常規(guī)與二維水面線推算方法在潮白河香河段生態(tài)整治中的應(yīng)用

徐 磊，劉 欽，張靜靜

（河北省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，石家莊 050021）

1 項(xiàng)目概況

潮白河位于海河流域北部，西界永定河，北依蒙古高原，東界灤河，南臨渤海，由潮河、白河兩大支流組成，分別發(fā)源于河北省的沽源縣和豐寧縣，在密云縣城南匯合始稱潮白河，經(jīng)蘇莊至香河吳村閘，吳村閘以下稱潮白新河，干流總長182km，流域面積19354km2，行政區(qū)劃分屬北京、天津、河北3?。ㄊ校?，如圖1。

圖1 北三河系流域示意圖

潮白河作為貫穿香河縣的主要河流，經(jīng)過多年運(yùn)用現(xiàn)狀行洪能力遠(yuǎn)達(dá)不到原設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)的要求。隨著京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略的出臺(tái)和毗鄰的通州區(qū)的北京城市副中心的啟用，給未來的香河縣帶來了更多的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。近些年，上游的北京通州段已按50年一遇標(biāo)準(zhǔn)治理，也對(duì)潮白河的防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提出了更高要求。

項(xiàng)目是通過加固堤防和擴(kuò)挖主槽，使治理后的河道的防洪標(biāo)準(zhǔn)由20年一遇提高到50年一遇，并通過對(duì)灘地生態(tài)景觀的塑造和點(diǎn)源、面源污染的治理與凈化，打造綜合濱水生態(tài)帶。整治范圍為潮白河香河縣域，河道全長26.48km，主要包括防洪工程、生態(tài)景觀工程和水質(zhì)提升工程。治理后該河段防洪標(biāo)準(zhǔn)可提高到50年一遇，相應(yīng)吳村閘上游、下游河道設(shè)計(jì)流量為3660m3/s和3300m3/s。

2 河流現(xiàn)狀及存在問題

整治范圍內(nèi)，吳村節(jié)制閘以上為潮白河，現(xiàn)狀堤距2.2～4.8km，灘地較寬；吳村閘以下為潮白新河，其中吳村閘至下游焦康莊段，堤距在1.0～2.2km，焦康莊以下為1950年新開挖的河道，河槽斷面規(guī)整，堤距460m左右。

焦康莊以上河道多年未經(jīng)徹底治理，部分河段淤積嚴(yán)重，堤內(nèi)灘地上分布有村莊和若干家村辦企業(yè)等，局部區(qū)域種植有高稈作物和樹木。吳村閘上游右堤與大香公路橋上游左堤現(xiàn)狀堤頂高程不滿足50年一遇設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)。潮白河內(nèi)灘地現(xiàn)有村莊13個(gè)，均分布于吳村閘上游。

3 工程布置

防洪工程采用加固堤防與擴(kuò)挖主槽相結(jié)合的方案，其中主槽工程清淤疏浚段長為17.3km，設(shè)計(jì)河底縱坡1/3600～1/5600，設(shè)計(jì)河底寬度為80～160m，設(shè)計(jì)內(nèi)邊坡不陡于1∶4；生態(tài)景觀工程在兩側(cè)灘地上營建兼具水質(zhì)凈化和科普觀覽功能的濕地公園等沿河生態(tài)景觀，綠化總面積約2900萬m2；水質(zhì)提升工程包括生態(tài)田埂、生態(tài)攔截帶和人工濕地。

4 常規(guī)方法水面線推求

4.1 基本資料和方法

河道斷面資料數(shù)據(jù)采用2017年測量成果，上游段潮白河主槽因采砂等局部存在深坑，不參與行洪，對(duì)河底縱斷及相應(yīng)橫斷面進(jìn)行了修正。潮白新河為人工開挖河道潮白新河，河道順直，堤防間距在450～550m之間，以左、右堤為行洪邊界；其他段以兩側(cè)堤防為行洪邊界。本次起推斷面位于工程終點(diǎn)處冀津界位置。50年一遇設(shè)計(jì)流量為3300m3/s，對(duì)應(yīng)推水位為10.80m。

