地面沉降对大清河系尾闾防洪能力影响研究

周志华

摘要：地面沉降是当今城市化进程中不容忽视的环境地质问题，不但造成水利设施破坏、地下水质和地质环境恶化、标高损失等一系列问题，还会引发城市内涝和河道泄流能力降低，危及城乡防洪安全。选取沉降最严重的大清河系尾闾骨干防洪工程，通过建立一维河网和二维蓄滞洪区衔接数学模型，分别模拟计算地面沉降前1982年和沉降后2010年地形条件下50 a 一遇洪水演进过程，利用特征点水力参数对比统计，分析近30 a地面沉降对区域防洪的影响。研究表明：地面沉降后行洪河道和蓄滞洪区水位明显降低，入海总水量减少，但河道堤防超高大幅减小，区域防洪风险大大增加。

关键词：地面沉降：防洪能力：数值模拟：大清河系

中图分类号：P333

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.06.叭0

1 防洪工程沉降现状

大清河系位于海河流域中部，上游分为南、北两支：北支为白沟河水系，经新盖房分洪道人东淀：南支为赵王河水系，各河均汇人白洋淀，出水经赵王新河、赵王新渠人大清河、东淀。南、北两支在东淀汇集后又纳清南、清北平原沥水，同时纳子牙河、南运河部分来水，大部分洪水由进洪闸经独流减河人海，少部分洪水由西河闸经海河人海。

大清河系尾闾主要指白洋淀以下水系，区内有华北、大港两大油田，京广、京九、津浦三条重要铁路干线贯穿其中，工农业迅猛发展，交通便利，具有发展经济的优越条件。由于长期的水资源短缺，近年来该地区过量开采地下水，加上构造沉降、油气资源和固体矿产资源开发、城市建设等一系列内因和外因，引发地面沉降等环境地质灾害。地面沉降不仅直接造成标高资源损失、水利设施破坏、工程防洪能力和效益降低，同时受下游潮位顶托影响，河道行洪不畅的趋势愈加严重，甚至已经影响了整体的防洪形势，危及防洪安全。本研究利用天津市测绘院20世纪80年代测绘的1：10 000地形图和同期河道断面测绘成果与2012年测绘成果进行对比，分析重点防洪工程沉降情况。

1.1 骨干行洪河道沉降特征

根据地面沉降监测资料[1]，独流减河沿线1985-2012年累计地面沉降量最大为1.7 m，累计沉降量0.8 m以上的河段长度约占全长的88.6%。平均累计沉降量为1.33 m，平均沉降速率为49 mm/a。2012年上游和中游部分河段沉降速率达到70 mm/a，堤防的沉降呈现持续增长趋势。

1.2 重点蓄滞洪区沉降特征

选取大清河系尾闾蓄滞洪区东淀、文安洼、贾口洼、团泊洼、沙井子进行沉降分析，5个蓄滞洪区总面积为3 625.04 km2，不同累计沉降量所占面积统计见表1。

通过蓄滞洪区地形测量数据对比分析，东淀沉降面积覆盖了96.0%的区域，平均累计沉降量为0.76 m，沉降速率为20.54 mm/a，累计沉降1.5 m以上区域主要集中在东部天津市境内：文安洼沉降面积覆盖了88.86%的区域，平均累计沉降量为0.61 m，沉降速率为16.5 mm/a，东南部地面沉降较其他区域更为严重，特别是河北省大城县和天津市静海县的部分区域，局部位置沉降量达2.0 m以上：贾口洼沉降面积覆盖了98.0%的区域，平均累计沉降量为1.12 m，沉降速率为30.1 mm/a；团泊洼沉降面积覆盖了91.72%的区域，平均累计沉降量为1.13 m，沉降速率为56.50 mm/a；沙井子沉降面积覆盖了91.61%的区域，平均累计沉降量为0.86 m，沉降速率为43.47 mm/a。蓄滞洪区最大沉降量达到2.91 m，位于团泊洼。

1.3 重要控制性闸门沉降特征

独流减河进洪闸位于大清河系东淀下游，是大清河、子牙河洪水人海的主要控制T程，进洪闸附近设有（Ⅱ津唐10）基准点。据1965年观测数据[，该基准点的高程为6.889 m（国家85高程，下同）；到1987年，再次引测，该基准点的高程变为6.316 m；2002年开展的基准点高程复测，该点高程为5.436 m；到2010年复测，该点高程为4.958 m。1965-2010年独流减河进洪闸周边累计下沉了1.931 m，平均沉降速率为42.9mm/a。2005年，在对进洪闸进行除险加固中发现，原底板在当初建设时设计高程为1.006 m，加固时变为-1.00 m。

