湯漁湖行洪區(qū)改防洪保護區(qū)對淮河干流洪水影響

王露露，辜 兵

(安徽省水利水電勘測設(shè)計院，安徽 合肥 230088)

湯漁湖行洪區(qū)位于淮河左岸，對岸即為淮南市區(qū)，由湯漁湖行洪堤、湯荊隔堤及淮北大堤圍成封閉圈堤，總面積72.7km2，耕地8.3萬畝，涉及淮南市潘集區(qū)、蚌埠市懷遠縣。區(qū)內(nèi)人口5.27萬人，全部居住在低洼地，其中建檔立卡貧困率4.91%[1]。湯漁湖行洪區(qū)屬于淮河高標準行洪區(qū)，現(xiàn)狀行洪方式為口門行洪，規(guī)定行洪水位為淮南24.15m，行洪流量4300m3/s[2]。自1972年建成以來，從未分蓄干流洪水，僅1991年大水滯蓄了淮河支流泥黑河洪水[3]。湯漁湖行洪區(qū)位置如圖1所示。

湯漁湖行洪區(qū)面積大、居住人口多，雖緊臨淮南市區(qū)，地理優(yōu)勢明顯，但受行洪區(qū)定位的限制，區(qū)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、產(chǎn)業(yè)布局等發(fā)展長期滯后，社會經(jīng)濟及群眾生活水平低，貧困人口多。行蓄洪區(qū)既是臨時滯蓄洪水的場所，也是區(qū)內(nèi)群眾賴以生存發(fā)展的基地[4]。在以人為本、保障民生的新治水理念指引下，在安徽省委省政府聚焦行蓄洪區(qū)脫貧攻堅的背景下，湯漁湖行洪區(qū)調(diào)整方案，在滿足流域防洪安全的前提下，還需考慮解決區(qū)內(nèi)5萬多群眾長期防洪安全與脫貧致富問題[5- 7]。本文基于MIKE11模型計算湯漁湖維持行洪區(qū)與改為防洪保護區(qū)兩種工況下，淮干重要節(jié)點洪峰流量、水位和洪水傳播歷時差異，為湯漁湖調(diào)整定位提供依據(jù)。

圖1 湯漁湖行洪區(qū)位置圖

1 模型原理

MIKE 11水動力計算模型是基于垂向積分的物質(zhì)和動量守恒方程，即一維非恒定流Saint-Venant方程組來模擬河流的水流狀態(tài)；以Abbott-lonescu六點隱式差分格式求解[8- 10]，公式如下：

(1)

動量方程

(2)

式中，x、t—分別為計算點空間和時間的坐標；A—斷面過流面積；Q—斷面流量；h—水位；q—旁側(cè)入流流量；C—謝才系數(shù)；R—水力半徑；α—動量校正系數(shù)；g—重力加速度。

2 模型構(gòu)建

2.1 河網(wǎng)及行蓄洪區(qū)概化

構(gòu)建淮河干流正陽關(guān)至浮山段河道及行洪區(qū)一

圖2 淮河正陽關(guān)至浮山段干流河道及行蓄洪區(qū)概化圖

維水動力學模型，河道長235.1km?；春痈闪髡栮P(guān)至浮山段涉及行蓄洪區(qū)8處，其中瓦埠湖蓄洪區(qū)2003年、1954年、1954年型以及100年一遇洪水均不啟用，在本模型中不進行概化，其余壽西湖、董峰湖、上六坊堤、下六坊堤、湯漁湖、荊山湖、花園湖7處行洪區(qū)均按一維河道進行概化，概化的一維河道分別長16.9、6.8、7.6、8.1、9.8、19、23km。

以MIKE 11 SO模塊的Control Structure功能概化7個行蓄洪區(qū)的分洪閘或分洪口門結(jié)構(gòu)物及淮干重要控泄結(jié)構(gòu)物蚌埠閘。其中壽西湖、董峰湖、湯漁湖的進、退洪閘為規(guī)劃工程，按照規(guī)劃設(shè)計參數(shù)概化，上六坊堤、下六坊堤、荊山湖、花園湖的分洪口門或分洪閘為現(xiàn)狀工程，按現(xiàn)狀情況進行概化。行蓄洪區(qū)分洪結(jié)構(gòu)物調(diào)度條件按照規(guī)劃調(diào)度規(guī)則設(shè)置[11- 12]，蚌埠閘洪水期調(diào)度條件為敞泄。

淮河干流及行蓄洪區(qū)概化如圖2所示。

2.2 模擬工況設(shè)置

工況設(shè)置考慮洪水量級、河道及行蓄洪區(qū)工程情況2個主要因素。

(1)洪水量級

20年一遇洪水選擇2003年，分析湯漁湖改保護區(qū)對淮干灘槽泄量影響；50年一遇洪水選擇1954年，淮干設(shè)計洪水采用1954年型100年一遇洪水，分析湯漁湖蓄與泄對干流洪水影響。

