基于MIKE21模型的潁河生產(chǎn)圩退堤分析

王 寧

(安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

1 概況

沙潁河是淮河最大的支流[1-2]，發(fā)源于河南省西部伏牛山脈，在安徽省沫河口入淮，全長(zhǎng)620km。安徽省境內(nèi)稱為潁河，河道長(zhǎng)207km。潁河現(xiàn)有灘地生產(chǎn)圩多達(dá)52處，總面積約63km2，耕地約4666.67hm2，大部分為基本農(nóng)田[3-4]。而生產(chǎn)圩堤身單薄，防洪標(biāo)準(zhǔn)較低，一般不足10a一遇，而且因臨近河岸，阻水嚴(yán)重，影響河道泄洪能力。潁河生產(chǎn)圩內(nèi)居住人口眾多，達(dá)到10.7萬人，因位于潁河左右堤之間，屬于河道內(nèi)部，防洪安全難以保障，區(qū)域發(fā)展更是受到嚴(yán)重限制，居住環(huán)境較差[5]。以往生產(chǎn)圩治理主要包括維持現(xiàn)狀、退建加固、退圩還河等措施[6-8]。本次聚焦?jié)}河阜陽(yáng)閘下游2處較大的圩口：邢集圩、盧華圩，采用MIKE21模型模擬計(jì)算規(guī)劃工況下3種不同圩堤退距的流速、流量過程，并從水流歸槽、河水流態(tài)、退出面積、搬遷人口等角度分析比較各退建整治措施對(duì)河道及周邊的影響。

2 研究區(qū)域和研究方法

2.1 研究區(qū)域

研究范圍為阜陽(yáng)閘下至下灣圩，河道共計(jì)36.53km，區(qū)間涉及圩口由上游至下游，左岸為東平圩、范溝圩、袁寨圩、武廟圩、河北圩、閆樓圩、馬莊圩、口孜糧站圩、口孜集圩，右岸為邢集圩、盧華圩、洄流圩、白果樹圩、下灣圩。其中阜陽(yáng)閘右岸下游約3km處的邢集圩、盧華圩面積較大、居住人口較多，緊鄰安徽潁州經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)及阜陽(yáng)合肥現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)園區(qū)，是潁州重要的城市發(fā)展區(qū)。邢集圩、盧華圩面積分別為5.76、7.73km2、耕地面積分別為456.47、615.73hm2，居住人口分別為10500、11500人。邢集圩圩堤長(zhǎng)度8.0km，堤頂高程32.3～33.4m，圩內(nèi)地面高程一般為28.6～30.5m；蘆華圩圩堤長(zhǎng)度12.9km，堤頂高程32.3～33.0m，圩內(nèi)地面高程一般為28.5～30.2m。本次研究范圍及生產(chǎn)圩分布如圖1所示。

2.2 研究方法

2.2.1Mike21模型

計(jì)算采用Mike21模型的FM水動(dòng)力模塊，其基于二維不可壓縮流體雷諾平均應(yīng)力方程，包括連續(xù)、動(dòng)量、溫度、鹽度和密度方程，可以模擬多種作用力下的水流變化，以及忽略分層的二維自由表面流。平面二維水流連續(xù)方程、動(dòng)量方程見式(1)、式(2)。模型中采用有限體積法進(jìn)行數(shù)值的空間離散，并采用顯式進(jìn)行時(shí)間積分求解[9-11]。

平面二維水流連續(xù)方程為：

(1)

平面二維水流動(dòng)量方程為：

(2)

2.2.2模型預(yù)測(cè)精度評(píng)價(jià)

本次采用Pearson積差相關(guān)系數(shù)P(Pearson Product-Moment Correlation coefficient)及和納什效率系數(shù)N[12]評(píng)價(jià)模擬的精度。其中，P∈(0，1)，1表示二者相關(guān)性最優(yōu)，P值越小相關(guān)性越差；N反應(yīng)了模型的模擬效率，N∈(-∞，1)，1表示模擬效果最優(yōu)，N值越小模擬效果越差。Pearson積差相關(guān)系數(shù)P和納什效率系數(shù)N表達(dá)如下：

