黄庄洼蓄滞洪区洪水演进数值模拟研究

2015-12-15杨丽萍周志华刘海涛

海河水利 2015年1期

关键词：围堤分洪滞洪区

杨丽萍，周军，周志华，刘海涛

（1.天津市水利科学研究院，天津300061；2.天津市北三河管理处，天津301800）

黄庄洼蓄滞洪区洪水演进数值模拟研究

杨丽萍1，周军2，周志华1，刘海涛2

（1.天津市水利科学研究院，天津300061；2.天津市北三河管理处，天津301800）

建立了潮白新河、永定新河及黄庄洼蓄滞洪区联合调度的一、二维耦合水动力学模型，模拟计算了20年一遇、50年一遇设计洪水在蓄滞洪区的演进过程，分析了蓄滞洪区淹没面积、蓄水量的变化过程。此项研究可为蓄滞洪区防洪工程建设、土地利用、分洪决策等提供有益的参考。

蓄滞洪区；一、二维水力学耦合模型；洪水演进；数值模拟

1 区域概况

黄庄洼蓄滞洪区位于潮白新河下游左侧，是潮白新河综合防洪体系的重要组成部分，总面积353.8 km2，涉及天津市2个县、7个乡、131个村。2013年洼内共有人口7.67万人，耕地面积1.88万hm2，社会资产总值44.40亿元。1949—1969年，黄庄洼蓄滞洪区曾运用13次，运用机遇为5年一遇。黄庄洼采取分区运用局部控制原则，运用原则为：当潮白新河遇20年一遇及以下洪水，黄庄洼分洪闸闸上洪峰流量达到2 160 m3/s或闸上水位达到6.7 m且水势继续上涨时，运用分洪闸向黄庄洼分区滞洪围堤分洪；当潮白新河遇超过20年一遇洪水时，启用滞洪围堤的南、北分洪口门和南、北退水闸向黄庄洼Ⅰ区分洪，当Ⅰ区水位达到3.0 m（黄海高程）且水势继续上涨时由Ⅰ区口门向Ⅱ区分洪。

2 洪水演进模型的建立

2.1 基本控制方程

（1）一维非恒定流基本方程包括水流连续方程和动力方程。

连续方程为：

动力方程为：

式中：A为过水断面面积（㎡）；Q为流量（m3/s）；q为直流入流单宽流量（m3/s）；n为糙率系数；R为水力半径（m）；Z为水位（m）；g为重力加速度（m/s2）；x为距离（m）；t为时间（s）。

（2）二维非恒定流基本方程包括水流连续方程和动量守恒方程。

连续方程为：

动量守恒方程为：

式中：H为水深（m）；Z为水位（m），Z=Z0+H，Z0为底高程；q为源汇项（m3/s）；M，N分别为x，y方向上的单宽流量（m3/s），且M=Hu，N=Hv；u，v分别为x，y方向上的平均流速（m/s）；n为糙率系数；g为重力加速度（m/s2）；t为时间（s）；h为水位（m）。

2.2 模型基本设置

（1）基础资料。河道断面资料采用天津市水利科学研究院2005—2010年的测量成果。蓄滞洪区地形资料采用天津测绘院2010年1：10 000电子地图，西安1980大地坐标系，高程基准为1985国家高程。

（2）计算区域及离散。一维洪水演进模型的计算范围为潮白新河、永定新河组成的河网，潮白新河为上游吴村节制闸至下游宁车沽闸，计算河段约98 km；永定新河为上游屈家店站至下游永定新河防潮闸，计算河段约66 km。引泃入潮、青龙湾减河、北京排污河、金钟河、蓟运河均以点源形式汇入河网。计算河网采用一维河道结点进行离散。

二维模型模拟范围为黄庄洼蓄滞洪区，计算区域边界包括潮白新河左堤、蓟运河右堤、北围堤、箭杆河右堤、西关引河。计算区域采用非结构网格离散，全局采用最大面积为10万m2的网格，最终生成的网格文件共有5 791个网格单元、3 132个节点。

