基于安全行洪與灘區(qū)建設(shè)協(xié)調(diào)的沖積性河流洪水特性研究

薛 海，劉 震，劉明瀟，徐夢鑫，孫東坡，朱勇杰

?區(qū)域農(nóng)業(yè)水管理?

基于安全行洪與灘區(qū)建設(shè)協(xié)調(diào)的沖積性河流洪水特性研究

薛 海，劉 震，劉明瀟*，徐夢鑫，孫東坡，朱勇杰

（華北水利水電大學(xué) 港口航道與海洋發(fā)展研究中心，鄭州 450046）

【】利用廣闊河漫灘進(jìn)行適度開發(fā)建設(shè)，促進(jìn)流域高質(zhì)量發(fā)展；了解人類活動影響下的沖積性河流洪水特性，提出實(shí)現(xiàn)灘區(qū)工程建設(shè)與河流安全行洪協(xié)調(diào)一致的解決方案，將保護(hù)河流健康落實(shí)在河流工程建設(shè)中。選擇某沖積性河流寬灘區(qū)擬開發(fā)生態(tài)觀光旅游綠道，采用歷史演變分析，河床沖淤預(yù)測及水動力數(shù)值模擬等綜合研究方法，分析了工程河段洪水特性、河道演變規(guī)律及水庫下游的河床調(diào)整因素，研究了預(yù)測河床邊界的處理模式與河流工程等效阻力。通過平面二維洪水?dāng)?shù)值模擬計(jì)算，分析了綠道涉及河段的洪水特性及線路對行洪期流場的影響。模擬研究首先得到該河段主流自由擺動度受到整治工程限制，洪水河勢保持基本不變；其次擬建綠道遠(yuǎn)離河槽、順槽平行布線，灘區(qū)過流面積阻水比小于2.6%，道路建設(shè)引起的局部壅水不超過0.058 m?？茖W(xué)規(guī)劃線路與工程布置，可以將工程對河流洪水傳播的影響降至最低，滿足河道行洪安全與灘區(qū)開發(fā)建設(shè)的協(xié)調(diào)關(guān)系。

沖積性河流；灘區(qū)開發(fā)；水動力模擬；行洪安全；阻水比

0 引言

【研究意義】沖積性河流是一個(gè)完整的自然系統(tǒng)，具有輸運(yùn)徑流、泥沙的功能，為了適應(yīng)不同時(shí)期輸水輸沙需求，一般都具有深槽與河漫灘并存的復(fù)式斷面特征。沖積性河流的灘地是泄洪重要通道，任何對灘區(qū)環(huán)境的干擾都可能對河流泄洪功能帶來不利影響，這是當(dāng)前對沖積性河流大開發(fā)、大保護(hù)進(jìn)程中必須格外重視的問題。

面對社會發(fā)展需求，河漫灘作為河流系統(tǒng)重要泄洪通道和生態(tài)環(huán)境搖籃，能否利用其自然屬性與社會干擾度低的特點(diǎn)，通過科學(xué)合理規(guī)劃將人類活動的不利影響降至最低，這是河流管理者必須面臨的重要挑戰(zhàn)，也是社會發(fā)展與河流環(huán)境保護(hù)之間出現(xiàn)的新矛盾。從科學(xué)技術(shù)層面研究解決這些問題，具有十分重要的科學(xué)意義，同時(shí)也具備很高的工程應(yīng)用價(jià)值。

【研究進(jìn)展】雖然水電工程對河流洪水有一定調(diào)控作用，但河漫灘依然是重要的行洪通道，例如黃河下游游蕩型河段[1]。這些灘區(qū)往往基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，經(jīng)濟(jì)發(fā)展滯后；極大地影響區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展[2]。李國英[3]系統(tǒng)研究了沖積河流的功能與特性，提出河流治理的終極目標(biāo)是維持河流的健康生命；韋直林[4]提出開展與避洪相結(jié)合灘區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、分級開發(fā)綠色農(nóng)業(yè)、生態(tài)旅游地河漫灘綜合治理新思路；王琦等[5]研究了灘區(qū)生態(tài)修復(fù)，在統(tǒng)籌灘區(qū)建設(shè)與泄洪安全基礎(chǔ)上，提出了評價(jià)指標(biāo)，當(dāng)前河道管理范圍內(nèi)建設(shè)的合規(guī)性及相關(guān)政策規(guī)定還需要有更多工程實(shí)例作為其技術(shù)支撐。

沖積性河流灘區(qū)的人類活動與工程往往會影響河道行洪，改變?yōu)┎鬯辰粨Q和沖淤規(guī)律[6]。李新杰等[7]、翟家瑞等[8]分析了黃河下游漫灘水深、灘地過流量與槽灘淤積比的關(guān)系，指出漫灘水深與生產(chǎn)堤高度相當(dāng)時(shí)對泄洪影響最大。劉培斌等[9]分析了滹沱河寬灘區(qū)特性，認(rèn)為灘區(qū)建設(shè)公路應(yīng)順河布線并多設(shè)置透水橋涵，有利于降低工程阻水影響。

