山洪沟道防冲建筑物壅水风险评估模型及应用

郭立兵 田福昌 曹鲁赣 苑希民

摘要：为合理评价山洪沟道防冲建筑物壅水风险，基于Saint-Venant方程组和Villemonte堰流公式，构建了防冲建筑物壅水风险评估水动力模型。根据防冲建筑物的实际情况和设计要求，将防冲建筑物概化为薄壁堰。将该模型应用于防冲建筑物分布密集的宁夏北武当沟，分析评估梯级防冲坎壅水风险，并提出优化措施建议。计算结果表明：所建模型能够较精确地模拟山洪演进过程和防冲建筑物壅水风险，充分体现了防冲建筑物的阻水效果。研究成果对沟道山洪的精细仿真模拟与风险评估具有一定参考价值。

关键词：山洪模拟；防冲建筑物；壅水风险评估；Villemonte堰流公式；北武当沟

中图分类号：TV131.2 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.010

為了满足河道的抗冲刷要求，通常会在河道中修建防冲坎等防冲建筑物。防冲建筑物减小了河道过流断面面积，并增大局部水头损失，导致河道水流情况更加复杂。山洪暴发时，防冲建筑物前水位壅高，将对沿岸防洪产生诸多不利影响，合理评估山洪沟道溢流防冲建筑物壅水风险是十分必要的。

近年来，相关学者针对河道—维水动力模型的研究较多，成果颇丰。M.A.Nassar[1]利用一维SOBEK模型，模拟了灌溉改造工程对河道水位的影响；N.Pra-manik等[2]在缺少河道实测断面数据的情况下，利用卫星遥感影像建立了MIKE11模型，所建模型能够较精确地模拟印度Brahmani河流的洪水演进过程；Zhang X.等[3]提出了一种潮汐作用的表达式，并将潮汐作用表达式与Saint-Venant方程组结合，模拟了潮汐作用对洪水演进的影响；朱茂森[4]将河道—维模型应用于辽河流域的水质计算，模拟了水体污染物的迁移、扩散和衰减过程；郝红升等[5]构建了一维水动力模型，分析了电站排水及水库泄水对河流水环境的影响。虽然河道—维水动力模型已得到较多应用，但其在河道防冲建筑物壅水风险评估中的应用研究比较少见。

本研究基于Saint-Venant方程组和Villemonte堰流公式，以宁夏北武当沟为研究对象，建立山洪沟道防冲建筑物壅水风险评估的一维水动力模型，将防冲建筑物概化为薄壁堰，重点分析梯级防冲坎对沟道洪水演进过程的影响，评估防冲建筑物壅水风险，并提出减灾优化措施建议。

1 模型原理

1.1 沟道—维水动力模型

沟道—维水动力模型是基于Saint-Venant方程组建立的，并利用Abbott六点隐式格式[6-7]求解该方程组，Saint-Venant方程组[8]如下：式中；B为沟道过流横断面宽度；z为沟道水深；Q为沟道总流量；q为沟道单宽旁侧流量；t为时间；s为间距坐标；g为重力加速度；A为沟道过流横断面面积；i为沟底坡降；R为水力半径；C为谢才系数。

1.2 防冲建筑物概化与Villemonte堰流公式

针对防冲坎等防冲建筑物，在一维水动力模型中，可以利用局部水头损失的能量方程计算过流量[9]，也可以利用一些相对简单的公式进行计算，比如Villemonte堰流公式[10]。Villemonte堰流公式适用于在淹没出流情况下薄壁堰的流量计算。在宁夏北武当沟研究区段内，沟道防冲坎采用铅丝笼水平护脚，防冲坎顶部厚度为0.4m，防冲坎顶部厚度和坎顶水头的关系通常满足薄壁堰条件；防冲坎位于河道底部，坎顶高程和下游水位的关系通常满足淹没出流条件[11-12]。根据沟道防冲坎的实际情况和设计参数，本研究将防冲建筑物概化为薄壁堰。Villemonte堰流公式为式中：Qs为防冲建筑物顶部过流量；a为流量系数；W为堰顶宽度；Hu与Hd分别为防冲建筑物上游和下游水位；Hw为堰顶高程。

