江蘇省中小河流分洪效果分析及應(yīng)用

徐海峰，周佩佩，朱 晶

(1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，江蘇 南京 210022；2.南京新港開發(fā)總公司，江蘇 南京 210038)

城市防洪永遠是民生大事，洪水的形成過程及發(fā)展趨勢一直是人們重點關(guān)注的問題，其水動力數(shù)學(xué)模型研究也因地域條件差異而多種多樣[1]。1985年，有學(xué)者利用水位變化，得到河道上下游的流量過程解析[2]。1997年，Bernard將擴散波方程進一步推算分析，拓寬了該方程的適用范圍。2003年，Caleffi等采用二維淺水運動模型對托賽河進行了洪水演進過程。之后出現(xiàn)的雨水管理模型與洪水模型均是一維平面模擬，不涉及地形數(shù)據(jù)的處理，適合小型流域的水文模擬研究[5- 7]。我國的模型發(fā)展研究雖起步較晚，但近些年洪水模型方面在理論和應(yīng)用上均有很大的成就[8- 9]。其中王船海、李光熾[10]進行了流域洪水模擬，將流域范圍內(nèi)的水流概化成零維調(diào)蓄單元、一維河道水流及二維行洪區(qū)水流，并對各部分進行求解分析。隨后李軍等人[11]采用MIKE11模型進行南沙河流域水質(zhì)模型分析。盧士強等人[12]以上海地區(qū)河流流域為背景，構(gòu)建具有平原河網(wǎng)特點的水動力河道模型。21世紀以來，地理信息系統(tǒng)(GIS)在處理地形方面的推廣應(yīng)用為數(shù)字化河道模擬提供了一條新方向。但在河道模型分析中，能夠反映下墊面形態(tài)的河道糙率參數(shù)，其現(xiàn)行的獲取方法是參照已有工程取值，對設(shè)計人員技術(shù)水平要求較高[13- 14]。

本文基于滁河流域防洪規(guī)劃提出的分洪思路，收集整理流域河道地形、工情及水文資料，建立水系水動力模型，優(yōu)化搜索河道糙率參數(shù)，研究各工程措施對八百河流域洪水匯入新禹河的分洪效果。分析工程措施對分洪流量及河道水位等變化規(guī)律，為制定八百河向新禹河分洪建設(shè)方案提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究流域概況

目前滁河中下游區(qū)域主要承受來自八百河及新禹河的行洪壓力，其中八百河發(fā)源于安徽天長縣草廟山江淮分水嶺，八百河由金牛山水庫溢洪道至六合雄州街道匯入滁河，全長20.96km。新禹河為非自然河道，以峨嵋河為起點，由北向南入滁河，全長16.5km，流域面積181.47km2。綜合分析得出，八百河、新禹河流域洪澇災(zāi)害主要是由流域降雨和滁河水位頂托等原因造成。八百河、新禹河流域防洪體系依托于滁河流域防洪體系，已初步建成“擋、蓄、泄”防洪減災(zāi)體系。八百河流域作為連接上游金牛山水庫和下游滁河的重要紐帶，其防洪能力正確評估與提升尤為重要。隨著城市規(guī)劃建設(shè)的快速發(fā)展，河道流域下墊面條件變化較大，基本農(nóng)田及綠地占有率明顯下降，灌溉用水量減少，城區(qū)需排澇面積增加，城市防洪壓力逐年增加。據(jù)不完全數(shù)據(jù)統(tǒng)計，八百河流域現(xiàn)狀行洪能力，已不能滿足當(dāng)?shù)氐呐艥承枰?/p>

2 模型構(gòu)建

2.1 河網(wǎng)模型

河網(wǎng)模型范圍上邊界為金牛山水庫，下邊界為八百河入滁河口和新禹河入滁河口。河道斷面數(shù)據(jù)選用能夠反映河道走勢、形狀等具有代表性的典型斷面，本模型八百河的斷面數(shù)據(jù)采用河道實測數(shù)據(jù)，新禹河的斷面數(shù)據(jù)采用新禹河小流域治理后的設(shè)計斷面。八百河入滁河口現(xiàn)狀設(shè)計洪水位為10.07m，新禹河入滁河口現(xiàn)狀設(shè)計洪水位為9.16m。綜合考慮河道斷面變化及入流河道情況，本文構(gòu)建河網(wǎng)模型在八百河沿線布置9個入流點，新禹河沿線布置6個入流點，共15個入流點，河網(wǎng)模型構(gòu)建詳如圖1所示。

圖1 八百河、新禹河河網(wǎng)模型示意圖

2.2 河道糙率優(yōu)化分析

基于八百河與新禹河河網(wǎng)模型，現(xiàn)有河道百年一遇的設(shè)計洪水位為反演目標值(Fitness value)，西陽河入八百河河口水位為11.75m，西陽河入新禹河水位為11.58m。綜合考慮類似河網(wǎng)計算模型，八百河與新禹河糙率的搜索范圍為0.020～0.028，采用遺傳算法進行目標值搜索，遺傳代數(shù)初定為100代(Generation)，搜索過程見圖2—3。經(jīng)50代遺傳搜索后，即可得八百河現(xiàn)狀糙率為0.025，新禹河現(xiàn)狀糙率為0.024，若規(guī)劃中疏浚工程實施后，其糙率將會分別降低0.001。

