黃莊洼蓄滯洪區(qū)洪水演進數(shù)值模擬研究

楊麗萍，周 軍，周志華，劉海濤

（1.天津市水利科學研究院，天津300061；2.天津市北三河管理處，天津301800）

黃莊洼蓄滯洪區(qū)洪水演進數(shù)值模擬研究

楊麗萍1，周 軍2，周志華1，劉海濤2

（1.天津市水利科學研究院，天津300061；2.天津市北三河管理處，天津301800）

建立了潮白新河、永定新河及黃莊洼蓄滯洪區(qū)聯(lián)合調(diào)度的一、二維耦合水動力學模型，模擬計算了20年一遇、50年一遇設(shè)計洪水在蓄滯洪區(qū)的演進過程，分析了蓄滯洪區(qū)淹沒面積、蓄水量的變化過程。此項研究可為蓄滯洪區(qū)防洪工程建設(shè)、土地利用、分洪決策等提供有益的參考。

蓄滯洪區(qū)；一、二維水力學耦合模型；洪水演進；數(shù)值模擬

1 區(qū)域概況

黃莊洼蓄滯洪區(qū)位于潮白新河下游左側(cè)，是潮白新河綜合防洪體系的重要組成部分，總面積353.8 km2，涉及天津市2個縣、7個鄉(xiāng)、131個村。2013年洼內(nèi)共有人口7.67萬人，耕地面積1.88萬hm2，社會資產(chǎn)總值44.40億元。1949—1969年，黃莊洼蓄滯洪區(qū)曾運用13次，運用機遇為5年一遇。黃莊洼采取分區(qū)運用局部控制原則，運用原則為：當潮白新河遇20年一遇及以下洪水，黃莊洼分洪閘閘上洪峰流量達到2 160 m3/s或閘上水位達到6.7 m且水勢繼續(xù)上漲時，運用分洪閘向黃莊洼分區(qū)滯洪圍堤分洪；當潮白新河遇超過20年一遇洪水時，啟用滯洪圍堤的南、北分洪口門和南、北退水閘向黃莊洼Ⅰ區(qū)分洪，當Ⅰ區(qū)水位達到3.0 m（黃海高程）且水勢繼續(xù)上漲時由Ⅰ區(qū)口門向Ⅱ區(qū)分洪。

2 洪水演進模型的建立

2.1 基本控制方程

（1）一維非恒定流基本方程包括水流連續(xù)方程和動力方程。

連續(xù)方程為：

動力方程為：

式中：A為過水斷面面積（㎡）；Q為流量（m3/s）；q為直流入流單寬流量（m3/s）；n為糙率系數(shù)；R為水力半徑（m）；Z為水位（m）；g為重力加速度（m/s2）；x為距離（m）；t為時間（s）。

（2）二維非恒定流基本方程包括水流連續(xù)方程和動量守恒方程。

連續(xù)方程為：

動量守恒方程為：

式中：H為水深（m）；Z為水位（m），Z=Z0+H，Z0為底高程；q為源匯項（m3/s）；M，N分別為x，y方向上的單寬流量（m3/s），且M=Hu，N=Hv；u，v分別為x，y方向上的平均流速（m/s）；n為糙率系數(shù)；g為重力加速度（m/s2）；t為時間（s）；h為水位（m）。

2.2 模型基本設(shè)置

（1）基礎(chǔ)資料。河道斷面資料采用天津市水利科學研究院2005—2010年的測量成果。蓄滯洪區(qū)地形資料采用天津測繪院2010年1：10 000電子地圖，西安1980大地坐標系，高程基準為1985國家高程。

（2）計算區(qū)域及離散。一維洪水演進模型的計算范圍為潮白新河、永定新河組成的河網(wǎng)，潮白新河為上游吳村節(jié)制閘至下游寧車沽閘，計算河段約98 km；永定新河為上游屈家店站至下游永定新河防潮閘，計算河段約66 km。引泃入潮、青龍灣減河、北京排污河、金鐘河、薊運河均以點源形式匯入河網(wǎng)。計算河網(wǎng)采用一維河道結(jié)點進行離散。

二維模型模擬范圍為黃莊洼蓄滯洪區(qū)，計算區(qū)域邊界包括潮白新河左堤、薊運河右堤、北圍堤、箭桿河右堤、西關(guān)引河。計算區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格離散，全局采用最大面積為10萬m2的網(wǎng)格，最終生成的網(wǎng)格文件共有5 791個網(wǎng)格單元、3 132個節(jié)點。

基于一維河網(wǎng)模型中分洪閘、分洪口門的虛擬河道位置信息，采用標準連接（Standard Links）形式，在Mike Flood耦合平臺上將二維地表漫流模塊和一維河網(wǎng)模塊連接起來，構(gòu)成耦合模型，如圖1所示。