2 应用实例

2.1 研究区概况

选择防冲建筑物分布密集、具有代表性的宁夏北武当沟为研究对象。北武当沟位于宁夏石嘴山市大武口区，由归德沟、韭菜沟汇合而形成。研究区段位于煤机铁路专用线3#桥和大武口拦洪库之间。研究区段内沟道总长7.2km，最大宽度457m，最小宽度100m，平均比降0.71%，堤防全部为土堤，临、背河坡比均为1：6。该区段防冲建筑物分布密集，共设置3座梯级防冲坎。北武当沟地处石嘴山市，该地区为宁夏两大暴雨中心之一，流域内水土流失严重，山洪暴发频繁（多出现在7-8月）。频发的山洪极有可能导致防冲建筑物处发生洪水漫溢，威胁两岸安全。针对该河段构建防冲建筑物壅水风险评估水动力模型，分析梯级防冲建筑物的壅水风险以及防冲建筑物对洪水演进的影响。研究区域位置见图1。

2.2 防冲建筑物壅水风险评估模型建立

2.2.1 河网概化与主要参数设置

北武当沟模拟范围为煤机铁路专用线3#桥至大武口拦洪库（中域），沟道全长7.2km。为了使模拟结果更加符合实际情况，利用沟道实测断面数据，在防冲建筑物前后及沟道蜿蜒曲折的区域，对沟道断面进行内插加密处理，加密之后壅水模型共设置124个沟道断面，其中沟道实测断面97个。沟道糙率是对沟道模型精度影响较大的参数，查阅相关地区资料[13]，设定北武当沟沟道综合糙率为0.035。综合考虑模型稳定及运算效率等多种因素，设定北武当沟一维水动力模型计算步长为10s。

2.2.2 防冲建筑物概化处理

因北武当沟上段较陡，不能满足沟道抗冲刷要求，故结合城市功能区需要和沿线工程地质情况，在比降较大、存在安全隐患的重点沟段设置了3座防冲坎，分段调整比降。防冲建筑物顶部厚度较小，根据防冲建筑物的实际情况和设计参数，在壅水风险评估模型中，考虑防冲建筑物的阻水作用，将防冲坎概化为薄壁堰。

根据实测断面资料进行整编处理，模型内防冲建筑物参数设置见表1，1号防冲坎处沟道横断面见图2。

2.2.3 边界条件确定

模型上游控制边界条件为煤机铁路专用线3#桥断面设计洪水过程。北武当沟并无水文测站长期监测资料，考虑该区域暴雨洪水特性，根据区域暴雨洪水资料[14]，利用设计暴雨推求北武当沟设计洪水，采用地区均衡法得到3#桥断面100a—遇设计洪水过程，见图3。

模型下游控制边界为大武口拦洪库入库断面（见图4），控制出流条件为该断面水位一流量关系。采用曼宁公式推求入库断面水位一流量关系，断面比降为0.0071、糙率为0.035，推求结果见图5。

2.3 山洪计算结果与风险评估建议

2.3.1 沟道洪水计算结果

根据所建北武当沟沟道—维水动力模型，考虑梯级防冲坎壅水作用，模拟北武当沟100a—遇洪水演进过程，推算各断面水位、流量等，提取河道计算断面最高水位，连接各断面最高水位，绘制河道最高水面线，见图6。

由图6可知，在100a—遇洪水情况下，北武当沟洪水最高水位低于两岸堤顶高程，但3座防冲坎壅水作用尤為明显，最高壅水水位接近堤顶高程。如遇超百年稀遇洪水，则应特别注意洪水漫溢淹没影响，潜在风险较大。

2.3.2 防冲建筑物壅水风险分析

由北武当沟溢流防冲建筑物壅水风险评估模型计算结果可知，防冲建筑物很大程度上影响了沟道行洪，导致沟道水位壅高。经统计，北武当沟100a—遇洪水防冲建筑物壅水水位见表2。

当北武当沟遭遇100a—遇洪水时，1号防冲坎最高水位1106.75m，距左堤顶2.23m，距右堤顶2.56m，沟道最大水深3.95m，坎前最大壅水高度2.75m；2号防冲坎最高水位1105.70m，距左堤顶0.23m，距右堤顶0.20m，河道最大水深3.98m，坎前最大壅水高度2.78m；3号防冲坎最高水位1103.67m，距左堤顶0.95m，距右堤顶0.93m，沟道最大水深4.07m，坎前最大壅水高度2.87m。1、2、3号防冲坎顶部厚度分别是最大坎顶水头的0.15倍、0.14倍、0.14倍，顶部厚度小于0.67倍坎顶水头，防冲坎顶部厚度和坎顶水头的关系满足薄壁堰条件，验证了将防冲建筑物作为薄壁堰处理的合理性。分析可知，防冲建筑物壅水效果较为明显，壅水高度较大，导致沟道行洪能力减弱，将对两岸堤防安全和沿岸防洪等产生不利影响。虽然坎前最高水位未超过堤顶高程，但防冲建筑物处水位与堤顶接近，属防汛重点关注位置。