在研究洪水演進(jìn)特性方面，河流數(shù)值模擬是主要采用的技術(shù)手段。彭文啟等[10]對子牙新河寬灘區(qū)河口段進(jìn)行了平面二維水沙數(shù)值模擬，得到了潮汐影響下的灘區(qū)洪水傳播特點(diǎn)；Brufau等[11]、Zhou等[12]、Yoon等[13]、Horritt等[14]分別采用近似Riemann解和高階Godunov型格式，引入界面干濕過程算法，較好模擬了洪水在寬灘區(qū)的演進(jìn)；張曉雷等[15]、夏軍強(qiáng)等[16]通過建立基于無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的二維水動力模型，考慮網(wǎng)格精度與村莊當(dāng)量糙率對黃河下游漫灘洪水的影響，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜邊界的洪水過程模擬；陸永軍等[17]利用二維水沙模擬研究了水庫影響下分汊河段的沖淤演變?！厩腥朦c(diǎn)】河漫灘是河流大洪水的緩沖區(qū)與行洪通道，新形勢下灘區(qū)建設(shè)對洪水影響的評估還不夠全面。許多沖積性河流受上游來水來沙、水電工程運(yùn)用以及控導(dǎo)工程的影響，河槽與灘地經(jīng)常處于變化調(diào)整中；在預(yù)測分析灘區(qū)開發(fā)建設(shè)對河流行洪與環(huán)境影響時(shí)，流場邊界復(fù)雜條件與寬灘區(qū)阻力參數(shù)都很難確定。雖然河流數(shù)值模擬已經(jīng)具有較好的基礎(chǔ)，但是針對游蕩型河流洪水演進(jìn)的研究依然面臨許多困難和挑戰(zhàn)；需要采用包括河勢分析、沖淤預(yù)測及水動力數(shù)值模擬等多種研究手段才能完成。

【擬解決的關(guān)鍵問題】本文從某游蕩型河段寬灘區(qū)擬開發(fā)生態(tài)旅游線（綠道）后的洪水動力特性研究入手，采用河床演變分析與水沙數(shù)值模擬等綜合研究方法開展河漫灘建設(shè)工程對河道行洪影響的系統(tǒng)分析與評估，厘清洪水演進(jìn)特性（最高水位與洪水河勢），確定洪水運(yùn)行安全不超標(biāo)的線路建設(shè)方案；使灘區(qū)開發(fā)建設(shè)滿足河流健康與和諧發(fā)展。

1 研究概況

1.1 研究對象

這里以較常見的沖積性河流寬灘區(qū)交通建設(shè)為工程背景，對擬建生態(tài)旅游線河段進(jìn)行水沙、邊界特性與河床演變分析；依據(jù)河流動力學(xué)原理研究有無工程條件下的不同標(biāo)準(zhǔn)洪水的水動力特性，評估道路選線與河漫灘安全泄洪的協(xié)調(diào)性。

研究河段位于黃河小浪底水庫下游，右岸灘區(qū)內(nèi)擬修建一條促進(jìn)鄉(xiāng)村生態(tài)旅游及改善過境交通的公路（灘區(qū)綠道）。由于線路穿越黃河灘區(qū)，同時(shí)又緊鄰小浪底水庫下游，工程對河流環(huán)境的影響直接關(guān)乎河道洪水演進(jìn)與堤防工程安全，極其敏感與重要。為降低線路阻水影響，道路選線基本在高灘區(qū)并順行洪河槽布置，線路平面位置見圖1。在近12 km長的穿灘線路中，在沿線洼地按透水分流泄洪要求設(shè)置橋梁3座、涵洞49孔，設(shè)計(jì)路基比當(dāng)?shù)貫┟娓?.5 m。

研究河段主河槽寬約0.8～2.5 km，由深槽和嫩灘組成；兩側(cè)均有廣闊的河漫灘，右岸灘區(qū)寬1～2 km，北低南高，依托邙山丘陵帶；左岸灘區(qū)寬2～5 km，臨河側(cè)修有防洪堤。該河段上游多汊、下游沙洲林立，呈游蕩型特點(diǎn)；床沙粒徑為0.10～0.25 mm；河道縱比降為1.7‰～1.8‰，河槽善沖善淤、經(jīng)常變動。

圖1 研究河段及擬建灘區(qū)生態(tài)旅游線平面圖

1.2 研究河段邊界狀況

20世紀(jì)70年代以前，研究河段基本是自由發(fā)展，主流擺動頻繁；1992—1998年建設(shè)了比較系統(tǒng)的河道整治工程，約束了河道邊界，使該河段河勢得到較好的控制。該河段整治工程主要有鐵謝（險(xiǎn)工）工程、逯村控導(dǎo)工程、鐵爐護(hù)灘工程、花園鎮(zhèn)控導(dǎo)工程和開儀工程，各工程位置見圖2。該河段又稱鐵（謝）—開（儀）河段，目前主流基本遵循控導(dǎo)工程規(guī)劃流路，沖積性河流灘槽自由發(fā)展的特性被鉗制，成為河槽邊界相對穩(wěn)定的河段。

研究河段上游有小浪底水利樞紐和西霞院水利工程，洪水流量和含沙量可以得到一定程度的控制，所以河床沖淤規(guī)律與堤防的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)都受上游水利工程影響。目前左岸小浪底移民圍堤的防洪標(biāo)準(zhǔn)為10 000 m3/s，右岸險(xiǎn)工設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)仍為17 000 m3/s，而緊鄰的西霞院水庫最大泄量為13 940 m3/s。這也體現(xiàn)了當(dāng)前許多沖積性河流的共性：水利樞紐與河道整治工程已成為影響河床演變與邊界穩(wěn)定性的重要因素。

