小清河分洪區(qū)洪水影響的二維模擬研究

馮亞輝

（保定市水利水電勘測設(shè)計院，河北 保定 071000）

小清河分洪區(qū)地跨北京市及河北省，位于北京市大寧水庫以下，是海河流域國家重點蓄滯洪區(qū)之一，也是永定河防洪工程體系中的重要組成部分。

小清河現(xiàn)狀分洪區(qū)邊界東以永定河右堤及高地為界，西以山前高地為界，南至古城小埝和小營橫堤，洪水經(jīng)古城小埝及小營橫堤攔擋導(dǎo)入白溝河，原設(shè)計淹沒面積424.3km2。2010年水利部海河水利委員會編制的《海河流域蓄滯洪區(qū)建設(shè)與管理規(guī)劃》中考慮分洪區(qū)的設(shè)置主要是為了滯蓄永定河洪水，對小清河分洪區(qū)（北京市部分）將京廣鐵路與永定河右堤分別確定為分洪區(qū)北部的西側(cè)和東側(cè)邊界，對滯蓄永定河洪水不起作用的京廣鐵路以西區(qū)域不再作為分洪區(qū)。為此，小清河分洪區(qū)淹沒面積由424.3km2減至335.3km2，總蓄滯洪量由5.48億m3減至4.74億m3；其中河北省涿州市淹沒面積230km2，境內(nèi)鐵路以東北拒馬河堤防以北區(qū)域面積77km2，鐵路以西面積153km2。

小清河分洪區(qū)滯蓄的洪水主要來自涿州市周邊流域洪水和上游永定河的分泄洪水。分洪區(qū)上游的分洪水量和本流域洪水經(jīng)分洪區(qū)滯蓄后，經(jīng)分洪區(qū)出口由白溝河的下泄流量大為降低，對于50年一遇洪水的洪峰流量由1.05m3/s消減至4000m3/s，消峰達62%，滯洪削峰作用顯著。

通常分洪區(qū)內(nèi)河道的行洪能力較低，大水時呈漫流行洪，洪水流態(tài)比較復(fù)雜，用常規(guī)方法不能對水流狀態(tài)進行精確的分析計算。本文采用二維非恒定流數(shù)學(xué)模型分析分洪區(qū)洪水的演進過程，對小清河分洪區(qū)的洪水形勢、滯洪水位、滯洪過程進行綜合分析。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 基本原理

采用的數(shù)學(xué)模型為平面二維非恒定流水力學(xué)模型，描述二維非恒定流運動規(guī)律的圣維南方程組，如式（1）～式（3）。

將基本方程進行柱體積分，并將其轉(zhuǎn)化成面積分后，可以得到基本離散；當(dāng)確定了初始條件及邊界條件后，即可逐單元、逐時段解方程組，求得水位、水深、流速、流量等水力要素值隨時間的變化，從而模擬出洪水演進過程。

1.2 模擬范圍及地形剖分

1.2.1 模擬范圍

模擬區(qū)西部起自蓄滯洪區(qū)西部邊界，北至大寧水庫下游，東部邊界為永定河右堤，南至拒馬河南堤和古城小埝，模擬范圍涵蓋了小清河分洪區(qū)內(nèi)北京市及河北省境內(nèi)的全部范圍，計算面積731km2。

1.2.2 地形剖分

依據(jù)1/10000地形圖及河道縱橫斷面資料采集地形數(shù)據(jù)。采用矩形網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格尺寸為125m×125m，網(wǎng)格數(shù)44099個。

1.2.3 糙率確定

因無實測分洪資料，本次計算依據(jù)以往模型計算經(jīng)驗，視網(wǎng)格內(nèi)河道狀況、作物組成、村莊分布以及樹叢、道路、堤埝分布等情況綜合確定，其中河道及灘地采用0.05，農(nóng)田采用0.06，樹林采用0.07，村莊采用0.10。

1.3 邊界條件

小清河分洪區(qū)共有4條主要河流匯入，即北拒馬河、胡良河、琉璃河、小清河。本次數(shù)值計算入流邊界條件為4條河流的入流過程；小清河分洪區(qū)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)洪水的出流口位于白溝河北茨村附近，為行洪區(qū)二維分析計算的下游邊界，采用恒定非均勻流方法推算不同流量的白溝河水面線，分析該斷面水位泄量關(guān)系。

2 模擬結(jié)果

根據(jù) 《海河流域蓄滯洪區(qū)建設(shè)與管理規(guī)劃》，小清河分洪區(qū)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，結(jié)合《涿州市城市防洪規(guī)劃》對北拒馬河右堤進行加固，規(guī)劃實施后涿州市防洪圈以南區(qū)域?qū)⒉辉賹儆谛∏搴臃趾閰^(qū)范圍。現(xiàn)狀情況下，涿州市內(nèi)的小清河分洪區(qū)南部邊界堤防尚沒有形成閉合。故本次計算按現(xiàn)狀和規(guī)劃條件分別考慮。

2.1 洪水形勢

現(xiàn)狀防洪工程條件下，由于北拒馬河及胡良河河槽過水能力較低，洪水在千河套和胡良套西部區(qū)域均呈坡面漫流狀態(tài)，洪水流勢基本與地形坡面走勢相一致。其洪水主流區(qū)在北拒馬河南、北支之間，該區(qū)洪水首先順地勢由西北向東南方向流動，至京廣公路西部洼地緩蓄后，穿過京廣公路橋流向東部地區(qū)。北支在京廣公路以西5km范圍筑有堤防，現(xiàn)狀堤頂高程在33～37.2m之間。遇20年一遇及其以下洪水時，可控制北支左堤以南區(qū)域；遇50年一遇洪水時，左堤部分將發(fā)生潰決，部分洪水將流向胡良套滯蓄。

