大黃堡洼蓄滯洪區(qū)洪水演進(jìn)過程分析研究

劉戰(zhàn)友，韓民安，趙英虎

（天津市水務(wù)局，天津 300072）

1 引言

天津市共有13個(gè)蓄滯洪區(qū)，總面積2952km2。歷史上，各蓄滯洪區(qū)曾多次得到運(yùn)用，在保護(hù)天津防洪安全中發(fā)揮了巨大作用。大黃堡洼蓄滯洪區(qū)地處天津市寶坻區(qū)、武清區(qū)和寧河縣境內(nèi)，北起筐兒港北堤，東至青龍灣減河右堤和青龍灣故道左堤，西以黃沙河左堤和北京排污河左堤為界，南到津榆公路，總面積277km，整個(gè)區(qū)域位于青龍灣減河與北京排污河之間，承擔(dān)分泄青龍灣減河洪水任務(wù)。區(qū)內(nèi)地勢(shì)西北高、東南低。由柳河干渠、清污渠、大爾路、九園路、閻杜渠等隔堤劃分為5個(gè)分區(qū)，大黃堡洼啟用機(jī)遇為20a一遇，解放后曾先后5次啟用。

狼兒窩分洪閘是分泄青龍灣減河洪水入大黃堡洼的分洪閘，位于青龍灣減河右堤，武清區(qū)崔黃口鄉(xiāng)狼兒窩村南。按照《天津市設(shè)計(jì)洪水、中小洪水調(diào)度方案》，當(dāng)北運(yùn)河土門樓樞紐以上來流量超過900m3/s時(shí)，青龍灣減河泄洪閘全力下泄，北運(yùn)河木廠節(jié)制閘相機(jī)分泄，武清區(qū)、寶坻區(qū)對(duì)土門樓樞紐以下青龍灣減河右堤全力防守（包括省市交叉堤段），大黃堡洼做好分洪準(zhǔn)備；當(dāng)狼兒窩分洪閘上水位達(dá)到8.1m（大沽高程，下同）且繼續(xù)上漲時(shí)，提啟狼兒窩分洪閘向大黃堡洼分洪430～720m3/s。

2 二維洪水演進(jìn)模型的建立

2.1 基本方程和定解條件

2.1.1 基本方程

二維洪水演進(jìn)模型采用二維非恒定流的圣維南方程組，較一維方程增加橫斷面方向偏分，即模型計(jì)算在以X、T為元素的基礎(chǔ)上，增加橫斷面Y方向逐級(jí)求解，變量（流量、水位）不僅隨縱斷面和時(shí)間變化，橫斷面方向也不相同。

式中 t為時(shí)間；x、y、z為坐標(biāo)；η為水位（m）；h為靜止水深（m）；u、v、w分別為流速在x、y、z方向上的分量（m/s）；pa為當(dāng)?shù)卮髿鈮海≒a）；ρ為水密度（kg/m3），ρ0為參考水密度（kg/m3）；f=2Ωsinφ為Coriolis參量（其中Ω=0.729×10-4s-1為地球自轉(zhuǎn)角速率，φ為地理緯度）；和為地球自轉(zhuǎn)引起的加速度（m/s）；sxx、sxy、syx、syy為輻射應(yīng)力分量（N）；Txx、Txy、Tyx、Tyy為水平粘滯應(yīng)力項(xiàng)（N），S為源匯項(xiàng)，（us，vs）源匯項(xiàng)水流流速（m/s）。

2.1.2 定解條件

2.1.2.1 邊界條件

式中 ηr、為開邊界r上已知潮位（m）、流速過程（m/s）。

（2）閉邊界。u=0或v=0

程敏之是單位有名的“老處女”，36歲了，至今還沒結(jié)婚。易非不明白，她什么都好，學(xué)歷、長(zhǎng)相、能力都不錯(cuò)，人緣也還可以，怎么就一直沒找到疼她愛她的人呢？剛進(jìn)報(bào)社時(shí)，易非以為她很難相處，處處小心謹(jǐn)慎，可后來卻發(fā)現(xiàn)她雖然做事嚴(yán)謹(jǐn)，待人卻很寬容，尤其是對(duì)自己，也許是有相同的成長(zhǎng)環(huán)境，共同的奮斗遭遇吧。

