基于水文水動(dòng)力模型的溧水河超標(biāo)準(zhǔn)洪水風(fēng)險(xiǎn)分析

王緒彬，劉鵬程，趙燕霞

（1.徐州市南水北調(diào)工程管理中心，江蘇徐州221200；2.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇南京210022）

1 概 況

溧水河地處秦淮河上游，南起一、三干河交匯口，北至西北村，承接一、二、三干河等支流匯水，流域面積約831 km2。溧水河上段有一、三干河兩支流，分別承中山水庫(kù)、西橫山水庫(kù)來(lái)水；而后在左岸江寧區(qū)有橫溪河匯入，承趙村水庫(kù)來(lái)水，右岸有二干河匯入，承接方便水庫(kù)和臥龍水庫(kù)來(lái)水。在下段右岸江寧區(qū)有高陽(yáng)河（又稱(chēng)句容南河）匯入，至西北村和句容河交匯后注入秦淮河干流。天生橋河溝通秦淮河與石臼湖水系，在秦淮河與石臼湖水系分水嶺位置有天生橋套閘控制，天生橋河北片匯水在沙河口匯入一干河。

溧水河流域地形總體為東西高中間低，形成以溧水河為南北向軸線的河谷地形。南北向地勢(shì)則自南向北逐漸降低，南側(cè)為秦淮河流域與石臼湖水系的分水嶺，多為山丘和崗地；北側(cè)除東、西兩端為山丘和高地，中間為溧水河河谷圩區(qū)，并和秦淮河干流圩區(qū)綿延相接。溧水河支流上游主要為山丘區(qū)，中小型水庫(kù)多發(fā)源于此。溧水河干流兩岸及支流中下游兩岸為圩區(qū)。

溧水河流域范圍內(nèi)中、小型水庫(kù)共40 座，其中中型水庫(kù)4 座：中山、臥龍、方便、趙村水庫(kù)。小（1）型水庫(kù)9座，小（2）型水庫(kù)27座。水閘包括節(jié)制閘、排水涵（閘）、引水涵閘、退水閘等，總計(jì)108座，其中主要河道節(jié)制閘包括：天生橋閘、中山河閘、姜林閘（橫溪河）、團(tuán)結(jié)河閘等。主要排水泵站和灌溉兩用泵站共計(jì)171 座，裝機(jī)流量合計(jì)286.3 m3/s，主要功能為排澇。

溧水河流域范圍內(nèi)有中山、方便、臥龍、趙村4 座中型水庫(kù)雨量站，紅星、溧塘、西橫山3座小型水庫(kù)雨量站；前垾村、艾園、東山、天生橋閘、公塘5 個(gè)常規(guī)雨量站。方便、中山、臥龍、趙村4 座中型水庫(kù)水位站；東山、前垾村、開(kāi)太橋、沙河口、天生橋閘（閘上、閘下）水位站。溧水河區(qū)域下邊界為前垾村流量站，測(cè)流為前垾村（句容河）和前垾村（秦淮河干流）和石臼湖水系分水嶺位置有天生橋閘流量站。

2 風(fēng)險(xiǎn)分析方案制定

2.1 水利工程調(diào)度規(guī)則制定

堤防：流域范圍涉及省級(jí)骨干河道堤防包括：溧水河、一干河、天生橋河?xùn)|段、三干河、二干河、橫溪河、句容南河兩岸堤防，句容河左岸堤防、云臺(tái)山河右岸堤防，長(zhǎng)度約229.8 km。其他支流及撇洪溝堤防長(zhǎng)度約62.7 km。其中溧水河、句容河、一干河、徒蓋新河為3 級(jí)堤防，長(zhǎng)度71.4 km；其他溧水河支流堤防、天生橋河堤防、中圩撇洪溝堤防為4 級(jí)堤防，長(zhǎng)度167.2 km；剩余的撇洪溝圩堤為5 級(jí)堤防，長(zhǎng)度53.8 km。

水庫(kù)：中型水庫(kù)、?。?）型水庫(kù)按照省防辦批準(zhǔn)的除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)時(shí)確定的調(diào)度規(guī)則執(zhí)行，主要是遵循水庫(kù)自身水位~庫(kù)容泄量曲線。

水閘：中山河閘老閘及姜林閘、團(tuán)結(jié)河閘等蓄水閘汛期敞開(kāi)行洪。中山河新閘按照設(shè)計(jì)調(diào)度規(guī)則進(jìn)行調(diào)度，天生橋閘按照汛期關(guān)閉擋洪考慮。