(3)

(4)

3 結(jié)果與分析

3.1 模型構(gòu)建

本次利用潁河流域DEM數(shù)據(jù)分別構(gòu)建現(xiàn)狀河道二維模型，考慮干流河道地形變化較大、以及干流河道與兩岸生產(chǎn)圩的交互影響，計(jì)算范圍選擇阜陽(yáng)閘下至下灣圩，干流河道共計(jì)36.53km。網(wǎng)格劃分基于DEM數(shù)據(jù)，考慮地形起伏變化，將干流河道、生產(chǎn)圩及兩者連接區(qū)域建立不同精度的不規(guī)則三角形網(wǎng)格，現(xiàn)狀河道模型共剖分13665個(gè)網(wǎng)格、7202個(gè)節(jié)點(diǎn)。

糙率系數(shù)在二維模型演進(jìn)計(jì)算中具有關(guān)鍵作用。虞邦義等[13]構(gòu)建了淮河中游河道王家壩-魯臺(tái)子河段一維、二維耦合水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，得出沙潁河河道主槽糙率為0.025～0.035，灘地糙率為0.038～0.045。陳煉鋼等[14]搭建了淮河中游水文-水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型，優(yōu)選最佳水量水質(zhì)聯(lián)合應(yīng)急調(diào)度方案，參數(shù)率定中沙潁河糙率采用0.020～0.030。本次采用安徽省潁河流域幾次大水年汛期過程對(duì)糙率進(jìn)行率定，結(jié)果見表1。河道主槽糙率取值0.0225、灘地取值0.0375時(shí)，阜陽(yáng)閘下模擬與實(shí)測(cè)水位的相關(guān)系數(shù)P為0.977～0.994，納什效率系數(shù)N為0.920～0.962，模擬效果較優(yōu)，故河道主槽糙率取值0.0225，灘地0.0375。

表1 河道糙率率定結(jié)果

為了對(duì)比生產(chǎn)圩整治及河道疏浚效果，現(xiàn)狀河道模型和規(guī)劃河道模型的邊界條件，均采用《淮河流域防洪規(guī)劃》[15]中阜陽(yáng)閘-潁上閘段50a一遇流量作為上邊界，潁上閘20a一遇閘上水位作為下邊界。

由于MIKE21模型在網(wǎng)格剖分及高程插值過程中，可能會(huì)對(duì)生產(chǎn)圩堤高度產(chǎn)生坦化影響，故在模型中使用Dikes模塊將生產(chǎn)圩堤DEM數(shù)據(jù)作為構(gòu)筑物再次添加到模型中，以更為真實(shí)地還原模擬地形。

3.2 工程措施

沿線的生產(chǎn)圩根據(jù)圩內(nèi)人口分布、圩口面積大小及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求等，分別對(duì)研究范圍內(nèi)的生產(chǎn)圩進(jìn)行處理：其中東平圩、武廟圩、馬莊圩、口孜糧站圩、白果樹圩退圩還河，邢集圩、盧華圩、范溝圩、袁寨圩、河北圩、閆樓圩、下灣圩退建加固，口孜集圩、洄流圩維持現(xiàn)狀。對(duì)于重點(diǎn)圩區(qū)邢集圩、盧華圩，分別采用圩堤同時(shí)退建50、80、100m 3種工況進(jìn)行計(jì)算。

