地面沉降對永定河中下游防洪安全影響分析

劉艷艷，李志華，劉耀峰，王成言

（1.中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津300222；2.山西省水文水資源勘測局，山西太原030001）

地面沉降對永定河中下游防洪安全影響分析

劉艷艷1，李志華1，劉耀峰2，王成言1

（1.中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津300222；2.山西省水文水資源勘測局，山西太原030001）

地面沉降是我國平原地區(qū)的重要地質(zhì)災(zāi)害之一，嚴(yán)重的地面沉降使堤防、閘等防洪工程設(shè)施同步下沉。永定河流域地面沉降主要分布在中下游地區(qū)，該地區(qū)的地面沉降降低了永定河流域防洪工程的防洪、防潮標(biāo)準(zhǔn)，削弱了防災(zāi)功能，直接影響天津市和河北省廣大地區(qū)的防洪安全。為分析地面沉降對永定河系行洪安全影響，本文通過對不同時期測量基準(zhǔn)點(diǎn)資料及地形圖資料進(jìn)行比對，分析永定河中下游地區(qū)沉降趨勢，并采用一、二維嵌套的非恒定流洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型，對永定河泛區(qū)行洪能力進(jìn)行復(fù)核。

地面沉降；永定河泛區(qū)；防洪影響

1 永定河系概況

1.1 河流水系永定河水系是海河流域的七大水系之一，位于東經(jīng)112°—117°45′、北緯39°—41°20′，東部和北部為潮白河、北運(yùn)河河系，西鄰黃河流域，南鄰大清河水系。永定河全長612 km，永定河上游有桑干河和洋河兩大支流，至懷來縣朱官屯匯合后稱永定河，在延慶縣納媯水河，經(jīng)官廳水庫流入官廳山峽（官廳水庫至三家店區(qū)間）。從朱官屯至官廳河長30 km，官廳山峽河長108.7 km，于三家店流入平原。三家店以下中下游河道分為4段：三家店至盧溝橋段、盧溝橋至梁各莊段、永定河泛區(qū)和永定新河。

1.2 水利工程概況永定河流域目前已建成官廳水庫及滯洪水庫；三家店至盧溝橋段堤防按可能最大防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防；盧溝橋至梁各莊段河道的設(shè)計(jì)治導(dǎo)線已經(jīng)形成，泛區(qū)左右堤均加固完成；永定新河先后實(shí)施了53+000斷面以上河道的全斷面或部分?jǐn)嗝媲逵俸偷谭兰痈呒庸?。流域?nèi)重要樞紐工程有盧溝橋樞紐、屈家店樞紐及永定新河河口防潮閘。此外永定河水系列入海河流域的蓄滯洪區(qū)有永定河泛區(qū)和三角淀蓄滯洪區(qū)，同時，為解決永定新河河道淤積造成尾閭泄流不暢的問題，設(shè)立了淀北和七里海兩個臨時滯洪區(qū)。

2 沉降分析

2.1 地面沉降分析

（1）水準(zhǔn)測量結(jié)果。收集了永定河1987年和2001年兩次治理時的河道水準(zhǔn)點(diǎn)測量成果和永定新河屈家店閘水準(zhǔn)點(diǎn)成果。

通過河道內(nèi)水準(zhǔn)點(diǎn)分析，位于永定河泛區(qū)內(nèi)的基準(zhǔn)點(diǎn)高程差為0.17～0.41 m，平均沉降值為0.278 m，年均沉降值為0.021 m；位于永定新河內(nèi)的基準(zhǔn)點(diǎn)高程差為0.18～0.40 m，平均沉降值為0.287m，年均沉降值為0.022m。永定新河屈家店閘水準(zhǔn)點(diǎn)1990—2002年總沉降量為0.318m，年均沉降值為0.025m；2003—2008年總沉降量為0.241m，年均沉降值為0.040m。

（2）地形圖測量結(jié)果。為進(jìn)一步了解永定河泛區(qū)、三角淀滯洪區(qū)、淀北臨時滯洪區(qū)、七里海臨時滯洪區(qū)地面沉降情況，收集了中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司不同年份施測的1∶10 000地形圖。通過地形圖比對，永定河泛區(qū)及永定新河所在區(qū)域年均沉降值為0.017～0.029m。

