地面沉降对永定河中下游防洪安全影响分析

刘艳艳，李志华，刘耀峰，王成言

（1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222；2.山西省水文水资源勘测局，山西太原030001）

地面沉降对永定河中下游防洪安全影响分析

刘艳艳1，李志华1，刘耀峰2，王成言1

（1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222；2.山西省水文水资源勘测局，山西太原030001）

地面沉降是我国平原地区的重要地质灾害之一，严重的地面沉降使堤防、闸等防洪工程设施同步下沉。永定河流域地面沉降主要分布在中下游地区，该地区的地面沉降降低了永定河流域防洪工程的防洪、防潮标准，削弱了防灾功能，直接影响天津市和河北省广大地区的防洪安全。为分析地面沉降对永定河系行洪安全影响，本文通过对不同时期测量基准点资料及地形图资料进行比对，分析永定河中下游地区沉降趋势，并采用一、二维嵌套的非恒定流洪水演进数学模型，对永定河泛区行洪能力进行复核。

地面沉降；永定河泛区；防洪影响

1 永定河系概况

1.1 河流水系永定河水系是海河流域的七大水系之一，位于东经112°—117°45′、北纬39°—41°20′，东部和北部为潮白河、北运河河系，西邻黄河流域，南邻大清河水系。永定河全长612 km，永定河上游有桑干河和洋河两大支流，至怀来县朱官屯汇合后称永定河，在延庆县纳妫水河，经官厅水库流入官厅山峡（官厅水库至三家店区间）。从朱官屯至官厅河长30 km，官厅山峡河长108.7 km，于三家店流入平原。三家店以下中下游河道分为4段：三家店至卢沟桥段、卢沟桥至梁各庄段、永定河泛区和永定新河。

1.2 水利工程概况永定河流域目前已建成官厅水库及滞洪水库；三家店至卢沟桥段堤防按可能最大防洪标准设防；卢沟桥至梁各庄段河道的设计治导线已经形成，泛区左右堤均加固完成；永定新河先后实施了53+000断面以上河道的全断面或部分断面清淤和堤防加高加固。流域内重要枢纽工程有卢沟桥枢纽、屈家店枢纽及永定新河河口防潮闸。此外永定河水系列入海河流域的蓄滞洪区有永定河泛区和三角淀蓄滞洪区，同时，为解决永定新河河道淤积造成尾闾泄流不畅的问题，设立了淀北和七里海两个临时滞洪区。

2 沉降分析

2.1 地面沉降分析

（1）水准测量结果。收集了永定河1987年和2001年两次治理时的河道水准点测量成果和永定新河屈家店闸水准点成果。

通过河道内水准点分析，位于永定河泛区内的基准点高程差为0.17～0.41 m，平均沉降值为0.278 m，年均沉降值为0.021 m；位于永定新河内的基准点高程差为0.18～0.40 m，平均沉降值为0.287m，年均沉降值为0.022m。永定新河屈家店闸水准点1990—2002年总沉降量为0.318m，年均沉降值为0.025m；2003—2008年总沉降量为0.241m，年均沉降值为0.040m。

（2）地形图测量结果。为进一步了解永定河泛区、三角淀滞洪区、淀北临时滞洪区、七里海临时滞洪区地面沉降情况，收集了中水北方勘测设计研究有限责任公司不同年份施测的1∶10 000地形图。通过地形图比对，永定河泛区及永定新河所在区域年均沉降值为0.017～0.029m。

2.2 堤防沉降分析

（1）永定河泛区左堤。永定河泛区左堤收集了1992年、2003年实测成果，并收集了2001年武清段堤防加固前后堤顶高程资料。1992—2001年，泛区左堤最大沉降量为0.95 m，平均沉降量为0.37 m，年均沉降值为0.041 m；2001—2003年，泛区左堤最大沉降量为0.26 m，平均沉降量为0.08m，年均沉降值为0.042m。

（2）永定河泛区右堤。永定河泛区右堤收集了辛立村至团结村堤段1988年、2003年实测成果，并收集了1998年天津北辰区段堤防加固前堤顶高程资料。通过对比分析，1988—1998年，泛区右堤北辰区段最大沉降量为0.51m，平均沉降量为0.29m，年均沉降值为0.029m。1988—2003年，泛区右堤辛立村至团结村堤段最大沉降量为0.61m，平均沉降量为0.42m，年均沉降值0.032m。