圖2 險(xiǎn)工、控導(dǎo)工程位置

2 不同時(shí)期的河床演變分析及預(yù)測

2.1 水利樞紐及整治工程控制下的河床演變分析

沖積性河流的演變特性往往受河流工程制約，茲分析了1999年小浪底水庫投入運(yùn)用后的河道沖淤演變特點(diǎn)；此時(shí)研究河段整治工程基本完善，來水來沙開始受水庫調(diào)度控制。1999—2005年汛前水庫運(yùn)用下泄清水，研究河段強(qiáng)烈沖刷，河槽床面高程降低約1.4 m，主槽過流能力（平灘流量）由3 500 m3/s顯著增強(qiáng)到5 000～6 000 m3/s，溯源沖刷使河道縱比降也出現(xiàn)逐漸減小的趨勢，見表1。近年來灘區(qū)注重生態(tài)保護(hù)，以農(nóng)田為主，河槽邊界相對穩(wěn)定。由于該河段整治工程形成控制體系，1999年以來河道主槽河勢雖然也有調(diào)整，但總體受控導(dǎo)工程制約，主流流路相對穩(wěn)定，如鐵謝工程處河勢很穩(wěn)定，見圖3—圖4。說明水電開發(fā)與河道整治限制了沖積性河流的主槽自由擺動，相對穩(wěn)定了洪水河勢。

表1 鐵謝—伊洛河口河段的河床比降變化統(tǒng)計(jì)

圖3 2000—2004年線路所在河段主流線套繪

圖4 2005—2009年線路所在河段主流線套繪

根據(jù)近期黃河水沙研究成果[18]，對未來河道水沙情勢、河床演變與河勢發(fā)展趨勢進(jìn)行分析表明：

1）來水來沙條件未來將進(jìn)一步受水電工程的制約。根據(jù)水沙情勢發(fā)展趨勢，今后中小流量出現(xiàn)頻率進(jìn)一步增加，將對未來河勢發(fā)揮更大作用；洪水上灘概率減小，非汛期和汛期的河道沖淤強(qiáng)度將逐漸趨于均衡，非汛期沖淤量會逐漸超過汛期。

2）研究河段的河勢穩(wěn)定性與整治工程的布局密切相關(guān)。由圖4可看出，鐵謝險(xiǎn)工迎流順?biāo)?，逯村控?dǎo)能適應(yīng)不同量級洪水，使花園鎮(zhèn)工程主流貼靠良好?，F(xiàn)狀工程治導(dǎo)線與主流流路已經(jīng)比較適應(yīng)。未來河勢穩(wěn)定性取決于控導(dǎo)工程與中小水河勢的適應(yīng)性，整治工程體系將影響漫灘大洪水的基本流路[19]。

2.2 研究河段未來邊界條件的預(yù)測分析

2.2.1 沖積性河流河床邊界的時(shí)間特征

多沙河流上修建水庫以后，改變了下游河道水沙關(guān)系，使下游河道發(fā)生以沖淤調(diào)整為標(biāo)志的再造床過程[20]。沿河道縱向的反饋調(diào)整可以概化體現(xiàn)在深泓點(diǎn)高程的3個(gè)階段的響應(yīng)性變化特點(diǎn)（圖5）：第一階段為清水沖刷階段，入庫泥沙大部分淤積在死庫容內(nèi)；下游河床持續(xù)沖刷，沿程深泓點(diǎn)高程持續(xù)下降并在1時(shí)刻降至最低點(diǎn)；第二階段為調(diào)整回淤階段，水庫開始下泄渾水排沙，下游河道逐漸回淤，沿程深泓點(diǎn)高程緩慢上升至水庫蓄水前的水平，為2時(shí)刻；第三階段為持續(xù)調(diào)整階段，水庫通過蓄清排渾向庫外排沙，下游河道深泓點(diǎn)高程緩慢的波動性抬升，但略低于自然淤積速率。由于黃河下游河床邊界一直處于沖淤變化狀態(tài)，因此預(yù)測河道行洪的河床邊界條件應(yīng)與時(shí)間相關(guān)。必須根據(jù)已知河道沖淤演變規(guī)律，按預(yù)測時(shí)間適當(dāng)調(diào)整河床地形，科學(xué)確定預(yù)測期河床邊界。

圖5 下游河道斷面深泓相對高程Z/Z0變化示意圖

2.2.2 現(xiàn)狀河床邊界與預(yù)測期河床邊界的處理模式

從可持續(xù)發(fā)展角度研究沖積性河流灘區(qū)擬建公路對河道泄洪的影響，需要從時(shí)間尺度將研究河段的河床邊界按現(xiàn)狀邊界與預(yù)測期河床邊界2種類型來分析。研究河段受小浪底水庫1999年投入運(yùn)用的影響，前15 a下游河道將保持沖刷狀態(tài)，對應(yīng)于圖5中的第一階段；2015年以后，下游河道逐步回淤，未來20 a（到2035年）和未來30 a（到2045年）時(shí)期的河床平均高程依然是逐漸淤積抬升，對應(yīng)于圖5中的第二階段?；谇笆龈拍睿@里對擬采用的3種河床邊界處理模式予以說明：

①現(xiàn)狀河床邊界條件：根據(jù)現(xiàn)有實(shí)測河道地形圖（2009年）為基礎(chǔ)，采用2015年河床大斷面及局部地形資料進(jìn)行插補(bǔ)作為研究河段水動力模擬的現(xiàn)狀邊界條件；圖6給出一個(gè)實(shí)測大斷面及不同時(shí)期的預(yù)測形態(tài)。

