潁河河抱灣圩段裁彎取直分析研究

王寧

摘 要：通過比較潁河河抱灣圩段河道原河道退堤方案與裁彎取直方案，分別建立MIKE21模型進行模擬計算，分析2種方案的河水流速、流態(tài)分布、工程占地和搬遷人口。結果表明，裁彎取直方案在較大程度上改變了潁河河勢，改善了河道蜿蜒現(xiàn)狀，使水流下泄更為暢通，較小的河道彎曲系數(shù)有效地減小了迎流頂沖對河岸的沖刷，而新開辟的兩段河道的主槽流速均較大，沖刷作用較強;相比原河道退堤方案，裁彎取直方案會使三灣圩、河抱灣圩四面環(huán)水，極大地改變了圩區(qū)群眾的生產生活方式，產生了較大的社會影響。

關鍵詞：裁彎取直;MIKE模型;河道河勢;流速流態(tài)

中圖分類號 TV85文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2021）13-0161-04

Abstract： In this paper， the original river channel embankment retreat scheme and the cut-bending straight scheme are compared for the Hebaowan polder reach of Ying River. The MIKE21 model is established for simulation. The river water flow velocity， flow pattern distribution， engineering occupation and relocation population of the two schemes are analyzed and compared. The cut-bending straight scheme greatly changes the Ying River regime， improves the meandering status of the river， and makes the flow discharge more smooth. The smaller river bend coefficient effectively reduces the scouring of the river bank by the headward scouring， while the main channel velocity of the new excavated two reaches of the river is large and the scouring effect is strong. Compared with the original river channel embankment retreat scheme， the cut-bending straight scheme will make the Sanwan polder and Hebaowan polder surrounded by water， which will greatly change the production and life style of the polder people and bring great social impact.

Key words： Cut-bending straight; MIKE model; River regime; Velocity and flow pattern

1 概況

沙潁河是淮河最大的支流，發(fā)源于河南省西部伏牛山脈，在安徽省沫河口入淮。潁河較為蜿蜒，河流彎曲系數(shù)為1.48，特別是阜陽閘以下彎曲系數(shù)達1.61，拐彎河段多，彎道近20處。一般蜿蜒型河道的治理措施主要有裁彎取直、撇彎、切灘等[1-3]。本研究以沙潁河為對象，分析了潁河河抱灣圩段河道在原河道退堤與裁彎取直2種方案下的治理效果[4]。

2 研究區(qū)域與方法

2.1 研究區(qū)域 河抱灣圩河段位于潁河阜陽閘至潁上閘段河道中部，長約13km，河道彎曲，彎曲系數(shù)達2.2，集中分布有5處生產圩，其中王周圩、顧廟圩位于右岸灘地，三灣圩、河抱灣圩、新廟圩位于左岸灘地[5]，治理范圍見圖1?？紤]到河段彎曲系數(shù)大，潁河左、右堤堤距寬，最寬處可達2.8km，本次擬定了原河道退堤和裁彎取直2種治理方案，2種方案工程布置詳見圖2、3。

2.1.1 原河道退堤方案 沿原河道疏浚，采用底寬100m，邊坡1∶4，疏浚長度13km;三灣圩、顧廟圩、河抱灣圩規(guī)劃為限制類圩口，按10年一遇防洪標準退建、加固堤防，王周圩、新廟灣圩規(guī)劃為還河類圩口，廢圩還河、圩堤鏟除;三灣圩內新建三灣站，顧廟圩內新建顧廟站、顧廟涵，河抱灣圩內新建河抱灣站、河抱灣涵，詳見圖2。

2.1.2 裁彎取直方案 于三灣圩、河抱灣圩潁左堤側圩內新開挖2段河道，總長3.1km，根據(jù)相關公式計算[6]擬定新開挖河道底寬80m，邊坡1∶4，其余河段按原河道疏浚，疏浚長度3.4km，底寬100m，邊坡1∶4，裁彎處底寬漸變銜接，老河道實施封堵;王周圩、三灣圩、顧廟圩、河抱灣圩圩堤采用20年一遇防洪標準，其中王周圩、顧廟圩局部堤防退建，三灣圩、河抱灣圩并入潁河右岸，新廟灣圩廢棄;王周圩、顧廟圩、河抱灣圩內各新建1座泵站，并在老河道下游出口處新建排澇站1座，詳見圖3。

2.2 研究方法 采用MIKE21模型的FM水動力模塊，其基于二維不可壓縮流體雷諾平均應力方程，包括連續(xù)、動量、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、動量方程見式（1）、式（2）[7-8]。模型中采用有限體積法進行數(shù)值的空間離散，并采用顯式進行時間積分求解[9-11]。

式中：[u]、[v]為基于水深平均的流速;t為時間;x、y和z為笛卡爾坐標;η為河底高程;d為靜水深;h=η+d為總水頭;u、v為x、y方向的速度分量;g為重力加速度;ρ為水的密度;sxx、sxy、syz、syy為輻射應力的分量;Pa為大氣壓強;ρ0為水的相對密度;S為點源流量大小;us、vs為源匯項水流的流速。