2.1.2.2 初始條件

其中，η0為計(jì)算初始時(shí)刻潮位空間分布函數(shù)。

2.1.3 求解方法

求解采用三角非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中心網(wǎng)格有限體積法求解。對(duì)計(jì)算區(qū)域內(nèi)灘地干濕過程，采用水位判別法處理。

3 基本資料及模型設(shè)置

3.1 基礎(chǔ)資料

地形高程資料以天津市萬分之一電子地圖高程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行轉(zhuǎn)化、提??；其他工程資料摘自天津市水利局編撰的 《天津市水利工程資料匯編》。

3.2 網(wǎng)格剖分

網(wǎng)格剖分精細(xì)程度決定二維模型成果的可靠性，是二維洪水演進(jìn)的重要影響因素之一。網(wǎng)格劃分越細(xì)，計(jì)算精度越高，花費(fèi)時(shí)間越長(zhǎng)。反之，網(wǎng)格越粗，計(jì)算精度減弱，計(jì)算速度加快。鑒于大黃堡洼地勢(shì)相對(duì)平坦，在網(wǎng)格處理時(shí)，將村莊作為一個(gè)單獨(dú)網(wǎng)格單元，其他網(wǎng)格處理為邊長(zhǎng)1km的等邊三角形，閘涵、分洪口門等重要研究區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。此次將大黃堡洼劃分為4000個(gè)網(wǎng)格單元。

蓄滯洪區(qū)分區(qū)圍埝、道路對(duì)洪水演進(jìn)影響較大，在模型設(shè)置中，將分區(qū)圍埝、道路等實(shí)際工況模擬為薄壁堰來處里。作為城市供水調(diào)節(jié)的爾王莊水庫(kù)，利用設(shè)置較高的薄壁堰將大黃堡洼蓄滯洪區(qū)隔開，使洪水不進(jìn)入爾王莊水庫(kù)（在實(shí)際的運(yùn)用中，亦是要保護(hù)爾王莊水庫(kù)）。

3.3 模型設(shè)置

3.3.1 邊界條件

模型上游邊界為狼兒窩分洪閘，計(jì)算邊界流量分別采用分洪閘恒定分洪430，720m3/s，模擬入流流量過程。模型下游邊界為大黃堡洼地形區(qū)域邊界。

3.3.2 模型糙率

由于天津市洪水資料極少，無法對(duì)糙率進(jìn)行率定，因此，本次糙率參考《洪泛區(qū)洪水演進(jìn)的數(shù)值模擬及泛區(qū)風(fēng)險(xiǎn)圖》，如表1所示。

3.3.3 初始條件

蓄滯洪區(qū)初始條件為大黃堡洼自然地形高程。

表1 蓄滯洪區(qū)糙率取值表

3.3.4 降雨及蒸發(fā)

本次計(jì)算不考慮降雨及蒸散發(fā)的影響。

在模型中，用薄壁堰來模擬蓄滯洪區(qū)內(nèi)分區(qū)圍堰和分洪口門。分洪口門條件設(shè)置如表2所示。

表2 分洪口門設(shè)置

4 計(jì)算成果

分析不同分洪方案洪水在大黃堡洼的洪水演進(jìn)過程。

4.1 狼兒窩分洪閘430m3/s分洪方案

狼兒窩分洪閘提閘作為洪水演進(jìn)開始時(shí)刻（即0時(shí)刻），3h，洪水到達(dá)大爾路；6h，到達(dá)柳河干渠；19h，到達(dá)陳趙莊；22h，陳趙莊水位達(dá)4.5m，按照調(diào)度方案，此時(shí)扒開1區(qū)到2區(qū)的分洪口門，1區(qū)開始向2區(qū)分洪；28h，1區(qū)和2區(qū)全部滯洪，水頭到達(dá)1區(qū)和3區(qū)分區(qū)圍埝閻杜渠；35h， 洪水漫溢1～2區(qū)分區(qū)圍埝；48h，洪水漫過1～5區(qū)分區(qū)圍埝，進(jìn)入5區(qū)，5區(qū)被迫提前啟用；100h，1、2、5區(qū)全部滯洪， 此時(shí)扒開2～3區(qū)分洪口門，開始向3區(qū)分洪；128h，洪水漫溢1～3區(qū)分區(qū)圍埝；131h，到達(dá)九園公路，扒開九園公路分洪口門，向3區(qū)下游分洪；151h，到達(dá)津薊高速；181h，到達(dá)3～4區(qū)分區(qū)圍埝清污渠，并達(dá)到分洪條件，扒開口門，向4區(qū)分洪；229h，大黃堡洼全部滯洪。

