高標(biāo)準(zhǔn)行洪區(qū)行洪通道布局的洪水模擬概化

□楊艷玲 孫聰影 張 昊 趙 偉

高標(biāo)準(zhǔn)行洪區(qū)行洪通道布局分析，應(yīng)建立在該區(qū)域準(zhǔn)確合理的洪水演進(jìn)成果的基礎(chǔ)上，需要采用準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和方法，并對(duì)成果進(jìn)行合理分析?，F(xiàn)以滹沱河（南水北調(diào)—機(jī)場(chǎng)路）南岸高標(biāo)準(zhǔn)行洪區(qū)行洪通道布局進(jìn)行分析研究。

1.設(shè)計(jì)洪水及分析標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題

研究高標(biāo)準(zhǔn)行洪區(qū)行洪通道布局研究，應(yīng)基于合理準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)洪水成果。對(duì)于已有經(jīng)過(guò)驗(yàn)證成果的，應(yīng)優(yōu)先采用經(jīng)驗(yàn)證成果。關(guān)于滹沱河的洪水已進(jìn)行過(guò)多次計(jì)算復(fù)核，因此此次研究采用滹沱河最新批復(fù)的設(shè)計(jì)洪水成果進(jìn)行計(jì)算。滹沱河河道行洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，根據(jù)研究的行洪區(qū)行洪通道的情況和保護(hù)對(duì)象的標(biāo)準(zhǔn)（石家莊市區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)200年一遇），最終確定高標(biāo)準(zhǔn)行洪區(qū)行洪通道布局分析的研究標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇和200年一遇。

2.洪水模擬計(jì)算方法問(wèn)題

洪水演進(jìn)可采用不同的計(jì)算軟件，這里應(yīng)注意采用相對(duì)成熟且經(jīng)大量驗(yàn)證的軟件，應(yīng)便于調(diào)試，否則將大量增加概化和模擬所需時(shí)間。此次選用DHI公司開發(fā)的MIKE系列軟件，使用MIKE FLOOD軟件進(jìn)行模擬。一維模型概化滹沱河河道，二維模型概化超標(biāo)準(zhǔn)行洪區(qū)，采用MIKE FLOOD對(duì)一、二維進(jìn)行耦合。

3.地形、糙率等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)問(wèn)題

關(guān)于地形數(shù)據(jù)，理論上比例尺越大越好，但精度過(guò)高，處理的技術(shù)數(shù)據(jù)也越大，一般1:2000精度的地形數(shù)據(jù)已經(jīng)足以滿足要求。在此次模擬計(jì)算中，根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)條件，局部關(guān)鍵區(qū)域有1∶1000地形圖，其余采用1∶10000地形圖進(jìn)行補(bǔ)足。

糙率有歷史驗(yàn)證資料的應(yīng)進(jìn)行歷史洪水反演分析確定，沒(méi)有洪水反演成果的要結(jié)合當(dāng)?shù)氐墓こ探?jīng)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)率定。根據(jù)滹沱河相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，滹沱河主槽糙率為0.025，灘地糙率為 0.055，村莊、建筑用地糙率0.100，超標(biāo)準(zhǔn)行洪區(qū)的農(nóng)田、綠地、糙率采用0.045。

圖1 潰口位置分布圖

4.洪水演進(jìn)模擬的合理概化

為了洪水模擬軟件能更真實(shí)的模擬超標(biāo)準(zhǔn)行洪問(wèn)題，需要對(duì)遇高標(biāo)準(zhǔn)洪水可能發(fā)生的潰口情形進(jìn)行合理概化。此研究區(qū)段的滹沱河右堤并未設(shè)置分洪口，實(shí)際行洪過(guò)程中僅存在漫堤或者局部潰堤的可能性。漫堤情況下，超標(biāo)準(zhǔn)行洪區(qū)的漫溢洪量較小，洪水風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小，而局部潰堤情況下，洪水風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大。