圖6 張莊斷面不同時(shí)期河床大斷面比較

②預(yù)測20 a后的河床邊界條件：對于沖積性河流必須考慮時(shí)間對河床變形的影響。根據(jù)已作為黃河治理規(guī)劃依據(jù)的“九五可研”提供的河床演變預(yù)測成果，首先認(rèn)為小浪底水庫下游河道河床高程在2020年時(shí)將調(diào)整恢復(fù)到2000年水平，然后河床會逐年淤積，主槽年均淤積0.04 m；因此從2020年至2035年主槽部分將普遍淤積抬升0.6 m；灘地淤積率按主槽的30%～60%計(jì)，以2000年河道地形為基礎(chǔ)，考慮15 a持續(xù)淤積，作為預(yù)測20a的河道地形，用于2035年洪水研究。

③預(yù)測30 a后河床邊界條件：按預(yù)測20 a的河床淤積率，至2045年主槽共計(jì)淤積1.0 m；仍以2000年河道地形為基礎(chǔ)，考慮25 a持續(xù)淤積，作為預(yù)測30a的河道地形，用于2045年的洪水研究。典型斷面沖淤預(yù)測效果見圖6。

3 灘區(qū)道路建設(shè)對行洪影響的水動力分析

3.1 河道設(shè)計(jì)洪水的分析確定

一般灘區(qū)道路建設(shè)主要對漫灘大洪水才有影響，故應(yīng)根據(jù)河流特點(diǎn)與工程河段防洪要求科學(xué)確定設(shè)計(jì)洪水。黃河發(fā)生22 000 m3/s大洪水時(shí)，要求確保工程河段洪水不上左岸溫孟灘，對應(yīng)防護(hù)堤設(shè)防流量為10 000 m3/s；考慮右岸鐵謝險(xiǎn)工設(shè)防流量為17 000 m3/s，其下游西霞院工程控泄最大流量則為14 000 m3/s這2個(gè)控制條件，研究河段取流量10 000 m3/s 作為設(shè)計(jì)洪水的基本條件，將14 000 m3/s作為設(shè)計(jì)洪水的上限條件，17 000 m3/s作為現(xiàn)狀校核洪水條件。

3.2 河道洪水的平面二維水動力數(shù)值模擬

3.2.1 數(shù)學(xué)模型的建立

1）模型控制方程

對于寬淺河溝與灘區(qū)坡面流等寬淺型水域，采用水深平均的平面二維運(yùn)動方程能反映這類流場特征，實(shí)現(xiàn)寬淺水域的水動力模擬。水流運(yùn)動遵循的基本方程由三維時(shí)均Renoldz方程沿水深積分所得，運(yùn)動方程中以混長紊流模型求解紊動切應(yīng)力。

主要控制方程如式（1）—式（3）所示：

2）數(shù)值計(jì)算方法及定解條件

基本方程組采用ADI法離散，設(shè)Δ、ΔΔ分別為時(shí)間步長和、方向空間步長，分別為時(shí)層數(shù)和的步長數(shù)；在平面上采用交錯網(wǎng)格，網(wǎng)格格式如圖7所示。

圖7 二維網(wǎng)格格式

進(jìn)口邊界定解條件為進(jìn)口開邊界處流量過程：

()opb（）， （4）

式中：opb為開邊界已知流量，由水文資料確定。

出口邊界條件為下游出口水位—流量關(guān)系：

根據(jù)邊界無滑動、不滲透，取邊界切向、法向速度均為0；在計(jì)算域中洪水期水邊線不斷變化，模型采用水邊界全區(qū)自動跟蹤處理頻繁變動水域。

3）模擬范圍及邊界條件

根據(jù)研究河段特性及河流工程布置，數(shù)學(xué)模型開邊界上游取較順直的冶戍鎮(zhèn)斷面，下游取開儀控導(dǎo)工程斷面。模擬長度約為20.2 km，寬度約為13 km。為了精細(xì)反映模擬河段地形特征，模擬區(qū)網(wǎng)格尺寸取40 m×20 m；縱向網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)=505，橫向網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)=650，網(wǎng)格總數(shù)為328 250。

現(xiàn)狀河床邊界：河道主槽與灘地采用黃河下游1∶10 000的河道地形圖和2015年汛后實(shí)測大斷面資料；河道工程采用實(shí)測1∶1 000最新地形圖，研究河段形態(tài)見圖8（圖中水位均為黃海高程，以下全文同）。

未來預(yù)測河床邊界：采用本文2.2.2中方法，利用2000年實(shí)測河道地形，再按2020年后的河床淤積速率修正預(yù)測20 a和預(yù)測30 a的河床邊界；其余斷面預(yù)測年均按同樣方法處理。擬建道路順流向布設(shè)在河漫灘，距主槽2 500～3 000 m，見圖1；道路背河側(cè)灘區(qū)寬度僅占臨河側(cè)灘區(qū)寬度的6%～7%。

圖8 研究河段地形

4）河道工程概化與等效阻力模擬方法

一般沖積性河流都有治理工程或橋梁，其邊界條件與阻力影響需要單獨(dú)考慮。研究河段有堤防、險(xiǎn)工、控導(dǎo)工程、防護(hù)堤、圍堤以及生產(chǎn)堤等。針對上述工程，所在區(qū)域進(jìn)行了概化處理，相應(yīng)網(wǎng)格均按相應(yīng)工程高程布置。模擬區(qū)域還有2座跨河大橋與樁壩整治工程，橋（樁）墩過流的準(zhǔn)確模擬十分重要，墩柱繞流阻力的影響將平均分配到各墩所在單元。本文采用等效阻力處理法：將墩柱所在單元的河床糙率分為兩部分：一是基本糙率，即無墩河床糙率；二是等效糙率，即因墩柱繞流阻力產(chǎn)生的等價(jià)阻力影響（等效糙率）。單元基本糙率由模型率定給出。等效糙率可采用南科院的樁群阻力研究成果[21]：

