基于分滞洪工程的中小河流洪水风险研究

2018-05-04冯国娜徐国鑫薛文宇

陕西水利 2018年2期

冯国娜，徐国鑫，薛文宇

（1.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西西安 710100；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安 710065）

0 前言

宁夏位于黄河流域，主要洪水灾害来源于黄河，大量学者对黄河宁夏段的洪水进行了研究。王新军等人研究了黄河宁夏段2012年洪水成因、特点[1]，并利用实测资料，分析了此次洪水对河道河势的影响[2]。田福昌建立动态耦合水动力模型，模拟黄河溃堤洪水风险[3]。由于特殊的地形地貌，宁夏还存在大量中小河流，近年来，虽进行了一些规划整治，张建保等人也提出了关于宁夏中小河流治理的研究[4]，但河道行洪能力偏低，部分河段冲刷严重等问题仍不容忽视，洪水灾害威胁着人民群众生命财产安全。

小河是苦水河右岸一条较大支流，发源于贺坊村，于吴忠市太阳山开发区大河台汇入苦水河，流域面积603 km2，河长50.9 km。太阳山开发区段地处小河下游改道段至暖泉湖，面积557 km2，开发区依托丰富的资源优势，全力打造全国一流循环经济示范基地。

苦水井分洪区和暖泉湖为太阳山开发区防洪体系的组成部分，如图1所示，苦水井为分洪工程，暖泉湖为滞洪设施。小河来水经苦水井分洪后，其余洪水通过滚水堰下泄，小河与苦水河洪水在大河台汇合，注入暖泉湖，暖泉湖滞蓄后经由西环路泄入苦水河。

根据防洪调度方案，小河河道可承担近10年一遇洪水，下游段10~50年一遇洪水由苦水井分洪区进行分洪。在超标准洪水下，考虑分滞洪工程，小河下游改道段洪水来源为上游河道洪水，易发生洪水漫溢；苦水河与小河汇合口以下（暖泉湖）洪水来源为小河苦水河叠加洪水，存在入湖洪水超高风险。因此，小河洪水严重威胁太阳山开发区的安全。

图1 太阳山开发区防洪工程图

本文考虑分滞洪工程条件下，小河遭遇100年一遇洪水，对小河防洪保护区进行洪水风险分析，包括盐环八干渠渡槽至汇合口两岸区域和汇合口至暖泉湖区域，分析太阳山开发区段小河河道漫溢和暖泉湖入湖洪水风险。

1 洪水分析模型

1.1 模型原理

针对小河防洪保护区洪水分析计算需求，本文将一二维水动力模型进行动态耦合，模拟河道和保护区内的洪水演进情况。

（1）一维水动力模型

其中：q为旁侧流量，Q为总流量，S为距离坐标，V为断面平均流速，h为水深，A为过水断面面积，i为渠底坡降，Jf为摩阻坡度。通过利用Abbott六点隐式格式离散上述方程组，在每一个网格节点按顺序交替计算水位和流量，采用大步长计算以节省计算时间。

（2）二维水动力模型

连续方程：

动量方程：

式中：H为水深；Z为水位；q为连续方程中的源汇项；M与N分别为x和y方向的垂向平均单宽流量；u和v分别为垂向平均流速在x与y方向的分量；n为曼宁糙率系数；g为重力加速度。

采用单元中心的显式有限体积法离散求解模型方程，保证了水量和动量在计算域内守恒。利用干湿网格判断法处理潮滩移动边界，方便快捷。

（3）一、二维耦合模型

一、二维耦合模型，先通过计算一维模型得到耦合边界上下游断面的水位值，并将水位值传递到二维模型；然后再通过二维模型的计算，得到耦合边界的流量值，并以旁侧入流的方式传递给一维模型[5]。

1.2 设计洪水计算

小河遭遇100年一遇洪水，考虑工程条件，苦水井参与分洪，滚水堰下泄其余洪水，因此，滚水堰下泄洪水过程为设计洪水过程。通过建立小河一维水动力模型，计算苦水井分洪过程和滚水堰下泄洪水过程。

1.2.1 模型构建

对小河14.797 km河段和苦水井分洪沟2.1 km河段建立一维水动力模型，模型上边界为小河天然条件下100年一遇设计洪水过程，洪峰流量为444 m3/s；下边界为小河桩号14+797处（苦水河小河汇合口）断面和分洪沟桩号2+100处断面的水位~流量关系。

根据《宁夏苦水河防洪治理工程2012年建设项目太阳山开发区段防洪工程可行性研究报告》论述，设定小河综合糙率为0.022，分洪沟综合糙率为0.025，设定计算步长为1s。

1.2.2 特殊处理

滚水堰位于河道桩号XH-0+788处，采用宽顶堰结构，过水断面分上下两部分，都为梯形，下部低口堰，堰顶高程1369.81 m，底宽0.5 m，开口宽1.0 m；上部高口堰，堰顶高程1374.5 m，底宽6.86 m，开口宽18.25 m，最大堰高10.49 m，总堰长76.95 m，二者共同承担洪水流量。模型中于河道上设置水工建筑物，设置宽顶堰过水尺寸，考虑滚水堰对河道洪水的影响。

