滏陽河衡水市區(qū)段治理工程以上洪瀝水模型分析探討

張寧寧

項(xiàng)目河道治理范圍為滏陽河衡水市侯莊閘—南外環(huán)段，治理段河道總長8.9 km，工程主要建設(shè)內(nèi)容為堤防加高培厚、主槽清淤、新建張莊排澇泵站。正常工況下根據(jù)《衡水市城市防洪規(guī)劃》工程治理段20 年一遇排澇設(shè)計(jì)流量分段情況為：侯莊閘—張莊泵站（樁號：0+000～5+200）為150 m3/s，張莊泵站—南外環(huán)（樁號：5+200～8+900）為174 m3/s。為考慮滏陽河治理段最大下泄情況，規(guī)劃工況下工程治理段全線采用20 年一遇排澇設(shè)計(jì)流量為174 m3/s。

1.工況分析

當(dāng)滏陽河出現(xiàn)20 年一遇瀝水時(shí)，本文考慮兩種工況（即分為兩種工況對比分析，工況1：當(dāng)侯莊閘上游發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，洪水出槽漫地，由侯莊閘控泄，控泄流量為150 m3/s，侯莊閘—南外環(huán)段按標(biāo)準(zhǔn)分段流量進(jìn)行排瀝。工況2：當(dāng)侯莊閘上游發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，洪水出槽漫地，由南外環(huán)進(jìn)行控泄，控泄流量為174m3/s，此時(shí)張莊泵站排澇能力根據(jù)南外環(huán)處的泄量相機(jī)控制，由于張莊泵站的滯水量相對很小，因此忽略張莊泵站滯水影響）下滏陽河治理段的下泄能力，分析了侯莊閘上游滯水區(qū)淹沒面積的變化情況，進(jìn)而判斷滏陽河在治理段全線采用20 年一遇排澇設(shè)計(jì)流量174 m3/s 是否合理可行。

工程位置示意圖見圖1 所示。其中陰影面積為侯莊閘上游滯水區(qū)域。

2.區(qū)域洪瀝水模型建立

根據(jù)工程規(guī)劃及現(xiàn)狀滯水區(qū)范圍內(nèi)洪瀝水漫灘的特點(diǎn)，本次采取了一維模擬河道行洪、二維非恒定流數(shù)學(xué)模型方法模擬滯水區(qū)范圍內(nèi)洪瀝水演進(jìn)，以及通過一、二維耦合分析不同出流條件下洪瀝水對滯水區(qū)淹沒面積的影響。

2.1 模型計(jì)算方案

根據(jù)前文所述，此次模擬計(jì)算共分為兩種工況，即工況1與工況2。

2.2 模擬思路及計(jì)算條件

2.2.1 模型構(gòu)建思路

模型構(gòu)建包含一維河道模型（MIKE11）和二維滯水區(qū)模型（MIKE21FM），通過侯莊閘利用MIKE FLOOD 實(shí)現(xiàn)一維河道模型與二維超標(biāo)準(zhǔn)分洪區(qū)模型的耦合，實(shí)現(xiàn)河道洪水傳播與分洪洪水演進(jìn)的同步交換與實(shí)時(shí)模擬。滏陽河河道入流過程按照滯水區(qū)下泄洪瀝水過程加入模型，建立滏陽河（侯莊閘—南外環(huán)）一維河道模型，忽略洪水滯水影響；滏陽河、邵村溝、騎河王排干渠道及河道外滯水區(qū)域建立二維非恒定流洪水演進(jìn)計(jì)算模型。

2.2.2 模型范圍及網(wǎng)格剖分

模型范圍：當(dāng)滏陽河、邵村溝、騎河王排干遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪瀝水時(shí)，會(huì)出槽漫地行洪，工程上游河道、堤防、道路等地形條件，確定MIKE21 計(jì)算范圍為：北至騎河王排干北側(cè)，南到滏陽新河左堤，西至邵村溝東側(cè)、滏陽河左堤及S393 省道，東至騎河王排干及滏陽河左堤。二維模型總面積257.90 km2，二維模型范圍位置見圖2。

圖2 二維模型范圍位置圖

一維河道模擬范圍從侯莊閘至南外環(huán)斷面，河段長度為8.9 km，一維上游通過侯莊閘與二維出口連接。

網(wǎng)格剖分：在進(jìn)行網(wǎng)格剖分時(shí)，將計(jì)算范圍作為外邊界，并且將分洪區(qū)內(nèi)的道路、堤防以及小埝等阻水構(gòu)筑物作為內(nèi)部限制邊界加入到生成器中，參與網(wǎng)格的剖分，計(jì)算區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格劃分共計(jì)20140 個(gè)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)10333 個(gè)。模型區(qū)域網(wǎng)格剖分圖見圖3。