（3）永定新河堤防。收集1971及1990年右堤测量资料，1971、1990、2001、2002和2008年左堤实测成果。永定新河左堤年均沉降值约为0.04m，右堤年均沉降值约为0.03m。

（4）屈家店枢纽。通过屈家店枢纽观测资料分析，其年沉降量约为0.04m。

2.3 沉降综合分析20世纪70—80年代初，持续干旱导致天津地表水量大幅度减少，为保证工农业生产和人民生活用水需要，地下水开采量大幅提高，导致地面沉降趋势加剧。引滦入津工程建成通水后，天津加大控沉工作力度，全面推进分区治理与水源转换，实行地下水取水许可管理，划定地下水禁采区和限采区范围，制定地下水压采规划，压缩地下水开采量，启动地下水保护行动。经过多年努力，天津地下水水位有所回升，地面沉降速率明显减缓，重点防治区地面沉降势头得到有效遏制。

为进一步加强控制地面沉降工作，有效遏制地面沉降灾害，最大限度降低经济损失，天津市政府批准实施《关于进一步加强我市地面沉降控制工作的意见》，明确控制地面沉降工作目标，到2020年，全市沉降控制区（蓟县、宝坻区除外）年平均沉降量控制在20mm左右，滨海新区城市规划区控制在15 mm左右。到2014年，全部实现地下水禁采，加大控制地面沉降工作力度。在天津市采取各种有效措施来控制地面沉降的条件下，永定河泛区及永定新河所在区域地面沉降速率有进一步减缓的趋势。综合考虑各种因素，结合沉降统计值分析，地面沉降速率为每年0.02 m左右，堤防及屈家店枢纽沉降速率为每年0.04m左右。

3 洪水演进数学模型计算

永定河洪水演进计算采用一、二维嵌套的非恒定流洪水演进数学模型，计算分析不同频率、不同地形条件下永定河泛区的行洪能力。本次模型上边界为泛区入口梁各庄，下边界为永定新河河口，主要包括永定河泛区、永定新河、三角淀、淀北以及七里海临时滞洪区。

3.1 模型介绍河网二维非恒定流数学模型是中水北方勘测设计有限责任公司和河海大学共同开发研制的用于模拟河网及行蓄洪区水流运动规律的计算软件。

描述河道水流运动采用一维圣维南方程组计算公式：

式中：q为旁侧入流；Q为河道断面流量；A为河道过水面积；B为河道河宽；Z为河道水位；Vx为旁侧入流流速在水流方向上的分量，一般可近似为零；K为流量模数，反映河道的实际过流能力；α为动能修正系数。

在二维区域内的洪水采用二维浅水运动方程来描述：

式中：Z为水位；h为水深；u、v分别为x与y方向上的流速；U、V分别为x与y方向上的单宽流量；为单宽流量的矢量；q为考虑降雨等因素的源项；g为重力加速度；C为谢才系数。

联系的处理：联系主要是指计算区域内控制水流运动的堰、闸及河道分洪口门，联系的过流流量满足水力学上的堰流公式。以宽顶堰为例说明。宽顶堰上的水流分自由出流、淹没出流两种流态，不同流态采用不同的计算公式［1］：

①当出流为自由出流时：

②当出流为淹没出流时：

式中：B为堰宽；Z1为堰上水头；Z2为堰下水头；H0=Z1-Zd；hs=Z2-Zd，Zd为堰顶高度；m为自由出流系数；φm为淹没出流系数。

河网二维非恒定流数学模型广泛应用于海河流域漳卫河、大清河、永定河和北三河系的防洪规划中，取得了良好的效果。

3.2 基本资料计算范围内涉及的河道及行滞洪区实测的基本资料见表1。将永定河泛区、三角淀滞洪区、淀北临时滞洪区和七里海临时滞洪区实测地形资料，按年沉降值0.02 m换算到2010年；永定河泛区堤防东州以上及屈家店枢纽高程按年沉降值0.04 m换算到2010年；东州以下为2010年实测成果。模型计算中的高程为黄海56高程，国家85高程统一换算为黄海56高程。