泵站：排澇泵站調(diào)度主要根據(jù)內(nèi)河水位、沿河地面（堤防）高程確定。

2.2 潰口設(shè)置

潰口位置：溧水河潰口的設(shè)定主要通過(guò)歷史洪水潰決情況、堤防險(xiǎn)工情況，綜合確定堤防可能的潰口位置，潰口具體位置、尺寸在進(jìn)行資料收集與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查后，咨詢(xún)當(dāng)?shù)胤姥床块T(mén)專(zhuān)家進(jìn)行確定，本研究選取三陵橋潰口為本次邊界條件，防洪保護(hù)對(duì)象主要為337省道、東陽(yáng)圩。三陵橋潰口，設(shè)置在溧水河中段右堤，潰口坐標(biāo)為118°53′05″E，31°49′21″N。堤防建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不足，堤頂高程約為12.7 m，險(xiǎn)工險(xiǎn)段長(zhǎng)約500 m，15年大洪水漫堤［2］。

潰口大小：潰口寬度為110 m，潰口底高程6.5 m，潰口水位12.14 m。

潰決時(shí)機(jī)：堤防潰決方式為瞬潰，河道計(jì)算的最高洪水位大于等于防洪設(shè)計(jì)水位時(shí)，則潰決時(shí)機(jī)選擇潰口位置計(jì)算水位達(dá)到防洪設(shè)計(jì)水位的時(shí)刻。若河道計(jì)算的最高洪水位小于防洪設(shè)計(jì)水位，則潰決時(shí)機(jī)選擇潰口位置計(jì)算水位達(dá)到最高水位的時(shí)刻。

潰口持續(xù)時(shí)間：根據(jù)溧水河歷史洪水實(shí)況，設(shè)定潰口持續(xù)時(shí)間一般為1~3 d，并參考模型計(jì)算中圩內(nèi)水位和河道洪水位情況，當(dāng)圩內(nèi)水位接近河道洪水位時(shí)，認(rèn)為潰口已經(jīng)封堵，但持續(xù)時(shí)間不超過(guò)3 d（即使圩內(nèi)水位仍然低于外河洪水位）。

2.3 計(jì)算方案說(shuō)明

首先對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行水文分區(qū)，采用MIKE 軟件的水文學(xué)模型（URBANB）計(jì)算各分區(qū)流量過(guò)程，并按照各自匯流方式匯入河道。采用一維非恒定流河道水力學(xué)洪水演進(jìn)模型計(jì)算水位和河道沿程流量。通過(guò)河道一維模型和保護(hù)區(qū)二維模型的耦合，計(jì)算洪水淹沒(méi)范圍、速度和水深［3］。

3 模型構(gòu)建及模擬

3.1 模型構(gòu)建

據(jù)溧水河流域地形特點(diǎn)以及工情特點(diǎn)，劃分了54個(gè)水文分區(qū)，其中33個(gè)山丘區(qū)，21個(gè)圩區(qū)。在模型中對(duì)計(jì)算區(qū)域內(nèi)的圩區(qū)內(nèi)部堤防、高于地面0.5 m的道路對(duì)洪水演進(jìn)的影響予以考慮，對(duì)道路上的路下涵洞的過(guò)水作用也進(jìn)行考慮，根據(jù)實(shí)地測(cè)量情況設(shè)置涵洞寬度與底高程。

設(shè)計(jì)暴雨采用前垾村、臥龍水庫(kù)、中山水庫(kù)、方便水庫(kù)以、艾園、天生橋及趙村水庫(kù)1975 年至2010年降雨資料計(jì)算得到溧水河流域最大7 d 設(shè)計(jì)面暴雨。

下邊界前垾村100年洪水位過(guò)程，直接采用《南京城市防洪規(guī)劃2013—2030》中成果，其采用的洪水組合為：秦淮河流域100 年暴雨洪水遭遇河口長(zhǎng)江91.7典型潮位過(guò)程。

對(duì)流域內(nèi)不同地類(lèi)糙率分別進(jìn)行賦值。參考糙率取值見(jiàn)表1。

表1 洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域糙率

3.2 率定及驗(yàn)證

3.2.1 水文模型的率定與驗(yàn)證

通過(guò)3個(gè)水庫(kù)的率定，可以得出Urban B水文模型的2個(gè)重要參數(shù)（穩(wěn)滲和糙率）有一定共性。在短歷時(shí)強(qiáng)暴雨情況下，多個(gè)水庫(kù)的率定顯示水田、旱地及山林的取值為0.1 mm/h，0.3 mm/h，0.7 mm/h。水面、建成區(qū)以及山林的糙率（M）可分別取30、10、6，水田和旱地的取值在各個(gè)水庫(kù)中略有不同，模擬時(shí)段處于6-7月，正是水稻生長(zhǎng)期，暴雨期間可能存在田間蓄水、暴雨過(guò)后再排水的情況，這種情況可能在各個(gè)地區(qū)有所不同。除此之外，通過(guò)率定還確定了另外一些次要參數(shù)如初損、填洼、初滲、霍頓參數(shù)的取值。不同下墊面比例的統(tǒng)計(jì)顯示句容河流域及溧水流域的水田和旱地的比例較大，糙率的選取可能對(duì)干流的模擬有重要的影響，通過(guò)對(duì)源頭水庫(kù)的率定可以大致確定水田旱地的糙率取值范圍在1~9之間。