2.2 堤防沉降分析

（1）永定河泛區(qū)左堤。永定河泛區(qū)左堤收集了1992年、2003年實(shí)測成果，并收集了2001年武清段堤防加固前后堤頂高程資料。1992—2001年，泛區(qū)左堤最大沉降量為0.95 m，平均沉降量為0.37 m，年均沉降值為0.041 m；2001—2003年，泛區(qū)左堤最大沉降量為0.26 m，平均沉降量為0.08m，年均沉降值為0.042m。

（2）永定河泛區(qū)右堤。永定河泛區(qū)右堤收集了辛立村至團(tuán)結(jié)村堤段1988年、2003年實(shí)測成果，并收集了1998年天津北辰區(qū)段堤防加固前堤頂高程資料。通過對比分析，1988—1998年，泛區(qū)右堤北辰區(qū)段最大沉降量為0.51m，平均沉降量為0.29m，年均沉降值為0.029m。1988—2003年，泛區(qū)右堤辛立村至團(tuán)結(jié)村堤段最大沉降量為0.61m，平均沉降量為0.42m，年均沉降值0.032m。

（3）永定新河堤防。收集1971及1990年右堤測量資料，1971、1990、2001、2002和2008年左堤實(shí)測成果。永定新河左堤年均沉降值約為0.04m，右堤年均沉降值約為0.03m。

（4）屈家店樞紐。通過屈家店樞紐觀測資料分析，其年沉降量約為0.04m。

2.3 沉降綜合分析20世紀(jì)70—80年代初，持續(xù)干旱導(dǎo)致天津地表水量大幅度減少，為保證工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活用水需要，地下水開采量大幅提高，導(dǎo)致地面沉降趨勢加劇。引灤入津工程建成通水后，天津加大控沉工作力度，全面推進(jìn)分區(qū)治理與水源轉(zhuǎn)換，實(shí)行地下水取水許可管理，劃定地下水禁采區(qū)和限采區(qū)范圍，制定地下水壓采規(guī)劃，壓縮地下水開采量，啟動地下水保護(hù)行動。經(jīng)過多年努力，天津地下水水位有所回升，地面沉降速率明顯減緩，重點(diǎn)防治區(qū)地面沉降勢頭得到有效遏制。

為進(jìn)一步加強(qiáng)控制地面沉降工作，有效遏制地面沉降災(zāi)害，最大限度降低經(jīng)濟(jì)損失，天津市政府批準(zhǔn)實(shí)施《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)我市地面沉降控制工作的意見》，明確控制地面沉降工作目標(biāo)，到2020年，全市沉降控制區(qū)（薊縣、寶坻區(qū)除外）年平均沉降量控制在20mm左右，濱海新區(qū)城市規(guī)劃區(qū)控制在15 mm左右。到2014年，全部實(shí)現(xiàn)地下水禁采，加大控制地面沉降工作力度。在天津市采取各種有效措施來控制地面沉降的條件下，永定河泛區(qū)及永定新河所在區(qū)域地面沉降速率有進(jìn)一步減緩的趨勢。綜合考慮各種因素，結(jié)合沉降統(tǒng)計(jì)值分析，地面沉降速率為每年0.02 m左右，堤防及屈家店樞紐沉降速率為每年0.04m左右。

3 洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型計(jì)算

永定河洪水演進(jìn)計(jì)算采用一、二維嵌套的非恒定流洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算分析不同頻率、不同地形條件下永定河泛區(qū)的行洪能力。本次模型上邊界為泛區(qū)入口梁各莊，下邊界為永定新河河口，主要包括永定河泛區(qū)、永定新河、三角淀、淀北以及七里海臨時滯洪區(qū)。

3.1 模型介紹河網(wǎng)二維非恒定流數(shù)學(xué)模型是中水北方勘測設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司和河海大學(xué)共同開發(fā)研制的用于模擬河網(wǎng)及行蓄洪區(qū)水流運(yùn)動規(guī)律的計(jì)算軟件。