3.3 控制运用条件永定河泛区现有南北小埝、南北前卫埝、南北围埝、龙河左右埝等分区小埝共8道，1996年泛区内实施了分级运用口门工程，兴建了茨平南、池口、西孟村、南石、潘庄子、王玛等6处口门。泛区各分级运用口门控制条件如表2，各区退水口门相机退水。

永定新河进洪闸和新引河闸汛期全部开启，北运河节制闸控制泄流400m3/s。

永定新河七里海分洪口门位于永定新河左堤28+192上侧，口门底高程为2.0m，宽度200m。当河道水位达到该处校核水位4.78 m，即打开七里海分洪口门向七里海分洪，由分洪口门分泄的洪水，首先进入七里海Ⅰ区，当Ⅰ区水位达到3.5m，即打开津唐运河左堤分洪入Ⅲ区，当Ⅰ区水位仍达到3.5m，打开导流堤分洪入Ⅱ区。七里海退水口门位于潮白新河汇入口上游永定新河左堤上，口门底高程为1.0m，宽度为200m，相机向河道内退水。

3.4 模型采用的边界条件上边界：将泛区入口梁各庄处各频率洪水30 d洪水过程线，作为本次泛区二维洪水演进计算的上边界条件。天堂河、新龙河20年一遇洪水分别与永定河20年一遇及以上洪水叠加；20年一遇以下洪水与永定河洪水同频率叠加。潮白新河按20—50年一遇洪水过程汇入，20年一遇以下洪水与永定河洪水同频率叠加，50年一遇洪水与永定河50年一遇及以上洪水叠加。机场排水河按20m3/s恒定流量汇入。由于永定新河水位顶托并考虑到七里海已经分洪的情况，北京排污河不再汇入，蓟运河受水位顶托不再汇入，不考虑本地洪水叠加。

下边界：永定新河下边界海口选取六米站1972年7月21日—8月9日共20 d的潮位过程，此潮位过程的统计特征值与多年汛期平均值比较，除最高潮位平均值低于多年平均值外，其它统计特征值均高于多年平均值，用它作为下边界是偏于安全的。且20 d过程中，包括了发生历史最高潮位2.90m的潮型（7月27日）和最高潮位等于多年最高潮位平均值2.34m的潮型（7月26日），因此具有一定的代表性。

3.5 行洪能力分析

（1）不同地形条件下行洪能力比较。按上述控制条件，采用1991年、2003年实测地形和2010年转换地形，计算发生100年一遇洪水永定河泛区行洪能力，见表3。

从表3可以看出，发生设计标准洪水时，由于地面沉降，寺垡辛庄缺口、茨平口门和南石口门分洪流量及水量有所加大，池口口门、西孟村口门分洪流量及水量有所减少，王码口门分洪流量没有太大的变化。三种地形条件下潘庄子口门均不分洪。在泛区各区的下部均设有退水口门，将分入区内的洪水相机退入河道。各地形条件下泛区总淹没面积分别为215.31 km2、207.91 km2和207.16 km2，地面沉降导致泛区内蓄滞库容加大，泛区总的滞洪面积却略有减少，总体影响不大。但对个别口门，如大北尹预留口门分洪水量及南前卫埝下段缺口分洪水量影响较大。

地面沉降对屈家店枢纽产生的影响也比较小，各地形条件下屈家店枢纽闸上水位分别为5.78m、5.76m和5.75m，相应洪峰流量分别为1 772m3/s、1 765m3/s和1 784m3/s。

（2）2010年地形不同频率洪水行洪能力。根据2010年沉降后泛区地形，计算不同频率洪水泛区内不同节点和断面水位，对比2010年左右堤现状堤顶高程，分析泛区安全行洪能力。不同频率洪水泛区左右堤附近节点和断面水位值及堤防安全超高值分别见表4和表5。

从表4可以看出，现状情况下发生20年一遇、50年一遇、100年一遇和200年一遇洪水，天堂河至东州段左堤堤防安全超高超过2.0m，东州至老米店段左堤堤防安全超高超过2.5m，均满足行洪要求。天堂河段左堤安全超高分别为1.57 m、1.44 m、1.42m和1.39m，老米店至屈家店段左堤安全超高分别为1.39m、1.13m、1.07m和0.81m，达不到50年一遇防洪标准，不满足行洪要求。