基于一维河网模型中分洪闸、分洪口门的虚拟河道位置信息，采用标准连接（Standard Links）形式，在Mike Flood耦合平台上将二维地表漫流模块和一维河网模块连接起来，构成耦合模型，如图1所示。

图1 MIKE Flood耦合模型

（3）边界条件。模型上游流量边界为潮白新河吴村闸闸下20年一遇、50年一遇设计洪水过程及永定新河屈家店闸下20年一遇、50年一遇设计洪水过程，模型下游水位边界采用2012年7月11日0时—7月24日0时的实测潮位过程，如图2—4所示。

图2 吴村闸闸下20、50年一遇设计洪水过程

图3 屈家店闸下20、50年一遇设计洪水过程

图4 2012年7月11—24日实测潮位过程

（4）初始条件。一维河网的初始条件设定为各闸门目前采用的汛限水位值，即里自沽闸上为1.343 m、宁车沽闸上为0.01 m、永定新河防潮闸上为-0.816 m。二维蓄滞洪区的初始条件为网格地面高程，水深为零，流速为零。

（5）模型糙率。对于河网，利用2012年汛期实测资料进行率定，率定结果为：潮白新河香河桩号17+000至潮白河桩号43+000河段主河槽糙率为0.022 5，滩地糙率为0.040；其余河段主河槽糙率为0.022 5，滩地糙率为0.025。永定新河桩号0+0—66+000河段主河槽糙率为0.022 5，滩地糙率为0.030。对于蓄滞洪区，根据黄庄洼蓄滞洪区的土地利用状况，综合确定糙率为：农田n=0.05，树丛n= 0.07，村庄n=0.10。

3 计算成果

3.120 年一遇洪水

3.1.1 洪水演进过程分析

该方案下，黄庄洼分洪闸的泄流洪峰流量为1 060 m3/s，分洪量为4 234万m3。洪水从分洪闸进入分区滞洪围堤，从零时刻起算，经过111 h到达围堤北分洪口门、111.5 h到达南分洪口门、112.5 h到达北退水闸处、113.5 h到达南退水闸处、137 h围堤内达最高水位4.56 m，此后由于潮白新河上游来水减少，分洪闸闸门关闭，围堤水位不再增加。因此，该方案下，未达到分区滞洪围堤向Ⅰ区分洪的运用控制条件4.66 m，分区滞洪围堤工程可以容纳全部洪水。洪水演进过程，如图5所示。

图5 20年一遇洪水演进过程

3.1.2 淹没面积及蓄水量分析

该方案下，蓄滞洪区的最大淹没面积为11.67km2，最大蓄水量为4 233.6万m3。淹没面积过程曲线如图6所示，蓄水量过程曲线如图7所示。

图6 蓄滞洪区淹没面积过程

图7 蓄滞洪区蓄水量过程

3.250 年一遇洪水

3.2.1 洪水演进过程分析

该方案下，黄庄洼分洪闸的泄流洪峰流量为1 360 m3/s，分洪量为17 366.7万m3。从零时刻起算，洪水经过112.5 h到达围堤北分洪口门、114 h到达南分洪口门、133.7 h围堤内水位达到分洪口门顶高程4.66 m，此后由于潮白新河水位继续上涨，启用南、北分洪口门和南、北退水闸向黄庄洼Ⅰ区分洪。138.3 h后围堤内达最高水位5.215 m，此后上游来水减少，黄庄洼分洪闸闸门关闭，围堤水位逐渐降低，至201.5 h退至4.655 m。任庄闸处水位逐渐抬升，至210 h后水位值为2.742 m，并未达到Ⅰ区向Ⅱ区分洪的运用控制条件2.971 m。因此，该方案下黄庄洼蓄滞洪区只启用了分区滞洪围堤和Ⅰ区。洪水演进过程，如图8所示。