。本次在現(xiàn)狀工況下，用“63·8”實(shí)測洪水作為入流，模擬滯洪區(qū)聯(lián)合調(diào)算的演進(jìn)情況，模擬結(jié)果與實(shí)測最高滯洪水位、最大滯洪量來對比。從對比結(jié)果來看，模擬結(jié)果與“63·8”洪水最高滯洪水位、最大滯洪量相比差距較大，整體偏小，原因是多方面的。

5.1 現(xiàn)狀工況與當(dāng)年工況差別較大

50多年來，淇河、衛(wèi)河及共渠，包括滯洪區(qū)內(nèi)河道都經(jīng)過不同程度的治理，現(xiàn)狀工況相比當(dāng)年工況能更大地降低洪災(zāi)損失，因此，本次模擬各蓄滯洪區(qū)最大滯洪水位比“63·8”洪水的小是合理的。

5.2 進(jìn)洪時機(jī)和退水條件差別較大

“63·8”洪水當(dāng)時扒口、潰堤與現(xiàn)有調(diào)度預(yù)案不同，當(dāng)時扒口時機(jī)有人為影響，而此次模擬是瞬間潰決，加上退水條件大大改善，此次模擬最大滯洪量明顯小于“63·8”洪水的量是合理的。

5.3 申店隔堤現(xiàn)狀工況已被拆除

相比“63·8”洪水當(dāng)年的工況，現(xiàn)狀工況下申店隔堤已經(jīng)不存在，柳圍坡已經(jīng)變成了長虹渠蓄滯洪區(qū)加大滯洪量的倒灌區(qū)，此次模擬中長虹渠與柳圍坡最大滯洪水位相差不大與實(shí)際情況相符。

其實(shí)，這次真的是易非誤會了，他們只是想對易非客氣，想別吵著她了，可這突如其來的客氣，反倒讓易非覺得生疏和孤單。

5.4 模型驗(yàn)證成果分析

通過上述分析，用現(xiàn)狀工況模擬“63·8”洪水，只能反映現(xiàn)狀情況下發(fā)生“63·8”洪水各個滯洪區(qū)可能的淹沒情況。但淇河上游修建盤石頭水庫后，淇河洪水得到了控制，再現(xiàn)“63·8”洪水，各滯洪區(qū)淹沒情況隨之改變。另外，根據(jù)各滯洪區(qū)歷次運(yùn)用情況，除“63·8”洪水外，很難找到其他場次洪水進(jìn)行模擬。經(jīng)綜合分析，通過與1963年實(shí)測洪水對比，從最大水位、滯洪量、淹沒水位、淹沒歷時等方面進(jìn)行比較驗(yàn)證，模型計(jì)算比較合理、可行。

6 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)2012年中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司編制的《衛(wèi)河干流(淇門～徐萬倉)治理工程可行性研究報告》，規(guī)劃在劉莊附近的淇河左岸預(yù)留400m寬口門分洪入共渠西蓄滯洪區(qū)，口門堰頂高程64.10m，50年一遇洪水時口門行洪1870m3/s。因此，共渠西滯洪區(qū)洪水計(jì)算方案分為現(xiàn)狀和規(guī)劃2種計(jì)算工況，洪水標(biāo)準(zhǔn)主要計(jì)算10年一遇、20年一遇和50年一遇，以及淇河發(fā)生20年一遇、衛(wèi)河和共渠發(fā)生50年一遇洪水等情況。根據(jù)洪水來源量級、洪水組合方式及進(jìn)退洪口的設(shè)置，確定計(jì)算方案。

6.1 現(xiàn)狀工況

現(xiàn)狀工況時，共渠西蓄滯洪區(qū)運(yùn)用方式是：預(yù)報衛(wèi)河小李莊水位超過66.10m，淇門以下衛(wèi)河、共產(chǎn)主義渠總泄量超過1000m3/s時，若淇河(新村站)來水大，超過2000m3/s，京廣鐵路橋以下河段將發(fā)生決口，此時在淇河左堤枋城破堤分洪入共渠西蓄滯洪區(qū)上片，利用共渠主槽及共渠灘地行洪。由共渠自然退洪。

方案一：當(dāng)淇河、衛(wèi)河、共渠發(fā)生10年一遇洪水時，按上述運(yùn)用條件計(jì)算洪水淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時、洪水前鋒到達(dá)時間和流速分布等風(fēng)險要素。