从表5可以看出，现状情况下发生20年一遇、50年一遇、100年一遇和200年一遇洪水，东州以上段右堤堤防安全超高超过2.0m，东州至庞庄子段右堤堤防安全超高超过2.5m，均满足行洪要求。庞庄子至屈家店段右堤安全超高分别为2.57m、2.31m、2.25m和1.99m，基本满足行洪要求。

综上永定河泛区地面沉降后，各分洪口门分洪流量及水量有增有减，滞洪面积没有明显的变化，对屈家店泄流没有大的影响。但由于堤防沉降的影响，尤其是老米店以下段左堤，由于堤防加固时间为1992年左右，据现在时间较长，堤防沉降较大，使得安全超高变小。发生100年一遇设计标准洪水，左堤安全超高只有1.07m左右，对泛区的安全行洪形成一定的威胁。泛区右堤东州以下段为1998年加固完成，至2010年，发生设计标准洪水，右堤安全超高为2.25m左右，基本满足行洪要求。

（3）屈家店枢纽。各闸门及地面沉降后，若设计水位不变，屈家店枢纽各闸门泄流能力均有不同程度的增加。新引河闸增加31m3/s，进洪闸增加86 m3/s，北运河节制闸增加62m3/s，详见表6。

4 结语

（1）本文通过对不同时期测量基准点资料及地形图资料对比分析，研究永定河中下游地区沉降趋势，对分析该地区沉降量具有一定的借鉴作用。

（2）永定河泛区1991、2003及2010年3种地形条件下，按国务院批复的永定河洪水调度方案，计算的永定河泛区总的淹没面积均没有发生大的改变，说明各口门分洪受分洪水位及下游潮位的控制。泛区出口屈家店枢纽的流量、水位、行洪流量变化不大，说明地形沉降对整个河系的泄流不会产生大的影响，但堤防沉降造成的超高不足，直接影响河北及天津地区的防洪安全。

（3）堤防沉降对河道行洪能力影响较大，发生100年一遇设计标准洪水，永定河泛区东州以下左堤安全超高仅为1.07 m，达不到50年一遇标准，右堤安全超高为2.25m。建议尽快对泛区老米店以下及永定新河大张庄以下左堤实施复堤工程。

［1］李家星，赵振兴.水力学［M］.南京：河海大学出版社，2001.

［2］海河水利委员会.海河流域永定河系防洪规划报告［R］.天津：海河水利委员会，2008.

The im pact of ground settlem en t on the flood con trol in m idd le and lower reaches of Yongding River

LIU Yan-yan1，LI Zhi-hua1，LIU Yao-feng2，WANG Cheng-yan1
（1.China Water Resources Beifang Investigation，Design and Research Co.Ltd，Tianjin 300222，China；2.ShanxiProvincial Hydrology and Water Resources Survey Bureau，Taiyuan 030001，China）

Ground subsidence is one of the important geological disasters in the plain areas of China.The serious ground subsidence makes the flood control works such as levees and sluices settle synchronously.The ground subsidence of the Yongding River is mainly distributed in the middle and lower reaches，which has reduced the project standard of protection against floods and tides in the Yongding River，weakened the hazard resistant function，and directly influenced the safety of large areas of Tianjin and Hebei province. In order to analyze the impact of ground settlement on the safety of flood discharge in the Yongding River，this paper studies the settlement tendency of the middle and lower reaches of the Yongding River through comparison of the survey reference points in different periods and topographic maps，and checks the flood-carrying capacity in the floodplain of the Yongding Rriver with one-dimensional and two-dimensional nested unsteady flow flood routing mathematical model.

land subsidence；Yongding River p lains；flood control effect

P333

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.01.007

1672-3031（2014）01-0042-07

（责任编辑：王学凤）

2013-04-09

刘艳艳（1981-），女，山西太原人，工程师，主要从事水工设计、结构分析和流域模拟计算等工作。

E-mail：61817116@qq.com

李志华（1980-），男，江苏盐城人，工程师，主要从事流域规划和河道治理等方面的工作。E-mail：4062127@qq.com