(2)河道及行蓄洪區(qū)工況

選取湯漁湖維持行洪區(qū)、湯漁湖改防洪保護區(qū)2種工況。

湯漁湖維持行洪區(qū)工況：湯漁湖建設(shè)進、退洪閘，設(shè)計行洪流量2000m3/s，行洪區(qū)堤防退建、加固，規(guī)劃滯洪庫容3億m3；疏浚湯漁湖進洪閘至荊山湖進洪閘段干流河道，該段河道規(guī)劃總體過流能力達到10000m3/s(包括湯漁湖行洪流量2000m3/s)。淮河干流其余河段及行蓄洪區(qū)有規(guī)劃工程的按照已批復規(guī)劃建設(shè)工程構(gòu)建模型[11]，無規(guī)劃工程的按照現(xiàn)狀情況構(gòu)建模型。

湯漁湖改防洪保護區(qū)：取消湯漁湖行洪區(qū)，行洪區(qū)堤防退建、加固，疏浚湯漁湖進洪閘至荊山湖進洪閘段干流河道，該段河道規(guī)劃總體過流能力達到10000m3/s。淮河干流其余河段及行蓄洪區(qū)模型構(gòu)建同湯漁湖維持行洪區(qū)工況。

2.3 河道斷面數(shù)據(jù)

河道基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)采用實測斷面數(shù)據(jù)，其中淮河干流正陽關(guān)至黑泥溝段斷面測量時間為1991年，黑泥溝至峽山口段斷面測量時間為2013年；峽山口至鳳臺橋段斷面測量時間為1991年；鳳臺橋至荊山湖進洪閘段斷面測量時間為2010年；荊山湖進洪閘至吳家渡段斷面測量時間1991年；吳家渡至浮山段斷面測量時間為2009年。各斷面間距平均按800m左右控制。

2.4 邊界條件

淮河干流正陽關(guān)至浮山段河道沿程有茨淮新河、渦河兩大支流匯入，因此上游邊界條件為淮干正陽關(guān)及支流茨淮新河、渦河流量過程，下游邊界為浮山水位-流量關(guān)系。

3 模型驗證

《淮河中游河道水動力數(shù)學模型研究與應用》[13]中對淮河干流王家壩至小柳巷段一維河道水動力學模型糙率取值進行了率定與驗證，主河槽和灘地糙率取值分別為0.024～0.028、0.036～0.045[13- 14]；考慮本次分析對模型的精確性、合理性需求，對構(gòu)建的淮河干流正陽關(guān)至浮山段一維水動力模型在吸收已有成果的基礎(chǔ)上，進行進一步驗證。由于2004年前后河道工況變化較大，模型驗證采用2005年(2場)、2007年(1場)三場次洪水過程，河道地形數(shù)據(jù)及工程等還原至當年，上、下游及支流邊界條件采用實測數(shù)據(jù)。

以水文情報預報規(guī)范[15]對驗證成果分析，2007年大洪水年份，峰值誤差較小，水位確定性系數(shù)DC≥0.90，QR≥85.0，驗證精度等級為甲級；2005年中洪水年份，峰值誤差不大，水位確定性系數(shù)0.90≥DC≥0.70，QR≥85.0，驗證精度等級為乙級；即驗證精度較高，模型概化合理。模型精度評價見表1。

表1 淮河干流正陽關(guān)至浮山段模型精度評價

注：洪水場次①指2005.07.06至2005.07.23；②指2005.08.24至2005.09.13；③指2007.07.03至2007.07.10

4 模擬結(jié)果

4.1 2003年洪水

2003年洪水正陽關(guān)實測最大流量7890m3/s，正陽關(guān)以下行洪區(qū)僅上六坊堤、下六坊堤進洪，可分析湯漁湖維持行洪區(qū)不啟用情況下，湯漁湖段河道不同疏浚規(guī)模對干流洪水的影響。

正陽關(guān)至浮山段淮河干流主要控制站點中，峽山口站位于湯漁湖上游，淮南站位于湯漁湖進洪閘附近，蚌埠及香廟站位于湯漁湖下游。

湯漁湖維持行洪區(qū)與改保護區(qū)兩種工況，上游峽山口及淮南洪峰流量、出現(xiàn)時間均相同；湯漁湖維持行洪區(qū)與改保護區(qū)相比，峽山口、淮南最高水位分別由24.57m、23.72m降低到24.52m、23.67m，最高水位均降低5cm。兩種工況下，下游蚌埠和香廟洪峰流量、最高水位以及出現(xiàn)的時間均相同。

由于湯漁湖改保護區(qū)方案湯漁湖段干流河道退堤、疏浚規(guī)模比維持行洪區(qū)方案大，因此淮南及以上段河道水位有略有降低，而對湯漁湖下游河道最高水位以及干流的洪峰流量、傳播時間基本沒有影響。