方案二：當(dāng)淇河、衛(wèi)河、共渠發(fā)生20年一遇洪水時，按上述運(yùn)用條件計(jì)算洪水淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時、洪水前鋒到達(dá)時間和流速分布等風(fēng)險要素。

方案三：當(dāng)淇河、衛(wèi)河、共渠發(fā)生50年一遇洪水時，按上述運(yùn)用條件計(jì)算洪水淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時、洪水前鋒到達(dá)時間和流速分布等風(fēng)險要素。

方案四：當(dāng)淇河發(fā)生20年一遇、衛(wèi)河和共渠發(fā)生50年一遇洪水時，按上述運(yùn)用條件計(jì)算洪水淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時、洪水前鋒到達(dá)時間和流速分布等風(fēng)險要素。

方案五：當(dāng)淇河、衛(wèi)河、共渠發(fā)生20年一遇洪水時，淇河洪峰與衛(wèi)河、共渠洪峰錯時25h(淇河洪峰在先)，按上述運(yùn)用條件計(jì)算洪水淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時、洪水前鋒到達(dá)時間和流速分布等風(fēng)險要素。

6.2 規(guī)劃工況

規(guī)劃工況時，共渠西蓄滯洪區(qū)運(yùn)用方式是：當(dāng)共產(chǎn)主義渠淇門洪水超過600m3/s時，通過劉莊口門分洪堰漫溢進(jìn)入共渠西蓄滯洪區(qū)，共產(chǎn)主義渠和共渠西蓄滯洪區(qū)共同行洪。退洪方式：?由共渠鹽土莊閘控泄退洪，?由民豐渠入共渠自然退洪。

方案六：當(dāng)淇河、衛(wèi)河、共渠發(fā)生20年一遇洪水時，按上述運(yùn)用條件計(jì)算洪水淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時、洪水前鋒到達(dá)時間和流速分布等風(fēng)險要素。

方案七：當(dāng)淇河、衛(wèi)河、共渠發(fā)生50年一遇洪水時，按上述運(yùn)用條件計(jì)算洪水淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時、洪水前鋒到達(dá)時間和流速分布等風(fēng)險要素。

7 計(jì)算成果

采用設(shè)計(jì)洪水成果作為洪水輸入，按照確定的工程調(diào)度運(yùn)用條件，逐方案計(jì)算洪水要素(計(jì)算成果見表2，共渠西蓄滯洪區(qū)地形與洪水演進(jìn)模擬見圖2～圖3)。

8 結(jié) 論

蓄滯洪區(qū)內(nèi)洪水多呈寬淺方式演進(jìn)，流速在水深方向可以按近似相等考慮，加上內(nèi)部洪水往復(fù)流動復(fù)雜，一維水力學(xué)模型難以進(jìn)行蓄滯洪區(qū)內(nèi)部的洪水模擬，因此，蓄滯洪區(qū)內(nèi)部的洪水演進(jìn)多采用二維非恒定流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，可以得到不同時段的瞬時水位、水深、流速等水力學(xué)參數(shù)。河道內(nèi)由于水深較大，水流能量交換頻繁，流速在水深方向差別較大，而且河道相對于整個蓄滯洪區(qū)范圍較小，按照二維水力學(xué)模型的單元格劃分不能達(dá)到計(jì)算精度要求，因此，河道內(nèi)的水位多采用一維水力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算。

表2 計(jì)算成果

圖2 共渠西蓄滯洪區(qū)地形

圖3 共渠西蓄滯洪區(qū)方案三192h洪水演進(jìn)

而蓄滯洪區(qū)的運(yùn)用，涉及上游河道的入流和向河道退水的出流，僅采用二維或一維水力學(xué)模型均難以滿足計(jì)算要求。采用一維和二維耦合的水力學(xué)方法進(jìn)行蓄滯洪區(qū)的洪水演進(jìn)模擬，同時滿足了蓄滯洪區(qū)內(nèi)部和外部河道的水力要素計(jì)算要求，計(jì)算成果可以輸出任意時段的任意位置的水位、水深、流速等水力學(xué)要素，解決了單個蓄滯洪區(qū)與河道或者多個蓄滯洪區(qū)與河道的洪水演進(jìn)模擬問題。