描述河道水流運(yùn)動采用一維圣維南方程組計(jì)算公式：

式中：q為旁側(cè)入流；Q為河道斷面流量；A為河道過水面積；B為河道河寬；Z為河道水位；Vx為旁側(cè)入流流速在水流方向上的分量，一般可近似為零；K為流量模數(shù)，反映河道的實(shí)際過流能力；α為動能修正系數(shù)。

在二維區(qū)域內(nèi)的洪水采用二維淺水運(yùn)動方程來描述：

式中：Z為水位；h為水深；u、v分別為x與y方向上的流速；U、V分別為x與y方向上的單寬流量；為單寬流量的矢量；q為考慮降雨等因素的源項(xiàng)；g為重力加速度；C為謝才系數(shù)。

聯(lián)系的處理：聯(lián)系主要是指計(jì)算區(qū)域內(nèi)控制水流運(yùn)動的堰、閘及河道分洪口門，聯(lián)系的過流流量滿足水力學(xué)上的堰流公式。以寬頂堰為例說明。寬頂堰上的水流分自由出流、淹沒出流兩種流態(tài)，不同流態(tài)采用不同的計(jì)算公式［1］：

①當(dāng)出流為自由出流時：

②當(dāng)出流為淹沒出流時：

式中：B為堰寬；Z1為堰上水頭；Z2為堰下水頭；H0=Z1-Zd；hs=Z2-Zd，Zd為堰頂高度；m為自由出流系數(shù)；φm為淹沒出流系數(shù)。

河網(wǎng)二維非恒定流數(shù)學(xué)模型廣泛應(yīng)用于海河流域漳衛(wèi)河、大清河、永定河和北三河系的防洪規(guī)劃中，取得了良好的效果。

3.2 基本資料計(jì)算范圍內(nèi)涉及的河道及行滯洪區(qū)實(shí)測的基本資料見表1。將永定河泛區(qū)、三角淀滯洪區(qū)、淀北臨時滯洪區(qū)和七里海臨時滯洪區(qū)實(shí)測地形資料，按年沉降值0.02 m換算到2010年；永定河泛區(qū)堤防東州以上及屈家店樞紐高程按年沉降值0.04 m換算到2010年；東州以下為2010年實(shí)測成果。模型計(jì)算中的高程為黃海56高程，國家85高程統(tǒng)一換算為黃海56高程。

3.3 控制運(yùn)用條件永定河泛區(qū)現(xiàn)有南北小埝、南北前衛(wèi)埝、南北圍埝、龍河左右埝等分區(qū)小埝共8道，1996年泛區(qū)內(nèi)實(shí)施了分級運(yùn)用口門工程，興建了茨平南、池口、西孟村、南石、潘莊子、王瑪?shù)?處口門。泛區(qū)各分級運(yùn)用口門控制條件如表2，各區(qū)退水口門相機(jī)退水。

永定新河進(jìn)洪閘和新引河閘汛期全部開啟，北運(yùn)河節(jié)制閘控制泄流400m3/s。

永定新河七里海分洪口門位于永定新河左堤28+192上側(cè)，口門底高程為2.0m，寬度200m。當(dāng)河道水位達(dá)到該處校核水位4.78 m，即打開七里海分洪口門向七里海分洪，由分洪口門分泄的洪水，首先進(jìn)入七里海Ⅰ區(qū)，當(dāng)Ⅰ區(qū)水位達(dá)到3.5m，即打開津唐運(yùn)河左堤分洪入Ⅲ區(qū)，當(dāng)Ⅰ區(qū)水位仍達(dá)到3.5m，打開導(dǎo)流堤分洪入Ⅱ區(qū)。七里海退水口門位于潮白新河匯入口上游永定新河左堤上，口門底高程為1.0m，寬度為200m，相機(jī)向河道內(nèi)退水。