式中：nt為等效糙率；n為河床糙率；H為水深（m）；A′為單樁柱在垂直于水流方向上的投影面積（m2）；CD為單樁或樁群阻力系數(shù)，CD=CdKdNd；Cd為單樁阻力系數(shù)，取Cd=2.0；Kd為樁群當(dāng)量系數(shù)，Kd=0.3～1.0；Nd為樁數(shù)；Δx、Δy為樁柱平面尺寸（m）；Ap為墩柱在單元平面的投影面積；Ae為單元面積（m2），見圖9；等效糙率一般取0.07～0.09。

5）數(shù)學(xué)模型參數(shù)選擇與驗(yàn)證

沖積性河流邊界條件都比較復(fù)雜，模型采用灘槽不同糙率模擬相應(yīng)區(qū)域的流場阻力，經(jīng)比選確定河槽糙率為0.018～0.02，灘地糙率為0.037～0.039，并考慮各控導(dǎo)工程丁壩群的局部損失影響[22]。數(shù)學(xué)模型經(jīng)調(diào)試并進(jìn)行了驗(yàn)證洪水模擬，模擬洪水期控制站處的計(jì)算水位與實(shí)測水位值基本吻合，結(jié)果見表2。模擬流場基本反映了洪水期的流速分布、洪水河勢、洪水演進(jìn)以及漫灘特征，糙率選取合理，模型洪水驗(yàn)證基本滿足要求。

表2 洪水水位率定結(jié)果

注洪水流量為10 000 m3/s。

6）模擬方案的設(shè)計(jì)與下邊界條件

為了全面分析灘區(qū)公路建設(shè)對洪水流場的影響，按模擬時(shí)間、洪水量級和灘區(qū)狀況3大類因素組合設(shè)計(jì)計(jì)算工況。模擬時(shí)間分現(xiàn)狀年、預(yù)測20 a和30 a，洪水采用10 000 m3/s（溫孟灘防護(hù)堤設(shè)防流量）、14 000 m3/s（西霞院工程最大泄量）和17 000 m3/s（鐵謝險(xiǎn)工設(shè)防流量）3種，邊界按灘區(qū)擬建道路前后，分2種。模型上邊界采用流量控制，下邊界采用體現(xiàn)沖積性河流河床調(diào)整特征的水位流量關(guān)系控制，本次模擬的下邊界開儀斷面不同時(shí)期水位流量關(guān)系見圖10。

圖10 不同時(shí)期下邊界開儀斷面水位流量關(guān)系

3.2.2 洪水平面二維水動力數(shù)值模擬結(jié)果

通過不同方案平面二維水動力數(shù)學(xué)模型的洪水模擬計(jì)算，得到研究河段在3個(gè)時(shí)期、3種標(biāo)準(zhǔn)洪水條件下，工程修建前后的洪水流場狀況。本文給出部分模擬方案的流場水深、主流線及流速分布，見圖11—圖15，用以研究漫灘洪水的傳播特征與擬建公路的水動力特性。

1）現(xiàn)狀研究河段灘區(qū)洪水動力特性分析

現(xiàn)狀條件下研究河段的洪水特征通過沿程洪水位和平面流場狀況反映，見表3和圖11—圖13。模擬結(jié)果表明，各級洪水主流均受控導(dǎo)工程影響，水流動力軸線（圖中細(xì)黑實(shí)線）均在主槽，主槽水深8～12 m，流速2.0～4.0 m/s。

表3 現(xiàn)狀河道地形各斷面洪水位

圖11 現(xiàn)狀地形,流場水深、流速及主流線（Q=10 000m3/s)

圖12 現(xiàn)狀地形,流場水深、流速及主流線(Q=14 000m3/s)

圖13 現(xiàn)狀地形,流場水深、流速及主流線(Q=17 000 m3/s)

在流量10 000 m3/s與14 000 m3/s洪水時(shí)，溫孟灘圍堤保護(hù)左岸洪水不上灘，右岸部分低灘區(qū)上水漫流，嫩灘區(qū)水深1.0～2.0 m，流速1.0～1.5 m/s；漫流后水勢大大減緩，水深1.0 m左右，流速在0.4 m/s以下。由于擬建公路選線在高灘、遠(yuǎn)離主槽，漫灘洪水在演進(jìn)過程中均未到達(dá)擬建公路范圍（圖11—圖12中黑色虛線）；現(xiàn)狀條件下擬建公路不會對這類洪水泄流產(chǎn)生任何阻水影響。

流量17 000 m3/s洪水模擬時(shí)，因?yàn)楹樗考壱呀?jīng)超過溫孟灘防護(hù)堤設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，左岸部分灘區(qū)（=8～20 km）洪水上灘漫流，水深1.0 m左右，見圖13；洪水剛上灘時(shí)流速較高（1.0～1.5 m/s），隨著洪水在灘區(qū)擴(kuò)散漫流，流速減小，一般在0.5 m/s以下。右岸漫灘范圍也有所擴(kuò)大，未建公路時(shí)漫灘洪水在局部區(qū)域已達(dá)公路選線邊緣，主要集中=12～16 km區(qū)間的2個(gè)局部點(diǎn)；局部點(diǎn)處擬建公路的影響范圍50～150 m，引起當(dāng)?shù)睾樗坏嫩崭卟怀^0.04 m，公路邊緣流速小于0.2 m/s，表明局部線路的水動力特性對整體洪水流場影響很小。