1.2.3 计算结果

根据模型计算结果，当小河遭遇100年一遇洪水时，滚水堰最大下泄流量为188 m3/s；分洪沟最大分洪流量为256 m3/s，分洪历时3.75 h。提取滚水堰下泄洪水过程，作为小河工程条件下100年一遇设计洪水过程。

1.3 模型构建

1.3.1 建模范围

采用水力学洪水分析方法，建立小河河道一维模型，同时对保护区建立二维模型，耦合一、二维水力学模型，模拟洪水演进过程。小河河道一维模型范围为盐环八干渠渡槽至汇合口；防洪保护区二维模型范围为河道两岸区域和汇合口至暖泉湖区域。

图2 建模范围示意图

1.3.2 边界条件

（1）一维模型边界条件

上边界条件为小河工程条件下100年一遇设计洪水过程，即滚水堰下泄洪水过程，最大下泄流量为188 m3/s；下边界为苦水河小河汇合口，与二维保护区进行动态耦合连接。

（2）二维模型边界条件

河道两侧二维模型边界作为模型开边界处理。河道一维模型为计算区二维模型实时提供水位值，作为固定时间步长内二维模型的入流条件。模型内部边界，考虑的主要线状地物包括：S203、S304、暖泉路、西环路。

1.3.3 河道断面设置与网格剖分

整编处理已收集河道断面数据，根据河道实际宽度及其蜿蜒曲折情况，对河道断面内插加密处理。本文小河研究河段长度为12.5 km，共设置66个断面。

小河防洪保护区二维模型形成网格数15.6万个，最小网格面积100 m2，最大网格面积2000 m2，计算总面积196 km2。

1.3.4 模型参数确定

一维水动力模型中设定小河河道综合糙率为0.022，计算步长为1s。根据《水力计算手册（第二版）》，并参照其他类似区域确定保护区综合糙率值为0.06，最大计算步长为10 s，最小计算步长为0.01 s。采用侧向连接的耦合连接方式，实现一二维水动力模型的耦合，实时耦合计算河道洪水漫溢淹没风险。

2 洪水风险分析成果

2.1 漫溢分流分析

根据一维水动力模型计算结果，小河下游右岸处出现洪水漫溢现象，漫溢处位于设计桩号13+291（盐湖分洪口）。该断面左岸高程为1350.73 m，右岸高程为1349.08 m，河道最高水位为1349.59 m，超过右岸堤顶高程0.51 m，洪水漫过右岸，漫溢历时约2 h。漫溢处上游河道最大流量174 m3/s，下游河道最大流量144 m3/s，漫溢洪水洪峰流量为30 m3/s，漫溢水量为8.44 万 m3。

2.2 防洪保护区洪水淹没分析

洪水由漫溢处进入二维平面计算区域，演进2 h，漫过太阳山车管所，洪水前锋到达S203，受到道路阻挡，演进3 h趋于稳定，路前最大积水深0.25 m，淹没面积0.52 km2。由于淹没区内没有农田，且不涉及企事业单位，淹没水深大部分在0.5 m以下，太阳山开发区受小河洪水漫溢，淹没风险较小。

2.3 暖泉湖风险分析

苦水河与小河洪水在大河台汇合后，进入暖泉湖，暖泉湖为滞洪设施，威胁太阳山开发区安全。根据一维计算结果，提取小河（汇合口）洪水流量过程，与苦水河洪水错时1h叠加。经计算，工程条件下，苦水河小河汇合口100年一遇洪峰流量为299 m3/s。

苦水河小河洪水汇合后进入暖泉湖2#湖区，再部分洪水由3#过水路面泄入3#湖滞蓄，另一部分由2#过水路面泄入1#湖，经1#湖滞蓄后由1#过水路面排入苦水河。对工程条件下入暖泉湖洪水进行调洪演算。

2#湖起调水位1342.6 m，初始水量2.3万m3，入2#湖洪峰流量299 m3/s，最大下泄流量292 m3/s，最大存水量为34.1万m3，相应水位1344.62 m。

1#湖起调水位1342.6 m，初始水量114.48万m3，入1#湖洪峰流量190 m3/s，最大下泄流量为66.6 m3/s，最大存水量为217.78万m3，相应水位1343.6 m。

3#湖起调水位1342 m，初始水量41.2万m3，入3#湖洪峰流量102 m3/s，无下泄，最大存水量为116.94万m3，相应水位1342.62 m。

2#湖西堤(暖泉路)路面和2#湖与3#湖中间隔堤均已加高至1344.8 m，2#湖最高水位为1344.62 m；暖泉路、西环路路面和周边地面高程为1344.0 m，1#湖最高水位1343.6 m，3#湖最高水位1342.62 m。经过高程对比分析，暖泉湖入湖并未超高，但由于洪水接近暖泉路和西环路路面，洪水期间建议禁止人员通行。