2 防洪调度模型构建

从以上分析可以看出，受区域性地面沉降影响，大清河系尾闾主要河道堤防、蓄滞洪区、控制性闸门都不同程度存在沉降现象，其中线状和面状T程不均匀沉降特征明显。沉降不仅造成防洪工程自身物理破坏、维护费用增加，同时还会影响防洪工程功能和效益的正常发挥，对区域防洪安全造成一定的影响。本研究针对大清河系尾闾骨干防洪工程建立一维河网和二维蓄滞洪区衔接数学模型，分别模拟沉降前、后标准频率下洪水演进过程，利用特征点水力参数对比，分析近30 a地面沉降对区域防洪的影响。研究范围上起新盖房、枣林庄枢纽，下游至人海口，覆盖大清河流域中下游地区，面积约为7 000 km2。研究对象包括骨干河道、大型控制性樞纽及5个蓄滞洪区（东淀、文安洼、贾口洼、团泊洼和沙井子）。

2.1 模型总体设计

根据地形特征和洪水运动规律，将河道与滞洪区分别按照一维和二维非恒定流数学模型进行模拟，模拟区域概化成网格图的形式，取单元网格为控制体，采用多通道、多控制条件、择一锁定方法衔接一、二维模型，实现洪水演进和分洪计算模拟。

2.2研究方法

（1）-维非恒定流基本方程[3]。连续方程为

（4）浅水地面型动量方程的离散。对水深不足0.5 m的网点，动量方程离散为地面型方程。地面型方程主要是用于地面型通道，即通道两侧单元为陆地，且通道上没有堤防等阻水建筑物。考虑到滞洪区内的地形起伏不大，地面洪水较浅时，洪水演进主要受到重力和阻力的作用，保留重力和阻力项的离散方程为

2.3 地形剖分

为模拟分析地面沉降对区域防洪调度的影响，应针对地面沉降前与沉降后的不同年代地形条件，分别建立数学模型，然后针对同一设计频率洪水进行演进计算，通过典型位置水力特征值对比分析地面沉降对防洪调度的影响。首先搭建蓄滞洪区二维模型，利用1982年和2010年区域地形实测资料，运用arcGIS软件提取高程值、DEM数据以及阻水作用明显的交通干线、堤防和居民地分布位置信息，分别进行两个年代蓄滞洪区地形网格剖分：然后利用行洪河道2010年实测断面资料，通过各河道不同河段平均沉降速率推算1982年的河道断面，形成两套不同年代的河道断面数据。

模型应用有限体积法[4]的原理，采用无结构不规则网格将河道、蓄滞洪区分别概化。河道根据河宽分别采用一维线性网格和二维平面网格，蓄滞洪区采用二维平面网格，网格可以是三角形、四边形或五边形，区域内的地形、糙率情况均在各网格中反映，同时对于有明显阻水作用的公路、铁路、堤防等，将其高程概化到网格边界上，统一作为堤防处理。模型中蓄滞洪区划分为5 761个单元，河道划分为148个单元、405个河道断面。蓄滞洪区模型网格划分见图l，河网模型见图2。

2.4 模型边界

模型上边界为新盖房、枣林庄30 d洪水过程线，选用最不利的北支设计洪水、南支相应洪水的组合。其中北支新盖房设计洪水为原设计洪水北支白沟站扣除兰沟洼、大清河（灌溉渠）及白沟引河分泄后的洪水，南支枣林庄洪水为原设计洪水南支十方院扣除白洋淀及向其周边洼淀分洪后的洪水。模型下边界为海河口和独流减河口典型潮位过程。以距独流减河防潮闸以北约30 km的六米站潮位资料为依据，选取1972年7月26日潮位过程为典型潮型。模型上边界流量过程见图3，下边界典型潮位过程见图4。

2.5 模型糙率

糙率是反映地面阻水状况的一个综合参数。大清河系缺乏糙率资料，本次模型计算中，蓄滞洪区糙率参考“96·8”实测洪水资料率定，河道糙率取值参照《大清河系防洪规划报告（2004年）》。蓄滞洪区、河道糙率取值分别见表2、表3。

