大黄堡洼蓄滞洪区洪水演进过程分析研究

刘战友，韩民安，赵英虎

（天津市水务局，天津 300072）

1 引言

天津市共有13个蓄滞洪区，总面积2952km2。历史上，各蓄滞洪区曾多次得到运用，在保护天津防洪安全中发挥了巨大作用。大黄堡洼蓄滞洪区地处天津市宝坻区、武清区和宁河县境内，北起筐儿港北堤，东至青龙湾减河右堤和青龙湾故道左堤，西以黄沙河左堤和北京排污河左堤为界，南到津榆公路，总面积277km，整个区域位于青龙湾减河与北京排污河之间，承担分泄青龙湾减河洪水任务。区内地势西北高、东南低。由柳河干渠、清污渠、大尔路、九园路、阎杜渠等隔堤划分为5个分区，大黄堡洼启用机遇为20a一遇，解放后曾先后5次启用。

狼儿窝分洪闸是分泄青龙湾减河洪水入大黄堡洼的分洪闸，位于青龙湾减河右堤，武清区崔黄口乡狼儿窝村南。按照《天津市设计洪水、中小洪水调度方案》，当北运河土门楼枢纽以上来流量超过900m3/s时，青龙湾减河泄洪闸全力下泄，北运河木厂节制闸相机分泄，武清区、宝坻区对土门楼枢纽以下青龙湾减河右堤全力防守（包括省市交叉堤段），大黄堡洼做好分洪准备；当狼儿窝分洪闸上水位达到8.1m（大沽高程，下同）且继续上涨时，提启狼儿窝分洪闸向大黄堡洼分洪430～720m3/s。

2 二维洪水演进模型的建立

2.1 基本方程和定解条件

2.1.1 基本方程

二维洪水演进模型采用二维非恒定流的圣维南方程组，较一维方程增加横断面方向偏分，即模型计算在以X、T为元素的基础上，增加横断面Y方向逐级求解，变量（流量、水位）不仅随纵断面和时间变化，横断面方向也不相同。

式中 t为时间；x、y、z为坐标；η为水位（m）；h为静止水深（m）；u、v、w分别为流速在x、y、z方向上的分量（m/s）；pa为当地大气压（Pa）；ρ为水密度（kg/m3），ρ0为参考水密度（kg/m3）；f=2Ωsinφ为Coriolis参量（其中Ω=0.729×10-4s-1为地球自转角速率，φ为地理纬度）；和为地球自转引起的加速度（m/s）；sxx、sxy、syx、syy为辐射应力分量（N）；Txx、Txy、Tyx、Tyy为水平粘滞应力项（N），S为源汇项，（us，vs）源汇项水流流速（m/s）。

2.1.2 定解条件

2.1.2.1 边界条件

式中 ηr、为开边界r上已知潮位（m）、流速过程（m/s）。

（2）闭边界。u=0或v=0

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2.1.2.2 初始条件

其中，η0为计算初始时刻潮位空间分布函数。

2.1.3 求解方法

求解采用三角非结构网格中心网格有限体积法求解。对计算区域内滩地干湿过程，采用水位判别法处理。

3 基本资料及模型设置

3.1 基础资料

地形高程资料以天津市万分之一电子地图高程数据为基础进行转化、提取；其他工程资料摘自天津市水利局编撰的 《天津市水利工程资料汇编》。

3.2 网格剖分

网格剖分精细程度决定二维模型成果的可靠性，是二维洪水演进的重要影响因素之一。网格划分越细，计算精度越高，花费时间越长。反之，网格越粗，计算精度减弱，计算速度加快。鉴于大黄堡洼地势相对平坦，在网格处理时，将村庄作为一个单独网格单元，其他网格处理为边长1km的等边三角形，闸涵、分洪口门等重要研究区域进行局部网格加密。此次将大黄堡洼划分为4000个网格单元。

蓄滞洪区分区围埝、道路对洪水演进影响较大，在模型设置中，将分区围埝、道路等实际工况模拟为薄壁堰来处里。作为城市供水调节的尔王庄水库，利用设置较高的薄壁堰将大黄堡洼蓄滞洪区隔开，使洪水不进入尔王庄水库（在实际的运用中，亦是要保护尔王庄水库）。