規(guī)劃防洪工程條件下，北拒馬河洪水主流區(qū)仍在南、北支之間的千河套緩洪，向東受南支防洪堤阻擋，沿堤向北至京廣公路橋后流向東部區(qū)域。

涿州市防洪堤建設(shè)后，洪水控制在防洪圈以外，小清河分洪區(qū)淹沒面積和蓄滯洪量減小。

由于防洪圈南部區(qū)域并未占據(jù)行洪主流通道，故防洪圈建設(shè)前后，洪水主流走勢沒有變化。

2.2 滯洪水位

現(xiàn)狀防洪工程條件下遇20年一遇洪水時，北拒馬河南支匯流口以南3.5km范圍的右堤將全面漫流過水，洪水穿過107國道后將淹沒城區(qū)北部地區(qū)。涿州市城區(qū)淹沒水深一般為0.5～1.5m，千河套區(qū)域淹沒深度在0.5～2m（砂坑除外）；遇50年一遇洪水時，城區(qū)淹沒水深一般為1.0～2.0m，局部低洼地區(qū)達2.5m以上。

現(xiàn)狀防洪工程條件下，京廣公路附近20年一遇、50年一遇滯洪水位如圖1所示。

注：等值線圖橫、縱坐標(biāo)表示網(wǎng)格單位，1個網(wǎng)格單位表示實際尺寸為250m。

涿州市防洪圈建設(shè)的工程措施主要包括：北拒馬河、古城小埝、白溝河左堤上延段堤防工程，北拒馬河南支改線工程，新建、改建穿堤建筑物工程等。涿州市防洪圈建成后，涿州市北防洪堤以南區(qū)域不再屬于小清河分洪區(qū)范圍。涿州市可抵御50年一遇洪水，洪水阻斷在防洪堤以北，故小清河分洪區(qū)的滯洪水位將有所抬高，其中靠近防洪堤附近的抬高幅度比較明顯，抬高在0.5～1m；向分洪區(qū)北部邊界，滯洪水位影響漸小。

規(guī)劃防洪工程條件下，京廣公路附近20年一遇、50年一遇滯洪水位如圖2所示。

涿州市防洪圈建成以后，小清河分洪區(qū)滯洪面積由424.3km2減至335.3km2，減小 89km2；總蓄滯洪量由5.48億m3減至4.74億m3，滯洪容積減小0.74億m3，減小比例13%。

圖2 規(guī)劃防洪工程條件下最高洪水位等值線

目前，涿州市正在規(guī)劃北拒馬河綜合治理工程，利用現(xiàn)有北拒馬河采砂坑擴挖形成平原水庫和蓄水池，總庫容1.6億m3，可擴充一定的滯洪容積；同時通過擴挖疏浚河道的方法歸順河道主流，提高河道的過流能力；對受洪水威脅的民居、村莊可通過搬遷、新建安全區(qū)、建設(shè)高村基等安全建設(shè)工程解決。

2.3 滯洪過程

選擇京廣公路西側(cè)500m處典型位置的滯洪過程進行分析。

2.3.1 現(xiàn)狀防洪工程條件下

50年一遇洪水的滯洪過程如圖3，50年一遇洪水淹沒歷時3d，高水位持續(xù)時間12h，平均淹沒水深2m。

2.3.2 規(guī)劃防洪工程條件下

50年一遇洪水的滯洪過程如圖4，淹沒歷時沒有變化，仍然是3d，平均淹沒水深增加2.5m?？梢钥闯?，涿州市防洪圈建設(shè)前后，小清河滯洪區(qū)的滯洪過程基本沒有變化。

圖4 規(guī)劃防洪50年一遇滯洪過程

3 結(jié)語

（1）涿州市防洪圈建成后，可抵御50年一遇洪水。

（2）涿州市防洪圈建設(shè)的工程措施包括：北拒馬河、古城小埝、白溝河左堤上延段堤防工程，北拒馬河南支改線工程，新建、改建穿堤建筑物工程等。

（3）涿州市防洪圈以外仍會受到洪水威脅，需通過村莊搬遷、新建安全區(qū)、建設(shè)高村基等安全建設(shè)工程解決小清河分洪區(qū)內(nèi)村莊的防洪安全和避險安置問題。

（4）通過二維洪水演進，科學(xué)地分析了小清河分洪區(qū)行洪、分洪、滯洪規(guī)律。

（5）分洪區(qū)的安全建設(shè)從技術(shù)上需要工程建設(shè)和安全建設(shè)相結(jié)合，從資金上需要國家扶持，實施過程中更需要當(dāng)?shù)匕傩盏睦斫?、配合與支持。

［1］GB50201—94，防洪標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］河北省水利水電勘測設(shè)計研究院.大清河流域防洪規(guī)劃報告（河北省部分）［R］.2006.

［3］水利部海河水利委員會.海河流域蓄滯洪區(qū)建設(shè)與管理規(guī)劃［R］.2006.

［4］李友起，陳寶中，衣秀用.防洪評價應(yīng)注意的幾個問題的探討［J］.海河水利， 2006（5）:21-22.

［5］李煒，徐孝平.水力學(xué)［M］.武漢:武漢水利電力大學(xué)出版社，2000.