刍议如何确定城市防洪内圈堤高程

(安徽省水利水电勘测设计院，安徽合肥230088)

改革开放以来，中国城镇化进程发展迅速，以城镇人口比例统计，1981年中国城镇化率仅为20.16%，而2017年达到了58.52%。随着城镇化进程不断加快，城市范围不断扩大，普遍超出了原有城市防洪设施的保护范围，大部分新城区无防洪设施，且随着城市经济实力的不断发展，可能的受灾损失也在急剧上升，城市防洪设施建设滞后的现状与城镇化快速的建设已发生了严重冲突，城市防洪风险呈不断上升趋势[1-3]。

城市防洪圈堤体系的建设是沿河湖城市安全与发展保障基础，面对城市防洪的新问题，城市的防洪圈堤随着城市规划范围不断增加而调整。多年来的防洪工程建设，在综合规划、防洪规划中均有明确的治理方案与标准，抵御外河洪水方案研究较多，城市靠河侧外圈堤高程均有系统研究[4-6]。对于城市内圈堤高程的确定，目前在城市防洪规划中处理方式较为粗放，一般存在2种建设方案：①由于防洪标准就高不就低的原则，直接采用外河的设计洪水位加堤顶超高，整个防洪圈堤同高；②在城市外圈范围，结合外环道路等工程建设，地面高程基础上加一定超高或直接采用城市内河堤防高程。

对于第一种建设方案，在城市范围较小时采用较多，但随着城市面积增加，城市圈堤长度必然增加，若城市圈堤建设标准过高，不仅工程量大，投资高，在增加了地区社会经济负担的同时，过高的内圈堤也会破坏了城市景观。现今由于城市范围迅猛扩大，大多采用第二种建设方案，但城市上下游的外河堤防防洪标准一般低于城市段堤防，因此当外河上下游防洪标准不足而发生外河溃口洪水时，由于内圈堤建设标准不足，洪水会越过外环道路或内河低标准堤防，城市洪水风险较大。为满足新时期城市防洪规划的需要，建设合理的城市防洪内圈堤体系，笔者以较为典型的安徽省蒙城县城市内圈堤高程确定为例，对如何确定城市防洪内圈堤高程进行了实际研究和探索，以期为广大规划设计人员和决策者提供参考。

1 研究区概况

蒙城县位于安徽省淮北平原中南部，东经116°15′43″～116°49′25″，北纬32°55′29″～33°29′04″之间，东邻怀远，西接涡阳、利辛，南靠凤台，北依濉溪，规划外环内城市建设区域面积为105.5 km2，规划至2020年建成区为45万人。

蒙城县城市建成区外河为涡河，涡河发源于河南省黄河南岸的开封，全长380 km，流域面积15 905 km2，是淮北平原的骨干排水河道之一，安徽省境内下游河道比降较缓，亳州至蒙城段河道洪水比降约为万分之一，蒙城以下河道洪水比降约为1/20000。蒙城县境内涡河长56 km，流域面积671 km2，主槽宽200～300 m，滩地宽100～200 m，平槽流量约1 600 m3/s。

蒙城县属暖温带半湿润季风气候，多年平均气温14.8℃，根据实测资料统计，区域多年平均降雨量820 mm。降雨年内变化较大，汛期6—9月份降雨量占全年降雨量的70%以上，其中7月份降雨量占汛期降雨量约40%，极端情况下7月份降雨量可占汛期雨量的60%以上，占全年的50%左右(如1965年)。区域降雨年际变幅亦较大，最大与最小年降雨量比值达3倍。

2 洪源及溃口分析

蒙城县城区位于涡河下游，涡河穿越城区，将城区分为南、北两部分，城区内还有数条支流大沟：阜蒙新河、长流沟、白洋沟、孙沟等，大部分大沟均汇入涡河，城区可能的外河洪水来源主要为涡河溃口洪水。涡河现状设计洪水标准为20年一遇，考虑蒙城县城防洪标准为50年一遇，本次涡河洪水量级采用50年一遇，涡河易受淮河干流洪水顶托影响，洪水遭遇采用淮河干流1954年型100年一遇设计洪水。