潁河干流采用疏浚措施，疏浚規(guī)模為底寬200m、底高程為24.0m(阜陽(yáng)閘下)～21.4m(下灣圩)。

3.3 結(jié)果分析比較

邢集圩、盧華圩所在的主河道處從上游至下游分別放置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，現(xiàn)狀河道與規(guī)劃河道3種退建方案主槽流量占比見表2?，F(xiàn)狀河道主槽流量占比均小于規(guī)劃河道，是由于現(xiàn)狀河道主槽斷面較小，且生產(chǎn)圩堤部分高程不達(dá)標(biāo)、堤身?yè)p壞等因素，行洪時(shí)水流漫過生產(chǎn)圩堤，歸槽水量變?。灰?guī)劃河道3種不同退堤方案中，隨著退距增大，主槽流量占比逐漸減小，3種方案河道疏浚規(guī)模一致，而隨著退距增大，垂直水流方向的洪水行進(jìn)寬度變大，一部分水流滯留在邊灘上，阻礙了洪水歸槽。

表2 現(xiàn)狀河道與3種退建方案主槽流量占比

3種方案主槽流速分別為0.79～1.99、1.08～2.13、1.08～2.16m/s之間，灘地流速在0.41～1.02、0.49～0.93、0.40～0.93m/s之間，主槽、灘地流速范圍如圖2所示?？梢缘贸?，隨著退堤距離增大，主槽流速呈增大趨勢(shì)、灘地流速呈略減小趨勢(shì)，潁河較為蜿蜒，隨著退堤距離增大，水流受圩堤束縛作用減少，下泄更為順暢。

圖2 主槽、灘地流速分布

邢集圩、盧華圩同時(shí)退堤50、80、100m的河水流態(tài)，如圖3所示。隨著退距增大，沿生產(chǎn)圩邊緣的流速減小，對(duì)退堤后的生產(chǎn)圩堤沖刷作用逐漸減小，水流在主河槽、灘地之間分布更為均衡；同時(shí)灘地的擴(kuò)寬降低了河段主槽彎道處的流速，進(jìn)而改善主槽急彎處沖刷面貌，使河水下泄更為順暢。

圖3 邢集圩、盧華圩所在河段河水流態(tài)

不同的退堤距離，實(shí)施過程中相應(yīng)的退出面積、拆遷房屋、人口遷移數(shù)量均不同。對(duì)于邢集圩，退堤堤距為50、80、100m的退出面積分別為23萬、39萬、50萬m2，涉及房屋拆遷分別約為1.50萬、2.90萬、4.75萬m2，涉及人口搬遷分別約為230、450、730人；對(duì)于盧華圩，退堤堤距為50、80、100m的退出面積分別為66萬、85萬、100萬m2，涉及房屋拆遷分別約為8.50萬、12.85萬、15.73萬m2，涉及人口搬遷分別約為1300、1980、2400人。邢集圩和盧華圩緊鄰安徽潁州經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)及阜陽(yáng)合肥現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)園區(qū)，是潁州重要的城市發(fā)展區(qū)，大量的征占地、搬遷人口等會(huì)給當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、群眾生產(chǎn)生活、生態(tài)環(huán)境等帶來極大改變，會(huì)引起較多的社會(huì)問題，進(jìn)一步激化人水爭(zhēng)地的矛盾。

4 結(jié)論

針對(duì)潁河2處較大生產(chǎn)圩口—邢集圩、盧華圩堤防退建問題，構(gòu)建了阜陽(yáng)閘下至下灣圩段MIKE21模型，模擬計(jì)算了規(guī)劃工況下，邢集圩、盧華圩同時(shí)退堤50、80、100m主槽、灘地流量流速過程。從流量角度，疏浚措施改善了河水歸槽狀態(tài)，隨著退堤距離增大，主槽流量占比呈減小趨勢(shì)；從流速角度，隨著退堤距離增大，主槽流速呈增大趨勢(shì)，水流受圩堤束縛作用減少，下泄更為順暢；從流態(tài)角度，隨著退距逐漸增大，河水對(duì)岸邊、急彎處沖刷逐漸減小，流態(tài)更穩(wěn)定；從工程實(shí)施角度，較大的退距涉及更多的征占地、房屋拆遷和搬遷人口，社會(huì)影響較大。