圖2 西陽河入八百河水位優(yōu)化搜索過程示意圖

3 河道分洪措施

3.1 新禹河干流河道疏挖

新禹河干流河道的三友、東方紅水庫溢洪道至吳橋河段，河底沿線高程高于新禹河入滁河河口高程約2.5～3.5m，河道有效泄洪斷面因河底高程抬高而逐年減少。在滁河流域防洪規(guī)劃中提出新禹河干流河道疏挖必要性，并提出河道約16km主要淤積段，河底高程按比降1/10000疏挖，兩岸疏挖綜合坡比不陡于1∶3，河底寬度參考原地形順接為10～20m寬，局部根據(jù)河道現(xiàn)狀需要采用漿砌石護坡，典型疏挖斷面如圖4所示，具體規(guī)劃河底高程控制見表1。

圖3 西陽河入新禹河水位優(yōu)化搜索過程示意圖

圖4 新禹河干流疏挖典型斷面圖

表1 新禹河現(xiàn)狀與規(guī)劃河底高程對比表

3.2 西陽河河道拓浚

西陽河河道拓竣河底沿線高程為2.64～2.90m，拓竣原則為以左岸退堤為主，右岸表面整坡。左岸拓竣分兩期實施，一期先按坡比1∶2開挖，二期進一步拓竣至規(guī)劃斷面，兩岸疏挖綜合坡比同樣不陡于1∶3，河底寬度參考原地形均為10m寬，拓竣典型斷面如圖5所示。

圖5 西陽河河道拓竣典型斷面圖

3.3 分洪方案組合及效果分析

為體現(xiàn)各分洪措施的防洪效果，本次分洪方案一為僅實施新禹河干流河道疏挖，方案二為僅實施西陽河河道拓浚，方案三為同時實施方案一和方案二的內(nèi)容。研究現(xiàn)狀為八百河及新禹河已完成基本河道治理，河道狀況較為良好，不會出現(xiàn)分洪、決堤等可能情況，與分洪河網(wǎng)模型的完整性相吻合。河網(wǎng)主要分析，各方案實施后新禹河、西陽河和八百河之間相互變化。根據(jù)南京市城市防洪規(guī)劃，研究河道防洪等級均為50年一遇。

(1)分洪流量分析

經(jīng)計算，現(xiàn)狀模型中新禹河具有約50m3/s的分洪能力。方案一實施后，新禹河分洪能力可提高約110m3/s，有效減輕八百河行洪壓力，分洪效果較好。方案二實施后，新禹河分洪能力僅提高約10m3/s，八百河分洪流量變化可忽略不計。可見西陽河分洪效果一般。方案三實施后，新禹河分洪能力提高仍約為116m3/s，八百河分洪流量變化可忽略不計，該方案與方案一分洪效果接近。

表2 八百河設(shè)計洪水工況下流量計算成果表

圖6 各分洪方案計算得新禹河分洪流量及分流比變化圖

(2)下游水位分析

方案一疏浚深度約為3m，河道有效行洪斷面擴大較為明顯，導(dǎo)致八百河下游水位可最大降低0.9m，新禹河自身河水位降低約0.1～1.0m。方案二西陽河河底疏挖分二期實施，河底寬基本維持現(xiàn)狀，有效行洪斷面擴大有限，因此西陽河拓竣兩期累計對八百河下游水位的影響，僅降低最大不超過0.03m，對新禹河水位幾乎無影響。方案三水位變化情況和方案一基本一致，新禹河與八百河水位均有較明顯降低。

表3 八百河設(shè)計洪水工況下水位計算成果表

4 結(jié)語

通過對八百河、新禹河流域現(xiàn)狀工況計算結(jié)果可知，整治后的西陽河、新禹河已具有一定的分流能力。針對西陽河拓浚、新禹河疏挖進行單項及組合工程措施研究，通過模型計算，方案一新禹河整治至規(guī)劃斷面后可有效提高新禹河分洪能力，且八百河、新禹河水位均明顯降低，可自然分流162.7m3/s，八百河水位降低0.13～0.80m，新禹河水位降低0.0～0.79m。新禹河整治不但對新禹河本流域防洪有利，同時也減輕了八百河沿線防洪壓力且分洪效果明顯。方案二在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上進行西陽河拓浚，可自然分流60m3/s，僅比現(xiàn)狀增加分流10m3/s，該方案分洪效果不明顯。建議可同時安排監(jiān)測整治后新禹河分流效果及八百河下游水位消落效果，為充分分析工程規(guī)模和效益以及是否建設(shè)八西口閘提供依據(jù)。