圖1 MIKE Flood耦合模型

（3）邊界條件。模型上游流量邊界為潮白新河吳村閘閘下20年一遇、50年一遇設(shè)計洪水過程及永定新河屈家店閘下20年一遇、50年一遇設(shè)計洪水過程，模型下游水位邊界采用2012年7月11日0時—7月24日0時的實測潮位過程，如圖2—4所示。

圖2 吳村閘閘下20、50年一遇設(shè)計洪水過程

圖3 屈家店閘下20、50年一遇設(shè)計洪水過程

圖4 2012年7月11—24日實測潮位過程

（4）初始條件。一維河網(wǎng)的初始條件設(shè)定為各閘門目前采用的汛限水位值，即里自沽閘上為1.343 m、寧車沽閘上為0.01 m、永定新河防潮閘上為-0.816 m。二維蓄滯洪區(qū)的初始條件為網(wǎng)格地面高程，水深為零，流速為零。

（5）模型糙率。對于河網(wǎng)，利用2012年汛期實測資料進行率定，率定結(jié)果為：潮白新河香河樁號17+000至潮白河樁號43+000河段主河槽糙率為0.022 5，灘地糙率為0.040；其余河段主河槽糙率為0.022 5，灘地糙率為0.025。永定新河樁號0+0—66+000河段主河槽糙率為0.022 5，灘地糙率為0.030。對于蓄滯洪區(qū)，根據(jù)黃莊洼蓄滯洪區(qū)的土地利用狀況，綜合確定糙率為：農(nóng)田n=0.05，樹叢n= 0.07，村莊n=0.10。

3 計算成果

3.120 年一遇洪水

3.1.1 洪水演進過程分析

該方案下，黃莊洼分洪閘的泄流洪峰流量為1 060 m3/s，分洪量為4 234萬m3。洪水從分洪閘進入分區(qū)滯洪圍堤，從零時刻起算，經(jīng)過111 h到達圍堤北分洪口門、111.5 h到達南分洪口門、112.5 h到達北退水閘處、113.5 h到達南退水閘處、137 h圍堤內(nèi)達最高水位4.56 m，此后由于潮白新河上游來水減少，分洪閘閘門關(guān)閉，圍堤水位不再增加。因此，該方案下，未達到分區(qū)滯洪圍堤向Ⅰ區(qū)分洪的運用控制條件4.66 m，分區(qū)滯洪圍堤工程可以容納全部洪水。洪水演進過程，如圖5所示。

圖5 20年一遇洪水演進過程

3.1.2 淹沒面積及蓄水量分析

該方案下，蓄滯洪區(qū)的最大淹沒面積為11.67km2，最大蓄水量為4 233.6萬m3。淹沒面積過程曲線如圖6所示，蓄水量過程曲線如圖7所示。

圖6 蓄滯洪區(qū)淹沒面積過程

圖7 蓄滯洪區(qū)蓄水量過程

3.250 年一遇洪水

3.2.1 洪水演進過程分析

該方案下，黃莊洼分洪閘的泄流洪峰流量為1 360 m3/s，分洪量為17 366.7萬m3。從零時刻起算，洪水經(jīng)過112.5 h到達圍堤北分洪口門、114 h到達南分洪口門、133.7 h圍堤內(nèi)水位達到分洪口門頂高程4.66 m，此后由于潮白新河水位繼續(xù)上漲，啟用南、北分洪口門和南、北退水閘向黃莊洼Ⅰ區(qū)分洪。138.3 h后圍堤內(nèi)達最高水位5.215 m，此后上游來水減少，黃莊洼分洪閘閘門關(guān)閉，圍堤水位逐漸降低，至201.5 h退至4.655 m。任莊閘處水位逐漸抬升，至210 h后水位值為2.742 m，并未達到Ⅰ區(qū)向Ⅱ區(qū)分洪的運用控制條件2.971 m。因此，該方案下黃莊洼蓄滯洪區(qū)只啟用了分區(qū)滯洪圍堤和Ⅰ區(qū)。洪水演進過程，如圖8所示。

圖8 50年一遇洪水演進過程

3.2.2 淹沒面積及蓄水量分析

該方案下，蓄滯洪區(qū)Ⅰ區(qū)的最大淹沒面積為113.28 km2，最大蓄水量為12 902.30萬m3；分區(qū)滯洪圍堤工程的最大淹沒面積為11.67 km2，最大蓄水量為4 464.40萬m3。淹沒面積過程曲線如圖9所示，蓄水量過程曲線如圖10所示。

圖9 蓄滯洪區(qū)淹沒面積過程

3.3 方案比較

對比分析兩種方案，20年一遇洪水分洪量為4 234萬m3，分洪只啟用滯洪圍堤；50年一遇洪水分洪量為17 366.7萬m3，分洪啟用滯洪圍堤和Ⅰ區(qū)。具體情況，見表1。

TV122+.5

A

1004-7328（2015）01-0050-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2015.01.018

2014-11－11

天津市水務(wù)局科研項目（KY2014-06）

楊麗萍（1982-），女，工程師，主要從事防洪減災相關(guān)研究工作。