4.2 狼兒窩720m3/s分洪方案

狼兒窩分洪閘提閘作為洪水演進(jìn)開始時(shí)刻（即0時(shí)刻），2h，洪水到達(dá)大爾路；6h，到達(dá)柳河干渠；12h，洪水到達(dá)陳趙莊，扒開柳河干渠分洪口門，1區(qū)開始向2區(qū)分洪，同時(shí)在大爾路大寶莊以上段，洪水漫過1～5區(qū)分區(qū)圍埝，進(jìn)入5區(qū)，5區(qū)被迫提前啟用；21h，到達(dá)閻杜渠；23h，洪水漫溢1～2區(qū)分區(qū)圍埝；61h，1、2、5區(qū)全部滯洪，扒開閻杜渠分洪口門，開始向3區(qū)分洪；71h，到達(dá)九園公路；77h，洪水漫溢1～3區(qū)分區(qū)圍埝；93h，扒開九園公路分洪口門，開始向3區(qū)下游分洪；94h，到達(dá)津薊高速公路；103h，到達(dá)3～5區(qū)分區(qū)圍埝清污渠，并達(dá)到分洪條件，扒開口門，向4區(qū)分洪；132h大黃堡洼全部滯洪。

對(duì)比分析兩種分洪方案，結(jié)果如表3所示。

表3 不同分洪方案?jìng)鞑r(shí)間對(duì)比

5 結(jié)論與建議

（1）根據(jù)計(jì)算成果，狼兒窩分洪閘分洪430，720m3/s洪水均漫溢1～5區(qū)分區(qū)圍埝，5區(qū)被迫提前啟用。而位于5區(qū)下游的爾王莊水庫(kù)是天津市城市供水的重要調(diào)節(jié)水庫(kù)，按照原調(diào)度方案，即1～5區(qū)依次分洪，5區(qū)最后運(yùn)用對(duì)于保護(hù)天津市城市供水調(diào)節(jié)水庫(kù)——爾王莊水庫(kù)意義重大。

（2）為確保5區(qū)不提前啟用，對(duì)1～5區(qū)分區(qū)圍埝高程進(jìn)行加高。由于加高1～5區(qū)分區(qū)圍埝工程量較大，短時(shí)間內(nèi)較難實(shí)現(xiàn)。因此，在實(shí)施1～5區(qū)分區(qū)圍埝加高工程之前，啟用大黃堡洼進(jìn)行分洪，根據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)度情況，適時(shí)降低1～3區(qū)、3～4區(qū)分區(qū)圍埝啟用條件，加大分區(qū)口門開挖寬度和深度，提高泄流條件，盡量按照原調(diào)度方案進(jìn)行分洪，降低5區(qū)提前啟用幾率，避免或減小洪水對(duì)爾王莊水庫(kù)的威脅。

［1］天津市水利局.天津市水利工程資料匯編［R］.1993.

［2］水電部水管司，水利電力科學(xué)研究院，海河水利委員會(huì).洪泛區(qū)洪水演進(jìn)的數(shù)值模擬及泛區(qū)風(fēng)險(xiǎn)圖［R］.1987.

［3］天津市防汛抗旱辦公室.天津市設(shè)計(jì)洪水、中小洪水調(diào)度方案［R］.2003.

［4］天津市水務(wù)局水源調(diào)度處.天津市主要行洪河道調(diào)度仿真分析研究——潮白新河、青龍灣減河部分［R］.2009.

［5］詹道江，葉守澤.工程水文學(xué)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2000.

［6］李煒，徐孝平.水利學(xué)［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2000.