2）預(yù)測年研究河段灘區(qū)洪水動力特性分析

預(yù)測20 a和30 a的河道地形與下邊界條件已經(jīng)考慮了預(yù)測期的河床沖淤影響，上游西霞院水庫在預(yù)測期有最大泄量的運(yùn)用限制。因此，僅按流量10 000 m3/s和14 000 m3/s這2種條件進(jìn)行預(yù)測期洪水?dāng)?shù)值模擬。灘區(qū)公路修建前后的洪水流場特征，如水深、流速、主流線等水力要素變化見圖14、圖15。預(yù)測期洪水主流依然受河段控導(dǎo)工程制約，集中在深槽運(yùn)行，主槽水深、流速與水流動力軸線均與現(xiàn)狀條件基本相同。左岸防護(hù)堤阻止了洪水均未上灘，僅在右岸低灘區(qū)有漫灘洪水。在控導(dǎo)工程導(dǎo)引約束下，主流集中在河槽，遵循“小水走彎、大水趨直”的動力特性，僅右岸兩個(gè)凸出灘區(qū)（=5～10 km和=15～20 km）出現(xiàn)漫灘進(jìn)流，體現(xiàn)了整治工程對漫灘洪水的影響。漫灘流在嫩灘區(qū)水深較大，流速1.0～1.5 m/s；擴(kuò)散后漫灘洪水基本與主槽平行運(yùn)移，水深0.5～1.2 m；流速則沿河槽外法線方向迅速衰減，至外側(cè)邊緣時(shí)流速僅有0.2～0.4 m/s。

預(yù)測期灘區(qū)擬建公路只有少部分路段與漫灘洪水有接觸（見圖14、圖15），對局部灘區(qū)洪水演進(jìn)有影響。由于選線在高灘，灘區(qū)洪水受影響程度和范圍均較小。預(yù)測期研究河段各主要斷面洪水位見表4，利用模擬洪水流場水力要素計(jì)算的公路阻水影響值見表5和圖16。

3）研究河段洪水動力特性與灘區(qū)建設(shè)關(guān)系分析

灘區(qū)建路的選線十分重要，在未來30 a發(fā)生2種設(shè)計(jì)洪水時(shí)，漫灘洪水與規(guī)劃線路接觸很少，洪水河勢不受干擾；洪水流路主要在河槽凸岸側(cè)平緩灘區(qū)，10 000 m3/s洪水時(shí)河段水位壅高值不超過0.047 m，14 000 m3/s洪水時(shí)最大水位壅高值僅0.058 m。平行并遠(yuǎn)離河槽進(jìn)行線路布置，并設(shè)置充量透水分流橋涵，可以大大降低公路阻水影響和壅水程度。由于灘區(qū)泄流順暢，路基最大阻水面積比不超過0.3%，最大阻水寬度比低于0.7%；即使是道路影響最大的斷面，阻水面積比也小于2.6%，路堤偎水流速僅有0.2～0.5 m/s；數(shù)據(jù)表明灘區(qū)交通建設(shè)對河漫灘洪水傳播影響很小，同時(shí)也能滿足洪水期道路安全。由于線路遠(yuǎn)離主槽，預(yù)測期洪水河勢依然受研究河段控導(dǎo)工程制約，主槽流速分布與水流動力軸線基本不變，沿河防洪工程（險(xiǎn)工與控導(dǎo)）也沒有因?yàn)﹨^(qū)建設(shè)增添新的不利影響。

圖14 預(yù)測30 a，工程前后洪水流場及主流線(Q=10 000 m3/s)

表4 預(yù)測期研究河段沿程各斷面洪水位及水位壅高值

注r為修建公路后的洪水位，為修建公路后的洪水位比未修公路的增高值。

表5 研究河段建路阻水影響的特征值統(tǒng)計(jì)

注：Ax、Aj表示灘區(qū)公路影響區(qū)阻水面積和路基阻水面積分別與河道全斷面行洪面積之比，單位:%。

圖15 預(yù)測期，工程前后洪水位對比 (Q=14000 m3/s)

圖16 預(yù)測期灘區(qū)工程對河道行洪寬度的影響

4 結(jié)論

1）河流的主槽與河漫灘是一個(gè)完整的自然系統(tǒng)，河流范圍內(nèi)的開發(fā)建設(shè)必須遵循與河流和諧相處的基本原則，在充分了解河流演變規(guī)律、洪水特性及未來發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上科學(xué)規(guī)劃。

2）開展沖積性河流洪水特性分析時(shí)，必須考慮未來水沙情勢變化引起的河床調(diào)整等因素，考慮水電工程與灘區(qū)建設(shè)的影響。采用水動力數(shù)值模擬研究時(shí)，提出了預(yù)測河床邊界的處理模式與整治工程等效糙率的確定。

3）洪水特性綜合研究表明，研究河段主流受到整治工程的基本控制，為灘區(qū)開發(fā)奠定基礎(chǔ)。采用順河、避槽、高灘布置擬建道路，可以保證行洪期灘區(qū)過流面積的阻水比不超過2.6%，局部影響區(qū)水位壅高低于0.058 m；洪水河勢及流場流態(tài)基本不變。表明合理、科學(xué)的灘區(qū)開發(fā)建設(shè)可以將環(huán)境影響控制在河流健康允許的范圍內(nèi)。

[1] 陳孝田，陳書奎, 李書霞, 等. 黃河下游游蕩型河段河勢演變規(guī)律[J]. 人民黃河, 2009, 31(5): 17-26．

CHEN Xiaotian, CHEN Shukui, LI Shuxia, et al. Law of river trend evolution in wandering reach of the lower Yellow River[J]. Yellow River, 2009, 31(5): 17-26.