為了合理模擬可能遭遇的洪水風(fēng)險(xiǎn)情況，應(yīng)人為設(shè)置潰口，滿足合理且最不利的洪水風(fēng)險(xiǎn)分析原則。按照洪水風(fēng)險(xiǎn)盡量最大化的原則，考慮到該區(qū)域從上游到下游縱向長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，且現(xiàn)狀水利工程的布置情形較為復(fù)雜，由此確定分區(qū)域設(shè)置潰口，并綜合考慮河道、堤防狀況、行政區(qū)劃、歷史出險(xiǎn)、洪水風(fēng)險(xiǎn)情況等因素確定潰口位置，最終選擇在上游南水北調(diào)至太平河口設(shè)置經(jīng)貿(mào)大學(xué)潰口；太平河口至新元高速段設(shè)置子龍大橋潰口；新元高速至機(jī)場(chǎng)路段設(shè)置店上村潰口。潰口位置基本布置在各個(gè)分區(qū)的最上游處，潰口位置見圖1。

為研究最大洪水風(fēng)險(xiǎn)情況，采用單一潰口方案，即研究南水北調(diào)至太平河口的洪水淹沒(méi)、行洪風(fēng)險(xiǎn)，采用經(jīng)貿(mào)大學(xué)潰口方案；研究太平河口至新元高速段洪水淹沒(méi)、行洪風(fēng)險(xiǎn)，采用子龍大橋潰口方案；研究新元高速至機(jī)場(chǎng)路段洪水淹沒(méi)、行洪風(fēng)險(xiǎn)采用店上村潰口方案。模擬方案按照實(shí)際演進(jìn)需要，考慮100年一遇和200年一遇行洪模擬。

5.地形地物的合理概化

超標(biāo)準(zhǔn)行洪區(qū)因多年不行洪地區(qū)加速發(fā)展，地形地物均發(fā)生極大變化，歷史原貌已不復(fù)存在，而高標(biāo)準(zhǔn)行洪區(qū)的劃定應(yīng)建立在恢復(fù)歷史原貌的基礎(chǔ)上，盡可能減少近年人為因素對(duì)該區(qū)域的改變。因此，現(xiàn)狀地形地物的合理概化應(yīng)考慮兩種工況，一是考慮現(xiàn)狀地形地物已經(jīng)客觀存在的洪水演進(jìn)模擬，二是對(duì)現(xiàn)狀地物進(jìn)行歷史還原的洪水模擬演進(jìn)。

6.洪水模擬的結(jié)果分析

洪水模擬完成后，應(yīng)對(duì)結(jié)果進(jìn)行合理分析。為科學(xué)確定行洪通道的規(guī)模，應(yīng)分析模擬區(qū)域的水深和流速等分布規(guī)律。根據(jù)各個(gè)分區(qū)的水深和流速分布情況，總結(jié)高標(biāo)準(zhǔn)行洪區(qū)內(nèi)水深、流速分布的規(guī)律，將流速作為主要的分析因素，一般而言，鄰堤側(cè)流速稍大，遠(yuǎn)堤側(cè)流速稍小。綜合分析后，以某一合理流速值作為劃分主要行洪區(qū)和非主要行洪區(qū)的依據(jù)。

確定主次行洪區(qū)后，為確定不同標(biāo)準(zhǔn)行洪通道規(guī)模，進(jìn)行洪水模擬。在滹沱河高標(biāo)準(zhǔn)行洪區(qū)行洪通道分析中，確定了500m、1000m、1500m和2000m不同的行洪通道規(guī)模。通過(guò)概化設(shè)定，使超標(biāo)準(zhǔn)洪水僅能在設(shè)定的500m、1000m、1500m和2000m4種規(guī)模的行洪通道內(nèi)向下游行洪演進(jìn)，以分析不同行洪通道規(guī)模工況下，流速、水位以及行洪通道內(nèi)的蓄水量、洪水淹沒(méi)歷時(shí)、到達(dá)時(shí)間等指標(biāo)的變化情況。

根據(jù)不同行洪分區(qū)的特點(diǎn)，以水位或行洪通道內(nèi)的蓄水量變化為主要分析指標(biāo)，并結(jié)合行洪通道劃定的主要制約因素，如石黃高速公路（石家莊市的防洪屏障）的路基高程作為一個(gè)重要制約因素，高標(biāo)準(zhǔn)行洪水位抬高將加大石黃高速公路的防洪壓力。結(jié)合以上主要分析指標(biāo)和主要制約因素，最終綜合劃定行洪通道規(guī)模。