水庫(kù)驗(yàn)證結(jié)果良好，誤差均在5 cm 內(nèi)。整體上，通過(guò)源頭子流域水文模型2 場(chǎng)洪水率定及2 場(chǎng)洪水驗(yàn)證，水文模型基本可以確定一些次要參數(shù)的取值及重要敏感參數(shù)的取值范圍。

3.2.2 水力學(xué)模型的率定與驗(yàn)證

使用2015 年0626 洪水作為率定洪水，2003 年以及2007 年洪水作為驗(yàn)證洪水，站點(diǎn)使用前悍村（秦）流量資料以及一干河（沙河口）水位資料進(jìn)行率定、驗(yàn)證。從結(jié)果統(tǒng)計(jì)表看出，2015 年洪水整體結(jié)果良好，水位誤差為0.08m，流量相對(duì)誤差為3.3%。2003 年前悍村（秦）流量相對(duì)誤差為-3.1%。2007 年前悍村（秦）流量模擬相對(duì)誤差為-3.3%，結(jié)果良好［4］。

4 溧水河洪水風(fēng)險(xiǎn)分析

通過(guò)對(duì)洪水風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算得到的淹沒(méi)范圍、淹沒(méi)水深和淹沒(méi)歷時(shí)等要素和土地利用數(shù)據(jù)（行政界線，居民地、農(nóng)田、道路、重點(diǎn)單位等）進(jìn)行空間分析，結(jié)合保護(hù)區(qū)內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況，洪水淹沒(méi)特征分布與社會(huì)經(jīng)濟(jì)特征分布通過(guò)空間地理關(guān)系進(jìn)行拓?fù)浏B加，獲取洪水影響范圍內(nèi)不同淹沒(méi)水深下社會(huì)經(jīng)濟(jì)不同財(cái)產(chǎn)類(lèi)型的價(jià)值及分布。從而對(duì)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)受淹面積受淹耕地面積、受影響人口總數(shù)、受影響交通線路、受影響重點(diǎn)單位數(shù)量以及受影響GDP等指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。計(jì)算得到本潰口方案洪水淹沒(méi)面積、淹沒(méi)農(nóng)田面積、受影響GDP、受影響人口和受影響公路、鐵路的統(tǒng)計(jì)結(jié)果［5］。

4.1 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

計(jì)算結(jié)果中將洪水影響統(tǒng)計(jì)值按照淹沒(méi)等級(jí)和行政區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：按照淹沒(méi)等級(jí)分為5 個(gè)級(jí)別，<0.5 m，0.5 m~1.0 m，1.0 m~2.0 m，2.0 m~3.0 m和>3.0 m，每個(gè)級(jí)別的淹沒(méi)面積、淹沒(méi)農(nóng)田、受影響人口、GDP、道路分別統(tǒng)計(jì)；按照行政區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)就以鄉(xiāng)鎮(zhèn)和區(qū)縣為單位，統(tǒng)計(jì)每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)與區(qū)縣的洪水影響分析。

4.2 風(fēng)險(xiǎn)分析

溧水河遭遇100年一遇洪水溧水河中段右堤三陵橋處潰決，區(qū)域淹沒(méi)面積為78.34 km2，影響人口3.47萬(wàn)人，直接經(jīng)濟(jì)損失20.74億元，見(jiàn)表2~4。

表2 溧水河流域100年一遇洪水各水深等級(jí)影響各類(lèi)資產(chǎn)分布

5 結(jié) 論

淹沒(méi)區(qū)內(nèi)的省道高程基本沒(méi)有抵御潰堤洪災(zāi)的能力。根據(jù)計(jì)算，淹沒(méi)區(qū)內(nèi)的重要道路，一旦發(fā)生潰堤險(xiǎn)情，均被洪水淹沒(méi)，損失巨大。洪水風(fēng)險(xiǎn)圖對(duì)可能發(fā)生的超標(biāo)準(zhǔn)洪水的洪水演進(jìn)路線、到達(dá)時(shí)間、淹沒(méi)水深、淹沒(méi)范圍等過(guò)程特征進(jìn)行預(yù)測(cè)，是對(duì)中小河流洪水預(yù)警、標(biāo)示區(qū)域內(nèi)各處洪水災(zāi)害的危險(xiǎn)程度的一種重要的防洪非工程措施。

表3 洪水影響統(tǒng)計(jì)

表4 100年一遇洪水直接經(jīng)濟(jì)損失估算 單位：萬(wàn)元