涡河溃口位置选择按照不利、关注、可能等原则筛选。不利和关注的原则主要是考虑涡河溃口洪水对城市防洪安全风险最大，即溃口越是靠近城区段，对城市防洪安全风险越大。可能的原则主要是结合防汛调度原则，堤防历史险工险段、迎流顶冲和窄滩段等因素综合考虑[7]。考虑到涡北区与涡南区地形特点相似，而涡北区面积较小，本次选择涡南区为研究范围，根据溃口位置筛选原则，在涡河右堤蒙城县城段上、下游分别设定王寨溃口和葛庄溃口，各处均为颍河等迎流顶冲段，溃破后对蒙城县城市防洪安全风险较大。蒙城县城市外河溃口位置示意见图1。

图1 蒙城县城市外河溃口位置示意

根据淮河流域1975、1982、1983、1991、2003年和2007年洪水调查资料，周边行蓄洪区等溃口宽度一般在150～450 m，本文根据历史溃口调查成果和经验公式法计算结果，结合实地观测资料、洪水量级、专家意见，确定涡河溃口采用矩形断面，具体溃口宽度设置见表1。

考虑到不利于城市防洪角度应遭遇同一等级洪水的最大风险，分洪量应尽可能大，堤防溃决方式设定为瞬间溃决，溃口处纵向冲刷全溃；考虑到溃口后的冲刷，选择堤后100 m范围内地面最低高程作为溃口底高程。对于设定溃口，均是考虑外河发生超标准洪水组合方案，可按河道水位达到设计洪水位时刻瞬间溃决，涡河溃决时机采用溃口断面处20年一遇设计洪水位。

表1 涡河50年一遇洪水溃口宽度采用值

3 内圈堤高程分析

3.1 模型构建

本次研究分析需对城市外河溃口洪水的流量过程和洪水在城市周边的演进过程进行模拟，模型需具备一维水动力学、溃口构筑物、二维水动力学等模拟功能。MIKE系列软件可应用于河流、湖泊、行蓄洪区、保护区、溃口或分洪闸构筑物等的模拟，在洪水风险分析、洪水预报及水利工程规划设计等方面具有大量的工程应用。结合外河溃口洪水研究需要，本次选用MIKE系列软件进行模型构建，通过选择中游典型城市，分别搭建相应河道的一维河道水动力学模型和城市所在保护区的二维水动力学模型，并采用MIKE Flood建立一、二维耦合水动力学模型进行分析[8]。

a) 一维模型构建。蒙城县城外河溃口洪水分析需构建涡河义门集至涡河口段、淮河茨淮新河口至涡河口段一维水动力学模型，共长166 km，断面间距按800 m左右控制；葛庄、王寨溃口采用MIKE 11 SO模块中的可控建筑物概化。涡河、淮河河道糙率值采用现有成果，其中涡河主槽和滩地糙率取值分别为0.022～0.024、0.030～0.034，淮河主槽和滩地糙率取值分别为0.021 5～0.023 5，滩地为0.030～0.038[9]。

b) 二维模型构建。本文重点分析涡河溃口洪水在城市圈堤外形成的最高洪水位，二维模型构建蒙城县城涡南区所在茨涡片防洪保护区范围，共6 503 km2。网格剖分基于实测的地形数据建立区域整体地形变化的不规则三角形网格，采用不同的空间分辨率和网格尺度，对地势平缓区域进行网格抽稀处理，抽稀后最大网格面积不大于0.3 km2，主要沟渠、重要地区、地形和平面形态变化较大区域最大网格面积不大于0.05 km2，其他区域最大网格面积不大于0.1 km2，共剖分33 862个网格，17 408个节点。城区外宁洛高速、双公大道、蒙凤路等线性构筑物，均采用MIKE 21 SO模块的dikes功能进行概化，设定沿路基空间变化的高程。防洪保护区二维水动力模型网格剖分示意见图2。

茨涡片防洪保护区糙率系数取值利用已有地形地类资料，划分区内不同下垫面糙率，包括村庄、树丛、旱田、水田、道路以及河道，不同下垫面糙率资料采用淮河流域行蓄洪区和防洪保护区糙率敏感性分析成果，不同下垫面糙率系数取值在0.022 5～0.070之间[10-11]。