3.3 模型设置

3.3.1 边界条件

模型上游边界为狼儿窝分洪闸，计算边界流量分别采用分洪闸恒定分洪430，720m3/s，模拟入流流量过程。模型下游边界为大黄堡洼地形区域边界。

3.3.2 模型糙率

由于天津市洪水资料极少，无法对糙率进行率定，因此，本次糙率参考《洪泛区洪水演进的数值模拟及泛区风险图》，如表1所示。

3.3.3 初始条件

蓄滞洪区初始条件为大黄堡洼自然地形高程。

表1 蓄滞洪区糙率取值表

3.3.4 降雨及蒸发

本次计算不考虑降雨及蒸散发的影响。

在模型中，用薄壁堰来模拟蓄滞洪区内分区围堰和分洪口门。分洪口门条件设置如表2所示。

表2 分洪口门设置

4 计算成果

分析不同分洪方案洪水在大黄堡洼的洪水演进过程。

4.1 狼儿窝分洪闸430m3/s分洪方案

狼儿窝分洪闸提闸作为洪水演进开始时刻（即0时刻），3h，洪水到达大尔路；6h，到达柳河干渠；19h，到达陈赵庄；22h，陈赵庄水位达4.5m，按照调度方案，此时扒开1区到2区的分洪口门，1区开始向2区分洪；28h，1区和2区全部滞洪，水头到达1区和3区分区围埝阎杜渠；35h， 洪水漫溢1～2区分区围埝；48h，洪水漫过1～5区分区围埝，进入5区，5区被迫提前启用；100h，1、2、5区全部滞洪， 此时扒开2～3区分洪口门，开始向3区分洪；128h，洪水漫溢1～3区分区围埝；131h，到达九园公路，扒开九园公路分洪口门，向3区下游分洪；151h，到达津蓟高速；181h，到达3～4区分区围埝清污渠，并达到分洪条件，扒开口门，向4区分洪；229h，大黄堡洼全部滞洪。

4.2 狼儿窝720m3/s分洪方案

狼儿窝分洪闸提闸作为洪水演进开始时刻（即0时刻），2h，洪水到达大尔路；6h，到达柳河干渠；12h，洪水到达陈赵庄，扒开柳河干渠分洪口门，1区开始向2区分洪，同时在大尔路大宝庄以上段，洪水漫过1～5区分区围埝，进入5区，5区被迫提前启用；21h，到达阎杜渠；23h，洪水漫溢1～2区分区围埝；61h，1、2、5区全部滞洪，扒开阎杜渠分洪口门，开始向3区分洪；71h，到达九园公路；77h，洪水漫溢1～3区分区围埝；93h，扒开九园公路分洪口门，开始向3区下游分洪；94h，到达津蓟高速公路；103h，到达3～5区分区围埝清污渠，并达到分洪条件，扒开口门，向4区分洪；132h大黄堡洼全部滞洪。

对比分析两种分洪方案，结果如表3所示。

表3 不同分洪方案传播时间对比

5 结论与建议

（1）根据计算成果，狼儿窝分洪闸分洪430，720m3/s洪水均漫溢1～5区分区围埝，5区被迫提前启用。而位于5区下游的尔王庄水库是天津市城市供水的重要调节水库，按照原调度方案，即1～5区依次分洪，5区最后运用对于保护天津市城市供水调节水库——尔王庄水库意义重大。

（2）为确保5区不提前启用，对1～5区分区围埝高程进行加高。由于加高1～5区分区围埝工程量较大，短时间内较难实现。因此，在实施1～5区分区围埝加高工程之前，启用大黄堡洼进行分洪，根据实时调度情况，适时降低1～3区、3～4区分区围埝启用条件，加大分区口门开挖宽度和深度，提高泄流条件，尽量按照原调度方案进行分洪，降低5区提前启用几率，避免或减小洪水对尔王庄水库的威胁。

［1］天津市水利局.天津市水利工程资料汇编［R］.1993.

［2］水电部水管司，水利电力科学研究院，海河水利委员会.洪泛区洪水演进的数值模拟及泛区风险图［R］.1987.

［3］天津市防汛抗旱办公室.天津市设计洪水、中小洪水调度方案［R］.2003.

［4］天津市水务局水源调度处.天津市主要行洪河道调度仿真分析研究——潮白新河、青龙湾减河部分［R］.2009.

［5］詹道江，叶守泽.工程水文学［M］.北京：中国水利水电出版社，2000.

［6］李炜，徐孝平.水利学［M］.武汉：武汉大学出版社，2000.