[2] 尹學(xué)良, 梁志勇, 陳金榮. 黃河下游的過去和未來[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2000, 11(2): 113-118.

YIN Xueliang, LIANG Zhiyong, CHEN Jinrong. Past and future of the lower Yellow River[J]. Advances in Water Science, 2000, 11(2): 113-118.

[3] 李國英. 黃河治理的終極目標(biāo)是“維持黃河健康生命”[J]. 人民黃河, 2004, 26(1): 1-2, 46.

LI Guoying. Keeping healthy life of the Yellow River：An ultimate aim of taming the Yellow River[J]. Yellow River, 2004, 26(1): 1-2, 46.

[4] 韋直林. 關(guān)于黃河下游治理方略的一點(diǎn)淺見[J].人民黃河, 2004, 26(6): 17-18.

WEI Zhilin. Humble opinions on a general plan for the lower Yellow River regulation[J]. Yellow River，2004, 26(6): 17-18.

[5] 王琦, 趙進(jìn)勇, 劉培斌. 河流生態(tài)修復(fù)工程安全性分析及評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建[J]. 中國防汛抗旱, 2018, 28(6): 10-16．

WANG Qi, ZHAO Jinyong, LIU Peibin. Safety analysis and evaluation index system construction of river ecological restoration project[J]. China Flood Control and Drought Relief, 2018, 28(6): 10-16.

[6] 劉曉燕. 黃河下游主槽斷面恢復(fù)目標(biāo)及相應(yīng)水沙條件研究[J]. 科學(xué)通報(bào), 2006, 51(S2): 176-182.

LIU Xiaoyan. Restoration target of main channel section in the lower Yellow River and study on corresponding water and sediment conditions[J]. Chinese Science Bulletin, 2006, 51(S2): 176-182.

[7] 李新杰, 耿明全. 灘區(qū)工程對黃河下游漫灘水流的影響分析[J]. 中國水利, 2017(15): 42-45, 32.

LI Xinjie, GENG Mingquan. Discussion on the influence of hydraulic projects for the floodplain flow in lower stream of Yellow River[J]. China Water Resources, 2017(15): 42-45, 32.

[8] 翟家瑞, 郝守英, 申冠卿. 論黃河下游灘區(qū)生產(chǎn)堤對防洪的影響[J].人民黃河, 2001, 23(7): 20-21．

ZHAI Jiarui, HAO Shouying, SHEN Guanqing. Effects of levee production on flood control in lower Yellow River basin[J]. Yellow River, 2001, 23(7): 20-21.

[9] 劉培斌, 孫東坡, 等. 河流工程問題數(shù)值模擬理論與實(shí)踐[M]. 鄭州: 黃河水利出版社, 1999.

LIU Peibin, SUN Dongpo, et al. Numerical simulation theory and practice of river engineering problems[M]. Zhengzhou: Yellow River Water Conservancy Press, 1999.

[10] 彭文啟, 薛海, 孫東坡, 等. 尾閭河段的數(shù)值模擬研究[J]. 水利學(xué)報(bào), 2002, 33(1): 16-22.

PENG Wenqi, XUE Hai, SUN Dongpo, et al. Study on numerical simulation of river sink[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2002, 33(1): 16-22.

[11] BRUFAU P, GARCíA-NAVARRO P, VáZQUEZ-CENDóN M E. Zero mass error using unsteady wetting-drying conditions in shallow flows over dry irregular topography[J]. International Journal for Numerical Methods in Fluids, 2004, 45(10): 1 047-1 082.

[12] ZHOU J G, CAUSON D M, MINGHAM C G, et al. Numerical prediction of dam-break flows in general geometries with complex bed topography[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2004, 130(4): 332-340.

[13] YOON T H, KANG S K. Finite volume model for two-dimensional shallow water flows on unstructured grids[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2004, 130(7): 678-688.

[14] HORRITT M S, BATES P D, MATTINSON M J. Effects of mesh resolution and topographic representation in 2D finite volume models of shallow water fluvial flow[J]. Journal of Hydrology, 2006, 329(1/2): 306-314.

[15] 張曉雷, 夏軍強(qiáng), 李娜. 網(wǎng)格尺度及村莊糙率對灘區(qū)洪水演進(jìn)模擬結(jié)果的影響[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 2016, 35(10): 48-57.

ZHANG Xiaolei, XIA Junqiang, LI Na. Impacts of mesh scale and village region roughness on predictions of flood inundation over complex floodplains[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2016, 35(10): 48-57.

[16] 夏軍強(qiáng), 王光謙, 談廣鳴. 復(fù)雜邊界及實(shí)際地形上潰壩洪水流動過程模擬[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2010, 21(3): 289-298.

XIA Junqiang, WANG Guangqian, TAN Guangming. Two-dimensional modelling of dam-break floods over actual terrain with complex geometries using a finite volume method[J]. Advances in Water Science, 2010, 21(3): 289-298.

[17] 陸永軍, 王兆印, 左利欽, 等. 長江中游瓦口子至馬家咀河段二維水沙數(shù)學(xué)模型[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2006, 17(2): 227-234.