4.2 1954年洪水

1954年洪水正陽關(guān)流量大于9000m3/s的有9d，正陽關(guān)以下需先后啟用上六坊堤、下六坊堤、董峰湖、荊山湖、花園湖、壽西湖、湯漁湖行洪區(qū)，湯漁湖維持行洪區(qū)與改為保護區(qū)兩種工況下，蚌埠最大流量均不超過設(shè)計流量13000m3/s，不需啟用懷洪新河分洪，沿程水位不超過設(shè)計洪水位。

兩種工況下，上游峽山口及淮南最高水位相同、洪峰流量基本相同，峽山口、淮南最高水位分別為25.11、24.13m。湯漁湖維持行洪區(qū)與改保護區(qū)相比，下游蚌埠、香廟最高水位分別由22.29、19.81m抬高到22.31、19.82m，最高水位分別增加2、1cm。蚌埠洪峰流量由維持行洪區(qū)的12505m3/s增加到改為保護區(qū)的12635m3/s，增加130m3/s，洪水過程中流量最大增加314m3/s。兩種工況下蚌埠流量、水位過程如圖3—4所示。

湯漁湖維持行洪區(qū)，于7月20日進洪，進洪流量最大僅400m3/s，直到洪水過程結(jié)束仍未蓄滿，蓄滯洪量2.2億m3，對洪水過程、洪峰流量影響均較小。

圖3 蚌埠流量過程線

圖4 蚌埠水位過程線

4.3 1954年型100年一遇洪水

1954年型100年一遇洪水，正陽關(guān)流量接近10000m3/s的達20d，正陽關(guān)以下需先后啟用上六坊堤、下六坊堤、董峰湖、荊山湖、花園湖、壽西湖、湯漁湖行洪區(qū)；啟用懷洪新河分洪，控制蚌埠最大流量不超過設(shè)計流量13000m3/s，控制蚌埠、香廟最高水位均不超過設(shè)計水位。

湯漁湖改為保護區(qū)與維持行洪區(qū)兩種工況下，上游峽山口及淮南最高水位相同，洪峰流量基本相同，峽山口、淮南最高水位分別為設(shè)計水位25.54、24.48m。

若懷洪新河不啟用，蚌埠洪峰流量由維持行洪區(qū)的13712m3/s增加到改為保護區(qū)的13980m3/s，增加268m3/s，洪水過程中流量最大增加876m3/s；且湯漁湖改保護區(qū)比維持行洪區(qū)蚌埠洪峰出現(xiàn)時間提前4h。懷洪新河不啟用時，兩種工況下蚌埠流量過程如圖5所示。

按淮河洪水調(diào)度，懷洪新河啟用，則兩種工況下，蚌埠、香廟最高水位均為設(shè)計水位22.48m、20.02m，蚌埠最大流量均為13000m3/s。湯漁湖改為保護區(qū)比維持行洪區(qū)，懷洪新河分洪時間提前3d；最大分洪流量由維持行洪區(qū)的1000m3/s增加到改為保護區(qū)的1280m3/s，增加280m3/s；分洪量由維持行洪區(qū)的2.3億m3增加到改為保護區(qū)的4.3億m3，增加2億m3。懷洪新河啟用時，兩種工況下蚌埠流量、水位過程如圖6—7所示。

湯漁湖維持行洪區(qū)，于7月18日進洪，7與21日蓄滿，滯蓄洪量3億m3?；茨稀霾?懷洪新河不啟用)洪峰出現(xiàn)時間分別為7月25日、7月23日，即在洪峰前湯漁湖已經(jīng)蓄滿，主要是滯蓄前期洪水。

圖5 蚌埠流量過程線(懷洪新河不啟用)

圖6 蚌埠流量過程線(懷洪新河啟用)

圖7 蚌埠水位過程線(懷洪新河啟用)

5 結(jié)語

基于MIKE 11模型的分析表明，湯漁湖改保護區(qū)對淮干洪水影響甚微。20年一遇洪水，湯漁湖改保護區(qū)對干流洪峰流量、傳播時間基本無影響，可略為降低淮南以上河段洪水位。50年一遇及100年一遇洪水，湯漁湖改為保護區(qū)對湯漁湖上游干流洪水基本無影響，對下游影響范圍不超過浮山；發(fā)生100年一遇洪水，懷洪新河提前3d分洪，增加2億m3分洪量，即可保證洪水安全下泄，沿程流量和水位均不超過設(shè)計值。本研究成果定量說明了湯漁湖由行洪區(qū)改為防洪保護區(qū)對淮河干流洪水的影響程度，為湯漁湖行洪區(qū)調(diào)整定位的決策提供了重要數(shù)據(jù)支撐及依據(jù)。