3.4 模型采用的邊界條件上邊界：將泛區(qū)入口梁各莊處各頻率洪水30 d洪水過程線，作為本次泛區(qū)二維洪水演進(jìn)計(jì)算的上邊界條件。天堂河、新龍河20年一遇洪水分別與永定河20年一遇及以上洪水疊加；20年一遇以下洪水與永定河洪水同頻率疊加。潮白新河按20—50年一遇洪水過程匯入，20年一遇以下洪水與永定河洪水同頻率疊加，50年一遇洪水與永定河50年一遇及以上洪水疊加。機(jī)場排水河按20m3/s恒定流量匯入。由于永定新河水位頂托并考慮到七里海已經(jīng)分洪的情況，北京排污河不再匯入，薊運(yùn)河受水位頂托不再匯入，不考慮本地洪水疊加。

下邊界：永定新河下邊界?？谶x取六米站1972年7月21日—8月9日共20 d的潮位過程，此潮位過程的統(tǒng)計(jì)特征值與多年汛期平均值比較，除最高潮位平均值低于多年平均值外，其它統(tǒng)計(jì)特征值均高于多年平均值，用它作為下邊界是偏于安全的。且20 d過程中，包括了發(fā)生歷史最高潮位2.90m的潮型（7月27日）和最高潮位等于多年最高潮位平均值2.34m的潮型（7月26日），因此具有一定的代表性。

3.5 行洪能力分析

（1）不同地形條件下行洪能力比較。按上述控制條件，采用1991年、2003年實(shí)測地形和2010年轉(zhuǎn)換地形，計(jì)算發(fā)生100年一遇洪水永定河泛區(qū)行洪能力，見表3。

從表3可以看出，發(fā)生設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水時，由于地面沉降，寺垡辛莊缺口、茨平口門和南石口門分洪流量及水量有所加大，池口口門、西孟村口門分洪流量及水量有所減少，王碼口門分洪流量沒有太大的變化。三種地形條件下潘莊子口門均不分洪。在泛區(qū)各區(qū)的下部均設(shè)有退水口門，將分入?yún)^(qū)內(nèi)的洪水相機(jī)退入河道。各地形條件下泛區(qū)總淹沒面積分別為215.31 km2、207.91 km2和207.16 km2，地面沉降導(dǎo)致泛區(qū)內(nèi)蓄滯庫容加大，泛區(qū)總的滯洪面積卻略有減少，總體影響不大。但對個別口門，如大北尹預(yù)留口門分洪水量及南前衛(wèi)埝下段缺口分洪水量影響較大。

地面沉降對屈家店樞紐產(chǎn)生的影響也比較小，各地形條件下屈家店樞紐閘上水位分別為5.78m、5.76m和5.75m，相應(yīng)洪峰流量分別為1 772m3/s、1 765m3/s和1 784m3/s。

（2）2010年地形不同頻率洪水行洪能力。根據(jù)2010年沉降后泛區(qū)地形，計(jì)算不同頻率洪水泛區(qū)內(nèi)不同節(jié)點(diǎn)和斷面水位，對比2010年左右堤現(xiàn)狀堤頂高程，分析泛區(qū)安全行洪能力。不同頻率洪水泛區(qū)左右堤附近節(jié)點(diǎn)和斷面水位值及堤防安全超高值分別見表4和表5。

從表4可以看出，現(xiàn)狀情況下發(fā)生20年一遇、50年一遇、100年一遇和200年一遇洪水，天堂河至東州段左堤堤防安全超高超過2.0m，東州至老米店段左堤堤防安全超高超過2.5m，均滿足行洪要求。天堂河段左堤安全超高分別為1.57 m、1.44 m、1.42m和1.39m，老米店至屈家店段左堤安全超高分別為1.39m、1.13m、1.07m和0.81m，達(dá)不到50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)，不滿足行洪要求。

從表5可以看出，現(xiàn)狀情況下發(fā)生20年一遇、50年一遇、100年一遇和200年一遇洪水，東州以上段右堤堤防安全超高超過2.0m，東州至龐莊子段右堤堤防安全超高超過2.5m，均滿足行洪要求。龐莊子至屈家店段右堤安全超高分別為2.57m、2.31m、2.25m和1.99m，基本滿足行洪要求。