河道模型断面采用主槽和边滩的综合糙率，计算公式为式中：n为糙率：X为湿周，无下标表示综合糙率，下标z表示主槽值，下标b表示边滩值。

蓄滞洪区模型单元采用分区综合糙率，计算公式为 式中：n_i为各典型区域糙率；A_i为各典型区域面积。

2.6 控制条件

调度原则按照《大清河洪水调度方案》（国汛[ 2008] 11号]：当赵王新渠泄量超过700 m3/s时，扒开任庄子堤埝向东淀分洪。十方院水位达到9.3 m且继续上涨时，运用王村分洪闸向文安洼分洪。王村分洪闸运用后，第六堡水位达到6.44 m且继续上涨威胁天津市区安全时，利用滩里口门向文安洼分洪，当文安洼大赵站水位达到5.94 m且继续上涨时，视洪水情况向贾口洼分洪。当第六埠水位达到6.44 m且继续上涨威胁天津市区安全时，则向贾口洼分洪，当贾口洼八埠站水位达到5.94 m且继续上涨时，视洪水情况向文安洼分洪。独流减河进洪闸汛期全部开启，西河闸控制泄流400 m3/s，防潮闸用闸上、闸下水位差判断闸门开启、关闭时机，当闸上水位高于闸下水位时，闸门开启，否则关闭。

3 沉降对区域防洪影响分析

针对50 a一遇洪水，分别计算沉降前、后地形条件下大清河下游地区洪水演进过程，并从行洪河道水力特征、蓄滞洪区运用情况和总进出水量几个方面分析地面沉降对区域防洪的影响。

3.1 行洪河道水力特征

从行洪河道特征点最高水位对比可以看出，变化最为明显的是第六埠、西河闸上和独流减河进洪闸上，水位下降接近1.00 m。与此同时，从流量上分析，由于进洪闸最大泄量变化不明显，因此人海防潮闸流量变化也不明显。另一方面，从河道自身行洪安全考虑，独流减河左堤为1级堤防，大港电厂（桩号60+687）以上设计超高2.5 m，大港电厂以下设计超高2.0 m。沉降前独流减河左堤超高不足河段达1km，集中在东千米桥附近；沉降后左堤超高不足河段达3 km，行洪河道不同特征点沉降前、后水力特征统计见表4，独流减河沉降前、后沿程水面线变化见图5。

3.2 蓄滞洪区运用情况

从蓄滞洪区运用情况看，沉降后东淀和文安洼最高蓄水位均有所降低，分别降低0.74、0.45 m，但是最大滞洪水量均增加，分别增加0.74亿、3.81亿m3。蓄滞洪区沉降前、后水力特征统计见表5。

3.3 进出水量

从总的进出水量看，人流总量不变的情形下，因蓄滞洪区及河道的最终蓄量增加，2010年地形条件下人海总量较1982年减少了1. 31亿m3。沉降前、后洪水进出水量统计见表6。

3.4 防洪影响综合分析

区域性地面沉降现象的发生，导致行洪河道和蓄滞洪区特征点水位均大幅下降。以大清河系防洪调度控制性节点第六埠为例，50 a一遇洪水条件下沉降后水位较沉降前下降0.97 m，下降比率为3.2%。蓄滞洪区特征点最高水位下降规律与第六埠基本一致，进洪闸最大泄量地面沉降后基本无变化，行洪河道和蓄滞洪区蓄水总量增加，人海水量减少1. 31亿m3。从大清河系主要泄洪通道独流减河的行洪安全情况考虑，地面沉降后独流减河的左堤超高大幅减少，50 a-遇洪水条件下，左堤超高减少0.82 m，河道行洪风险大大增加。

4 结论

（1）大清河系尾闾地区地面沉降非常严重，沉降具有普遍性、不均匀性、不可逆等特点。骨干行洪河道、重点蓄滞洪区、控制性闸门都不同程度存在地面沉降现象，其中独流减河1985-2012年平均累计沉降量为1.33 m，蓄滞洪区最大沉降量为2.91 m。

（2）通过建立一维河网和二维蓄滞洪区衔接数学模型，对地面沉降前（1982年）、沉降后（2010年）50 a一遇洪水条件下大清河系尾閭洪水演进过程进行了模拟，并分析了区域性地面沉降对防洪形势的影响。地面沉降后虽然河道和蓄滞洪区的水位降低了，但是河道与蓄滞洪区堤防也在同步降低，同时加上下游潮位顶托的影响，沉降后堤防超高平均减少0.82 m，左堤超高不足河段较沉降前增加2 km，加剧了区域防御洪水的风险。

参考文献：

[1] 天津市控制地面沉降工作办公室.2012年度天津市地面沉降年报[R].天津：天津市控制地面沉降工作办公室，2013：24.

[2] 海河水利委员会海河下游管理局.五闸枢纽垂直位移观测及分析报告[R].天津：海河水利委员会海河下游管理局，2009：17.

[3]李大鸣，林毅，徐亚男，等.河道、滞洪区洪水演进数学模型[J].天津大学学报，2009，42（1）：47-55.

[4] 肖玉红，李大鸣，白玲，等.蓄滞洪区洪水演进过程数值模拟及洪灾损失分析[J].中国农村水利水电，2012（ 12）：