图2 蒙城县涡南城区所在保护区网格划分示意

图3 淮河干流涡河口H～Q关系曲线

c) 边界条件。涡河上游入流边界义门集采用涡河50年一遇设计洪水成果，洪峰流量为2 900 m3/s；淮河上游入流边界茨淮新河口采用淮河干流1954年型100一遇设计洪水成果，洪峰流量为12 000 m3/s；淮河下游出流边界涡河口采用H～Q关系曲线，涡河口H～Q关系曲线见图3。

3.2 溃洪水位分析

a) 溃口洪水结果：经计算分析，城市上游王寨溃口方案溃决洪量为1.39亿m3，溃口洪峰流量为583 m3/s；城市下游葛庄溃口方案溃决洪量为2.59亿m3，溃口洪峰流量为922 m3/s；两溃口均为相应城区河段达到20年一遇设计水位时溃决，溃决时间一致，各溃口方案溃口流量过程见图4。

b) 内圈堤外水位结果：为分析涡河溃口洪水在城市圈堤外形成的最高洪水位，在城市圈堤外围设置16个测点，测点位置详见图1。经计算分析，城市上游王寨溃口方案在城市西侧内圈堤外形成洪峰水位为26.4～27.6 m，最大水深为0.5～1.4 m，城市东侧内圈堤不受洪水影响；城市下游葛庄溃口方案在城市东侧内圈堤外形成洪峰水位为25.8～26.5 m，最大水深为0.4～0.7 m，城市西南侧内圈堤不受洪水影响。各溃口方案测点洪峰水位和最大水深详见表2，各溃口方案部分测点水位过程见图5—6。

表2 各溃口方案测点洪峰水位和最大水深计算成果 m

图4 各溃口方案溃口流量过程

图5 王寨溃口方案部分测点水位过程

c) 内圈堤外流速结果：经计算分析，城市上游王寨溃口方案溃口处最大洪水流速为1.0 m/s左右，城市西侧、南侧内堤圈外形成最大洪水流速均在0.3 m/s以下；城市下游葛庄溃口方案溃口处最大洪水流速为1.3 m/s左右，城市东侧内堤圈外形成最大洪水流速均在0.3 m/s以下；即各方案在城市圈堤外洪水流速均在0.3 m/s以下，对城市内圈堤冲刷影响小，各洪水方案城市内圈堤外最大洪水流速示意见图7—8。

3.3 内圈堤高程分析

内圈堤高程应采用外河溃口洪水和城市内河洪水两者外包，考虑蒙城县涡南区城市内河过流能力已达到20年一遇内涝洪水标准，不需设置内河堤防，涡南区内圈堤高程仅需考虑防御外河溃口洪水。

a) 王寨

b) 葛庄图6 各溃口方案部分测点洪水位过程

堤顶标高为设计洪水位、波浪爬高、安全超高三者之和。GB/T 50805—2012《城市防洪工程设计规范》中对城市等别、防洪标准、堤防工程级别及安全超高的规定见表3，综合内圈堤挡水机率、堤外流速、工程量、工程投资及城市景观等因素，可不考虑波浪爬高，且内圈堤安全超高可适当降低，内圈堤安全超高本次取0.5 m。即蒙城县涡南区西侧内圈堤高程为27.0～28.2 m，南侧内圈堤高程为26.0～27.0 m，西侧内圈堤高程为26.0～27.1 m。

图7 王寨溃口方案城市内圈堤外最大洪水流速示意

图8 葛庄溃口方案城市内圈堤外最大洪水流速示意

表3 城市等别、防洪标准、堤防工程级别

4 结语

本文研究分析采用实测的断面及基础地形图数据，利用了MIKE 11、21模型模拟计算，精确度高，模拟结果可靠。以构建的涡河、淮河、茨涡片防洪保护区一、二维耦合非恒定流水动力学模型为基础，综合洪水来源、洪水量级、洪水组合、溃口位置、溃口尺寸、溃决时机等分析成果，模拟蒙城涡南区城市上、下游两种溃口洪水工况下在城市圈堤外形成的最高洪水位，并基于GB/T 50805—2012《城市防洪工程设计规范》，确定蒙城涡南区城市内圈堤高程，尽可能的为沿河湖城市内圈堤高程设计提供借鉴与参考。