現(xiàn)狀水面線計(jì)算方法主要理論依據(jù)為伯努利能量守恒方程式。

4.2 糙率分析

由于本河段主槽未進(jìn)行系統(tǒng)的治理，糙率按《北三河系防洪規(guī)劃》成果和以往工程主槽糙率取值，取0.0225。由于近些年灘地內(nèi)開發(fā)建設(shè)較多，本次根據(jù)灘地現(xiàn)狀特點(diǎn)，以吳村閘和1號(hào)橡膠壩為界，分段選取了典型橫斷面，對(duì)灘地內(nèi)各地類情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，參照《水力計(jì)算手冊》中給出的糙率經(jīng)驗(yàn)值，本次耕地糙率取0.05，林地和村莊取0.1，潮白新河兩岸現(xiàn)狀地被水生植物等取0.03。對(duì)灘地糙率采用綜合糙率計(jì)算公式分段進(jìn)行計(jì)算。式中 nmax，nmin為斷面周界各部分糙率中的最大值和最小值；n1，n2為斷面周界各部分的糙率；χ1，χ2為斷面周界各部分的濕周。

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可見，吳村閘以上潮白河香河縣域內(nèi)灘地上分布有村莊7座，以耕地為主，右岸的北京市通州界內(nèi)有村莊6座，灘地內(nèi)高桿作物較多，灘地內(nèi)林地與村莊的約占總灘地的65%～85%，綜合糙率取0.09；吳村閘至1號(hào)橡膠壩段現(xiàn)狀灘地內(nèi)以耕地為主，約占總灘地的50%～80%，局部密植高桿作物并分布有少量村組副業(yè)設(shè)施和小型公園，綜合糙率取0.07；1號(hào)橡膠壩下游潮白新河兩岸灘地以耕地、林地和地被水生植物為主，綜合糙率取0.05。

表1 現(xiàn)狀灘地綜合糙率統(tǒng)計(jì)

根據(jù)生態(tài)景觀工程植被布置情況，按現(xiàn)狀灘地綜合糙率計(jì)算方法，對(duì)設(shè)計(jì)糙率進(jìn)行分析。生態(tài)景觀工程灘地上布置的以喬木、灌木、地被植物為主。生態(tài)景觀布置在不影響行洪的前提下，結(jié)合當(dāng)?shù)刂参锷L特性，按照疏林草地的原則進(jìn)行布置，并對(duì)灘地和堤防內(nèi)坡現(xiàn)有部分密植高稈作物進(jìn)行改造，灘地內(nèi)設(shè)計(jì)洪水位均在喬木樹枝以下。

根據(jù)《水力計(jì)算手冊》內(nèi)容，從防洪安全角度考慮，本次對(duì)喬木、灌木間種范圍灘地糙率取0.10，灌木范圍糙率取0.06，地被植物糙率取0.03，行洪通道范圍灘地糙率取0.03。各類分布情況如表2。

表2 設(shè)計(jì)灘地綜合糙率統(tǒng)計(jì)

5 二維方法水面線推求

洪水演進(jìn)模擬采用丹麥水動(dòng)力學(xué)研究所開發(fā)的MIKE 21FM軟件，建立二維非恒定流洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型。模型可以基于笛卡爾坐標(biāo)系或球面坐標(biāo)系，數(shù)值計(jì)算方法采用基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的有限體積法。

5.1 模型范圍

根據(jù)數(shù)學(xué)模型的研究任務(wù)，交叉工程附近河段的河道平面形態(tài)，河道地形及洪痕調(diào)查情況，并充分考慮上、下游邊界的水流條件，確定模型范圍。建模范圍自X017縣道潮白河大橋（友誼大橋）以下約250m起，至冀津界下游1000m止，河道長度約41.9km，以潮白河現(xiàn)狀左、右堤堤線為界，模型計(jì)算面積約49.6km2。