2.3.3 沟道防冲建筑物优化措施建议

由山洪计算结果和防冲建筑物壅水风险分析结果可知，防冲建筑物减小了沟道过流断面面积，壅水抬升作用较为明显，导致沟道行洪能力减弱。根据沟道防冲建筑物的水位、流量等，从降低防冲建筑物壅水风险角度提出以下几点优化措施建议：①在山区沟道满足抗冲刷要求的条件下，应尽可能避免或减少防冲坎等防冲建筑物，包括防冲建筑物的数量和规模；②为了减弱防冲坎的阻水效果和减小衔接处上下游水位差，防冲坎坎顶石料宜采用斜面石；③因防冲坎壅水水位接近堤顶高程，故为了避免堤防在长期高水位作用下发生流土、管涌和溃堤等险情，对防冲建筑物处的两岸堤防应进行加高、加固处理，并在迎水坡面设置混凝土防渗墙、防渗斜板及防渗趾墙；④为了避免超百年稀遇洪水造成洪水漫溢，可在防冲建筑物的某一侧或两侧修建适当的导洪堤，导洪堤结构可采用浆砌石重力式直墙。3结语

为了合理评估沟道防冲建筑物壅水风险，基于Saint-Venant方程组和Villemonte堰流公式，建立了适用于模拟防冲建筑物雍水过程的一维水动力模型。针对沟道防冲建筑物的过流特点，将防冲建筑物概化为薄壁堰。模型应用于防冲建筑物密集的宁夏北武当沟防冲坎壅水分析，结果表明：在100a—遇洪水情况下，防冲建筑物壅水效果明显，壅水高度较大，防冲建筑物处水位距堤顶较近，导致沟道行洪能力减弱，设置防冲建筑物的沟段属防汛重点关注位置。从降低防冲建筑物塞水风险角度提出了几点优化措施建议，所建模型适用于评估山洪沟道防冲建筑物的壅水风险，也可用于沟道山洪演进过程的精细仿真模拟。

参考文献：

[1]NASSARm A.One Dimensional Hydrodynamicmodel Simu-lating Water Stage in Open Channels（WS-1）[J].Interna-tional Journal ofmodeling Simulation&ScientificComputing，2010，1（2）：303-316.

[2]PRAMANIK N，PANDA R K，SEN D.One DimensionalHydrodynamicmodeling of River Flow Using DEM ExtractedRiver Cross-Sections[J].Water Resourcesmanagement，2010，24（5）：835-852.

[3]ZRANG X，BAO W，QU S，et al.One Dimensional Hydro-dynamicmodel Accounting for Tidal Effect[J].HydrologyResearch，2012，43（1-2）：113-122.

[4]朱茂森.基于MIKE11的辽河流域一维水质模型[J].水资源保护，2013，29（3）：6-9.

[5]郝红升，李克锋，庄春义.关于河道—维非恒定流水温预测模型的研究[J].四川大学学报（自然科学版），2005，42（6）：1189-1193.

[6]ABBOTT M B.Computational Hydraulics：Elements of theTheory of Free Surface Flows[M].London：Pitman，1979：31-46.

[7]ABBOTT M B，IONESCU F.On the Numerical Computationof Nearly Horizontal Flows[J].Journal of Hydraulic Re-search，1967，5（2）：97-117.

[8]苑希民，薛文宇，冯国娜，等.溃堤洪水分析的一、二维水动力耦合模型及应用[J].水利水电科技进展， 2016，36（4）：53-58.

[9]衣秀勇.DHI MIKE FLOOD洪水模拟技术应用与研究[M].北京：中国水利水电出版社，2014：55-61.

[10]TULLIS B P，YOUNG J C，CHANDLERm A.Head-Dis-charge Relationships for Submerged Labyrinth Weirs[J].Journal of Hydraulic Engineering，2007，133（3）：248-254.

[11]彭儒武，李保栋，王青，等.矩形薄壁堰贴壁堰流试验研究[J].山东农业大学学报（自然科学版），2002，33（2）：197-202.

[12]高学平，张效先.水力学[M].北京：中国建筑工业出版社，2006：236-242.

[13]宁夏回族自治区水利厅.石嘴山市大峰沟治理工程初步设计报告[R].银川：宁夏水利厅，2014：43-65.

[14]宁夏回族自治区水文总站.宁夏回族自治区暴雨洪水图集[M].银川：宁夏回族自治区水文总站，1986：35-56.