圖3 模型計(jì)算范圍網(wǎng)格剖分圖

由于地形數(shù)據(jù)是二維水動(dòng)力模擬的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，直接影響到計(jì)算區(qū)域內(nèi)洪水淹沒的實(shí)際效果，經(jīng)過甄選識別后利用線性插值的方法生成地形數(shù)據(jù).mesh，地形剖分等值線圖見圖4。

2.2.3 模型上下邊界及初始條件

上邊界：滏陽河（含邵村溝）、騎河王排干20 年一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)洪水的入流過程。其計(jì)算方法采用《河北省平原地區(qū)中小面積除澇水文手冊》方法計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1 所示。

表1 模型入流過程特征值

中邊界：模型中邊界為二維區(qū)域的邢衡高速，路基概化為DIKE，橋涵位置留出過水通道。

下邊界：工況1，二維下邊界出流條件為侯莊閘的水位泄量關(guān)系，采用侯莊閘進(jìn)行150 m3/s 控泄；工況2，一維下邊界出流條件為南外環(huán)斷面的水位泄量關(guān)系，采用南外環(huán)174 m3/s控泄。

侯莊閘水位泄量關(guān)系通過本項(xiàng)目滏陽河斷面資料進(jìn)行水位推算至閘下，按建筑物泄流公式推算閘上洪水位。南外環(huán)斷面水位泄量關(guān)系通過復(fù)核后的已建工程河道水面線成果結(jié)合沉降分析計(jì)算取得。

初始條件：模型初始條件為地面高程，區(qū)域按無水考慮。

2.2.4 模型參數(shù)的選取

根據(jù)MIKE21 水動(dòng)力模型的基本原理，在模型中需對河道外區(qū)域主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

糙率系數(shù)：此次模型中糙率參數(shù)選取按照地形、地貌特點(diǎn)，并參考《衡水市城市防洪規(guī)劃》的參數(shù)選取，河道主槽糙率取值0.026、灘地糙率取值0.06，村莊及較大的阻水建筑物糙率一般取0.1，其他區(qū)域內(nèi)糙率一般取0.06。

渦粘系數(shù)：根據(jù)Smagorinsky 公式確定，本次計(jì)算渦粘系數(shù)取值為0.28 m2/s。

時(shí)間步長：此次計(jì)算中，總模擬時(shí)長設(shè)置為248 h，主時(shí)間步長取30 s。

干濕邊界：模型中需要設(shè)定一個(gè)干水深、淹沒深度和濕水深。此次計(jì)算中，以上水深分別設(shè)定為0.005 m、0.05 m、0.1 m。

3.不同工況下模擬結(jié)果圖

根據(jù)上述邊界條件，對不同工況下20 年一遇洪瀝水進(jìn)行模擬，滯水區(qū)洪峰期最大水深等值線圖、最高水位等值線圖及洪水流場矢量圖分別見圖5、圖6、圖7。

圖5 20 年一遇洪水最大水深等值線圖

圖6 20 年一遇洪水最高水位等值線圖

圖7 20 年一遇洪水流場矢量圖

4.成果分析

根據(jù)圖5、圖6、圖7 分析可知，當(dāng)發(fā)生20 年一遇洪瀝水時(shí)，兩種工況下洪瀝水整體變化情況為：自上游向下游出口以漫流形式演進(jìn)，在邢衡高速處洪瀝水沿高速橋涵出流，行進(jìn)出口邊界附近時(shí)由于控制下泄，出口以上水位壅高。在工況1 下滯水區(qū)淹沒面積為138.21 km2，工況2 下，滯水區(qū)淹沒面積為133.79 km2，減小了4.42 km2。其余不同最大淹沒水深所對應(yīng)的淹沒面積見表2 所示。由表2 可知，工況2 下的淹沒面積均比工況1 下的淹沒面積小，其原因是在工況2 下，由南外環(huán)控泄，加大了滏陽河的下泄能力，使得侯莊閘上游淹沒面積減小。

表2 侯莊閘上游滯水區(qū)淹沒面積成果 （單位：km2）

另外，在工況1 下侯莊閘閘后的水位為20.83 m，在工況2下侯莊閘閘后的水位為21.2 m，二者水位增加了0.37 m，水位變化幅度不大，僅增長了1.78%，治理段現(xiàn)狀左岸堤頂高程為23.62 m～20.04 m（上游—下游），右岸堤頂高程為22.23 m～20.08 m（上游—下游）。水位的增加會(huì)導(dǎo)致堤防加高加固，進(jìn)而使得費(fèi)用增加，但堤防費(fèi)用的增加所帶來上游淹沒損失減小，從整體效益上是有利的。

因此，在充分考慮滏陽河治理段的最大下泄情況時(shí)，滏陽河治理段全線采用20 年一遇標(biāo)準(zhǔn)流量為174 m3/s 是合理可行的。