綜上永定河泛區(qū)地面沉降后，各分洪口門分洪流量及水量有增有減，滯洪面積沒有明顯的變化，對屈家店泄流沒有大的影響。但由于堤防沉降的影響，尤其是老米店以下段左堤，由于堤防加固時間為1992年左右，據(jù)現(xiàn)在時間較長，堤防沉降較大，使得安全超高變小。發(fā)生100年一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水，左堤安全超高只有1.07m左右，對泛區(qū)的安全行洪形成一定的威脅。泛區(qū)右堤東州以下段為1998年加固完成，至2010年，發(fā)生設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水，右堤安全超高為2.25m左右，基本滿足行洪要求。

（3）屈家店樞紐。各閘門及地面沉降后，若設(shè)計(jì)水位不變，屈家店樞紐各閘門泄流能力均有不同程度的增加。新引河閘增加31m3/s，進(jìn)洪閘增加86 m3/s，北運(yùn)河節(jié)制閘增加62m3/s，詳見表6。

4 結(jié)語

（1）本文通過對不同時期測量基準(zhǔn)點(diǎn)資料及地形圖資料對比分析，研究永定河中下游地區(qū)沉降趨勢，對分析該地區(qū)沉降量具有一定的借鑒作用。

（2）永定河泛區(qū)1991、2003及2010年3種地形條件下，按國務(wù)院批復(fù)的永定河洪水調(diào)度方案，計(jì)算的永定河泛區(qū)總的淹沒面積均沒有發(fā)生大的改變，說明各口門分洪受分洪水位及下游潮位的控制。泛區(qū)出口屈家店樞紐的流量、水位、行洪流量變化不大，說明地形沉降對整個河系的泄流不會產(chǎn)生大的影響，但堤防沉降造成的超高不足，直接影響河北及天津地區(qū)的防洪安全。

（3）堤防沉降對河道行洪能力影響較大，發(fā)生100年一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水，永定河泛區(qū)東州以下左堤安全超高僅為1.07 m，達(dá)不到50年一遇標(biāo)準(zhǔn)，右堤安全超高為2.25m。建議盡快對泛區(qū)老米店以下及永定新河大張莊以下左堤實(shí)施復(fù)堤工程。

［1］李家星，趙振興.水力學(xué)［M］.南京：河海大學(xué)出版社，2001.

［2］海河水利委員會.海河流域永定河系防洪規(guī)劃報告［R］.天津：海河水利委員會，2008.

The im pact of ground settlem en t on the flood con trol in m idd le and lower reaches of Yongding River

LIU Yan-yan1，LI Zhi-hua1，LIU Yao-feng2，WANG Cheng-yan1
（1.China Water Resources Beifang Investigation，Design and Research Co.Ltd，Tianjin 300222，China；2.ShanxiProvincial Hydrology and Water Resources Survey Bureau，Taiyuan 030001，China）

Ground subsidence is one of the important geological disasters in the plain areas of China.The serious ground subsidence makes the flood control works such as levees and sluices settle synchronously.The ground subsidence of the Yongding River is mainly distributed in the middle and lower reaches，which has reduced the project standard of protection against floods and tides in the Yongding River，weakened the hazard resistant function，and directly influenced the safety of large areas of Tianjin and Hebei province. In order to analyze the impact of ground settlement on the safety of flood discharge in the Yongding River，this paper studies the settlement tendency of the middle and lower reaches of the Yongding River through comparison of the survey reference points in different periods and topographic maps，and checks the flood-carrying capacity in the floodplain of the Yongding Rriver with one-dimensional and two-dimensional nested unsteady flow flood routing mathematical model.

land subsidence；Yongding River p lains；flood control effect

P333

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.01.007

1672-3031（2014）01-0042-07

（責(zé)任編輯：王學(xué)鳳）

2013-04-09

劉艷艷（1981-），女，山西太原人，工程師，主要從事水工設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析和流域模擬計(jì)算等工作。

E-mail：61817116@qq.com

李志華（1980-），男，江蘇鹽城人，工程師，主要從事流域規(guī)劃和河道治理等方面的工作。E-mail：4062127@qq.com