5.2 模型邊界條件

模型上游邊界為入流邊界，邊界條件為潮白河河道入流洪水，潮白河河道入流過程按照蘇莊站設(shè)計(jì)洪水和運(yùn)潮減河設(shè)計(jì)洪水同時(shí)段疊加過程，在潮白河友誼大橋以下位置加入模型；模型下游邊界為出流邊界，邊界條件以冀津界以下1000m水位流量關(guān)系為控制。側(cè)邊界為閉合邊界，邊界條件為潮白河現(xiàn)狀左、右堤。

5.3 網(wǎng)格剖分

本次模型采用非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格進(jìn)行剖分，模型計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格剖分共計(jì)48150個(gè)，網(wǎng)格單元最大面積為3423m2，計(jì)算節(jié)點(diǎn)25086個(gè)。

5.4 參數(shù)選取與率定

根據(jù)灘地內(nèi)現(xiàn)狀村莊、植被及地面附著物情況，各類型糙率取值與常規(guī)水面線推求中的糙率取值一致，其中耕地糙率取0.05，林地和村莊取0.1，潮白新河兩岸現(xiàn)狀地被水生植物等取0.03。總模擬時(shí)間設(shè)置為30d，時(shí)間步長取30s。

5.5 成果取值

現(xiàn)狀水位與常規(guī)方法、二維方法設(shè)計(jì)水位差值不大，考慮到本工程實(shí)施周期較長，從工程安全的角度出發(fā)，潮白河及潮白新河50年一遇設(shè)計(jì)洪水位成果采用現(xiàn)狀、二維分析和常規(guī)水面線推算成果的外包線。不同方法水面線計(jì)算成果和采用值如表3，計(jì)算成果對(duì)比示意圖詳見圖2。

表3 不同方法水面線計(jì)算成果對(duì)比分析 單位：m

圖2 不同方法水面線計(jì)算成果對(duì)比示意圖

6 水面線成果分析

6.1 常規(guī)及二維數(shù)值模擬水面線成果對(duì)比

根據(jù)常規(guī)水面線成果與二維數(shù)值模擬成果對(duì)比，焦康莊以上河段常規(guī)成果與二維數(shù)值模擬成果相差不大，最大偏差值-0.12～0.11m；焦康莊下游潮白新河常規(guī)方法水面線成果略高于二維數(shù)值模擬成果，最大差值位于焦康莊以上約1km范圍內(nèi)，該范圍二維數(shù)值模擬成果高于常規(guī)成果約0.31m，考慮到焦康莊以下潮白新河段堤距較小，斷面較上游河段規(guī)整，常規(guī)水面線計(jì)算成果基本可以反映實(shí)際情況。

6.2 水面線成果分析

通過對(duì)上述常規(guī)方法和二維數(shù)值模擬方法水面線計(jì)算成果的分析，潮白新河段由于現(xiàn)狀堤距相對(duì)較小，主槽的清淤擴(kuò)挖對(duì)降低洪水位作用相對(duì)較明顯；焦康莊以上河道由于現(xiàn)狀灘地較寬，除京哈高速上、下游段較現(xiàn)狀水位略有下降外，其他河段水位變化較小。與流域規(guī)劃相比，工程起點(diǎn)和工程范圍內(nèi)控制點(diǎn)設(shè)計(jì)水位略有降低，但差別不大。通過對(duì)現(xiàn)狀主槽的清淤擴(kuò)挖，除焦康莊下游段潮白新河由于灘地高程較低外，其他河段左、右灘地高程基本高于10年一遇設(shè)計(jì)洪水位。

7 結(jié)語

通過利用綜合糙率的計(jì)算方法去模擬現(xiàn)狀灘地的糙率值，其推算的水面線成果與二維非恒定流洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型基本相同，繼而驗(yàn)證了其綜合糙率的取值基本反映了灘地的真實(shí)糙率。采用該方法基礎(chǔ)工作量相對(duì)較少，但在典型河段確定和計(jì)算斷面的間距的選取方面，要結(jié)合上、下游地面附著物分布情況綜合考慮，最大程度還原灘地的實(shí)際情況，使水面線成果更加真實(shí)可靠。