LU Yongjun, WANG Zhaoyin, ZUO Liqin, et al. 2D mathematical model for water-sediment between Wakouzi-Majiazui reach in the middle reaches of the Yangtze River[J]. Advances in Water Science, 2006, 17(2): 227-234.

[18] 胡春宏. 黃河流域水沙變化機(jī)理與趨勢預(yù)測[J]. 中國環(huán)境管理, 2018, 10(1): 97-99．

HU Chunhong. Water and sediment change mechanism and trend prediction in the Yellow River basin[J]. China Environmental Management, 2018, 10(1): 97-99.

[19] 秦夫鋒, 王莉, 秦安迪. 中小河流治理切灘工程分析[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2021, 40(S1): 11-14．

QIN Fufeng, WANG Li, QIN Andi. Analysis of beach cutting project for small and medium-sized rivers[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2021, 40(S1): 11-14.

[20] 王普慶, 王平. 阿拉爾攔河閘蓄水運(yùn)用后閘前泥沙淤積特點(diǎn)及清淤措施探討[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2020, 39(S2): 95-98.

WANG Puqing, WANG Ping. Discussion on the characteristics of sediment deposition and dredging measures in front of Alar sluice after impoundment[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(S2): 95-98.

[21] 解鳴曉, 張瑋, 謝慧姣. 樁群數(shù)值模擬中的概化方法研究[J]. 水動力學(xué)研究與進(jìn)展A輯, 2008, 23(4): 464-471.

XIE Mingxiao, ZHANG Wei, XIE Huijiao. Simplification method in numerical modeling of bridge pier group[J]. Chinese Journal of Hydrodynamics, 2008, 23(4): 464-471.

[22] 王兆印, 劉成, 余國安, 等. 河流水沙生態(tài)綜合管理[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2014.

WANG Zhaoyin, LIU Cheng, YU Guoan, et al. Integrated management of water, sediment and ecology of rivers[M]. Beijing: Science Press, 2014.

Flooding Analysis for Alluvial River Based on the Balance between Flood Control and Floodplain Development

XUE Hai, LIU Zhen, LIU Mingxiao*, XU Mengxin, SUN Dongpo, ZHU Yongjie

(North China University of Water Resources and Electric Power, Port Channel and Ocean Development Research Center, Zhengzhou 450046, China)

【】Floodplain is the ecological cradle of alluvial rive to provide a buffer to flooding. Rivers naturally function to transport runoff and sediment, making the river have the double section characteristics of river trough and beach to meet the needs of water and sediment transportation in different periods. There are also villages in the floodplain of many rivers. There will inevitably be some contradictions between the needs of human activities (such as agricultural irrigation, transportation and social development) and river functions (ecology, flood and sediment transportation). If there is no scientific coordination between the two aspects, it will lead to mutual restriction affecting the ecological health of the river as well as the Sustainable high-quality development of the beach area society. It has become an important challenge for river managers to plan traffic routes in wide floodplain areas with less environmental impact. In order to implement the protection of river health in river project construction, the characteristics of alluvial river flood must be understood under the influence of human activity.【】Taking advantage of the vast river floodplain to conduct the appropriate development and construction, it would be helpful to promote the high-quality development of the river basin. Learning more about the flood characteristics of alluvial rivers under the influence of human activities, and proposing a solution scheme to realize the coordination of floodplain engineering construction and river safety flood discharge, would contribute to practicing the protection of river health in constructing the river engineering.【】Taking a proposed eco-tourism greenway in the wide floodplain area of an alluvial river as an example, using the comprehensive research method involving historical evolution analysis, riverbed scouring-depositing prediction and hydrodynamic numerical simulation, the flood characteristics of the engineering reach, the law of river course evolution, the riverbed adjustment factors at the lower reaches of the reservoir were analyzed. The treatment model for predicting the riverbed boundary and the equivalent resistance of the river engineering were studied. By means of two-dimensional flood numerical simulation, the flood characteristics of the river section involved in the greenway and the influence of the route on the flow field during the flood discharge period were also analyzed.【】Firstly, the simulation shows the free swing of the mainstream is restricted by the regulation projects, and the river regime in flood period remains unchanged. Secondly, the proposed greenway is far away from the main channel and the routing is in parallel with the channel, which make the water blocking ratio of the flow area in the beach area less than 2.6%, and the local backwater caused by road construction limited to 0.058 m.【】The arrangement of the proposed greenway is suggested to be routed along the river and located in high beach. Through scientific planning of routes and project layout, the impact of the project on the propagation of river floods can be minimized, and the coordinated relationship between the river flood discharge safety and the beach area development can be satisfied.

alluvial river; floodplain development; hydrodynamic simulation; flood discharging safety; water resistance ratio

薛海, 劉震, 劉明瀟, 等. 基于安全行洪與灘區(qū)建設(shè)協(xié)調(diào)的沖積性河流洪水特性研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2022, 41(3): 136-144.

XUE Hai, LIU Zhen, LIU Mingxiao, et al. Flooding Analysis for Alluvial River Based on the Balance between Flood Control and Floodplain Development[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(3): 136-144.

2021-07-29

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41930643，52079053，51909093）

薛海（1974-），男，河南修武人。副教授，博士，主要從事水力學(xué)及河流動力學(xué)研究。E-mail: xuehai@ ncwu. edu. cn

劉明瀟（1986-），女，河南周口人。講師，博士，主要從事河流動力學(xué)研究。E-mail: liumingxiao@ncwu.edu.cn

TV147.3

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021325

1672 - 3317（2022）03 - 0136 - 09

責(zé)任編輯：趙宇龍