3 結果與分析

3.1 模型構建 利用潁河流域DEM數(shù)據(jù)構建規(guī)劃河道二維模型，考慮干流河道地形變化較大以及干流河道與兩岸生產圩的交互影響，計算范圍選擇王周圩至河抱灣圩段，干流河道共計15km。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。原河道退堤方案模型共剖分7182個網(wǎng)格、3725個節(jié)點;裁彎取直方案模型共剖分4180個網(wǎng)格、2224個節(jié)點。糙率系數(shù)在二維模型演進計算中具有關鍵作用。虞邦義等[12]構建了淮河中游河道王家壩-魯臺子河段一維、二維耦合水動力數(shù)學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[13]搭建了淮河中游水文-水動力-水質耦合模型，優(yōu)選最佳水量水質聯(lián)合應急調度方案，參數(shù)率定中沙潁河糙率采用0.020～0.030。本次河道經過糙率驗證[14]，采用主槽0.0225，灘地0.0375。邊界條件中，下邊界采用20年一遇設計水位，上邊界采用20年一遇設計流量。

3.2 成果分析 從流速分布、河勢影響、工程量、占地、社會影響等方面對2個方案進行綜合分析比較。原河道退堤方案通過河道疏浚及沿線生產圩退建、廢棄，擴大泄洪通道，但河道彎曲系數(shù)達1.752，仍較大。從河道流速來看，河道由上游王周圩經過三灣圩、顧廟圩2處較大彎道，主槽流速有所增大，三灣圩、顧廟圩主槽流速分別在0.870～2.083m/s、0.827～2.083m/s，到河抱灣圩上部主槽流速在0.754～1.373m/s，略有減小，水流平緩行進，而到河抱灣圩下部，主槽流速逐漸增大，在0.780～1.699m/s。灘地流速主要集中在0.4～0.6m/s，表現(xiàn)為河抱灣圩以上灘地流速較小，經過河抱灣圩后，灘地流速逐漸變大，詳見表1。從河水流態(tài)來看，河抱灣圩以上段河水過流基本在主槽中，灘地過流較少，河水對主槽的沖刷較大，河抱灣圩以下段水流分布則較為均衡，詳見圖4;原河道方案中河道疏浚、生產圩退建加固等工程量較小，無影響處理工程，涉及永久占地308.53hm2，臨時占地94.8hm2，河道疏浚棄土量、臨時占地面積均較少;方案中王周圩、新廟灣圩規(guī)劃廢棄，三灣圩、顧廟圩、河抱灣圩規(guī)劃為限制類圩口，人口全部外遷入潁左、潁右保護區(qū)內安置，拆遷房屋17.80萬m2，搬遷人口6304人，治理后生產圩內無人居住，保障了群眾防洪安全，減輕了防汛壓力，而方案涉及拆遷房屋面積較大，搬遷人口較多。

裁彎取直方案對原河道形態(tài)、河勢穩(wěn)定具有較大改變，河道彎曲系數(shù)減少至1.048。從河道流速來看，新開辟的兩段河道的主槽流速均較大，三灣圩處主槽流速在1.229～2.231m/s，灘地流速在0.038～1.447m/s，河抱灣圩處主槽流速在1.294～1.770m/s，灘地流速在0.002～0.895m/s，2處裁彎段比較，流路較小的三灣圩段沖刷更為嚴重。原河道所在的王周圩段、顧廟圩段、新廟灣圩段主槽流速分別在1.074～1.617m/s、0.906～1.570m/s、0.880～1.409m/s，灘地流速分別在0.046～0.927m/s、0.110～0.912m/s、0.043～0.544m/s，相對新開河段的主槽、灘地，水流分布更為均勻，沖刷較弱。流速對比詳見表1，流態(tài)對比詳見圖4、5;裁彎取直方案中新開挖河道3.1km、生產圩退建加固等工程涉及永久占地294.4hm2，臨時占地278.33hm2，棄土量、臨時占地面積較大;同時，河道裁彎后影響該段潁右堤保護區(qū)的排澇，需進行影響處理;裁彎方案涉及拆遷房屋10.73萬m2，搬遷人口3961人，三灣圩、河抱灣圩由潁河左岸并入右岸，西側為潁河老河道，東側為新開河道，四面環(huán)水，給群眾生活、生產、出行等均造成了不便，社會影響較大。

4 結論

本次聚焦?jié)}河較為蜿蜒的河抱灣圩河段，從河道流速、流態(tài)分布、工程占地、搬遷人口等方面比較了原河道退堤方案與裁彎取直方案互相的優(yōu)勢與不足，裁彎取直方案較大程度地改變了河道形態(tài)，大大減弱了水流對河道兩岸的沖刷，水流下泄更為順暢，但是對新開挖河段的主槽具有一定的沖刷，同時帶來了較多的臨時占地和影響處理工程量。雖然涉及的房屋拆遷、搬遷人口相對原河道方案較少，但裁彎后原三灣圩、河抱灣圩變成四面臨水的孤島，給圩內群眾生產生活帶來了極大的不便;原河道生產圩退堤方案，對河勢的影響較小，而經過治理河道彎曲系數(shù)仍較大，水流下泄不及裁彎方案順暢，但帶來的社會影響較小。

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（責編：張宏民）