基于一二维耦合的共渠西蓄滞洪区洪水演进模拟

(1.水利部水利水电规划设计总院，北京 100120； 2.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450016)

1 共渠西蓄滞洪区概况

共渠西蓄滞洪区地处浚县境内，位于淇河和共产主义渠交汇口下游共产主义渠左岸，现状由上、下两片组成，上片西南以淇河左堤为界，东南靠共产主义渠，西北接自然高地；下片东南靠共产主义渠左堤，西北接自然高地，中间被邢固北至同山的高地与上片隔开。共西行洪区围堤包括淇河左堤、共渠右堤及规划新建盐土庄隔堤。淇河左堤为共西行洪区西南部边界堤，全长4.16km，现状堤顶高程73.7～69.4m。共渠右堤为行洪区东部边界堤防，从浚县刘庄闸至盐土庄，全长30.6km，现状堤顶高程67.40～61.00m。规划新建盐土庄隔堤从盐土庄节制闸向西自然高地，长约1km(蓄滞洪区范围见图1)。

图1 共渠西蓄滞洪区范围

2 洪水来源及设计洪水计算

共渠西滞洪区入洪口有淇河的枋城分洪口(现状)、刘庄分洪口(规划)和共产主义渠淇门分洪堰(现状、规划)3个，因此，洪水威胁主要是卫河、淇河、共产主义渠大水时蓄滞洪区启用的洪水风险[1]。

淇河上边界为新村站、共产主义渠上边界为黄土岗站，设计洪水采用2008年国务院批复的《海河流域防洪规划》报告中的成果，报告对卫河楚旺以上洪水地区组成，考虑淇门以上来水为主，采用淇门、楚旺同频率，安汤区间相应这一较为不利的组合情况。淇门以上又分两种组合方式，即新村与淇门同频率，共产主义渠淇门以上相应；共产主义渠淇门与淇门同频率，新村以上相应。淇门新村以上洪水组合，因上游已建盘石头大型水库，只考虑盘石头水库—新村区间与新村站同频率，盘石头水库以上相应的组合情况。

淇河新村站设计洪水采用淇新区间与新村同频率，盘石头水库以上相应的组合成果(共产主义渠淇门采用与淇门同频率成果)见表1。流域的最大洪水发生在1963年8月，设计洪水过程线采用流域1963年8月的实际洪水过程作为典型过程进行缩放[2]。

表1 淇河、共渠主要控制站设计洪水成果

3 计算方法

共渠西蓄滞洪区以滞洪区边缘为界，洪水来自共产主义渠和淇河，蓄滞洪区有共产主义渠入流口、淇河分洪口(现状工况为枋城分洪口，规划工况为刘庄分洪口)两处入流口，蓄滞洪区内的洪水演算采用二维水动力学数学模型，河道内的行洪采用一维水动力学模型，退水方式为自然退洪。

采用MIKE ZERO系列软件中的MIKE11、MIKE21和MILKE Flood三个子模块进行计算。其中MIKE11[3]是一维河道洪水的水动力学模块，模拟分洪堰漫溢分洪过程、共产主义渠以及卫河的退水过程，通过耦合为蓄滞洪区的洪水淹没计算提供入流及出流边界条件；MIKE21[4]是二维水力学计算模块，用于计算蓄滞洪区内的洪水淹没过程；MIKE FLOOD 是MIKE 11一维模型和MIKE 21二维模型的动态耦合计算模块，为一维河流与蓄滞洪区内二维洪水提供了有效连接，通过一维河道模型上设置的水工建筑物灵活控制蓄滞洪区内二维洪水的进、退洪过程，从而精确模拟该蓄滞洪区设计调度运行工况，得到各量级洪水下蓄滞洪区启用进洪至退洪全过程计算结果。

4 工程调度运用条件

4.1 启用条件

4.2 运用方式及进洪方式

按省防汛指挥部指令适时爆破分洪，敞口进洪。

共渠西蓄滞洪区无进退洪控制设施，共渠西蓄滞洪区上片采用人工爆破扒口的进洪方式，在枋城口门爆破分洪，进洪口长300m，堤顶高程66.50m；下片由于共产主义渠在该段无堤，长度约3km，洪水自然漫溢入共渠西蓄滞洪区。

4.3 退洪方式

共渠西蓄滞洪区上片退洪方式为在牛四马湖至邢固附近破共产主义渠右堤，分洪入白寺坡蓄滞洪区，同时自然溢洪入共渠西蓄滞洪区下片。共渠西蓄滞洪区下片退洪方式为自然溢洪入共渠[5]。

5 模型验证及原因分析

1963年8月，豫北地区发生特大洪水，大部分地区降雨量达400～600mm，暴雨中心地区达700mm以上，是流域有观测以来的最大暴雨，8天降雨量比常年雨量还多。卫河流域洼地蓄滞洪区启用并拦蓄了大量洪水。本次在现状工况下，用“63·8”实测洪水作为入流，模拟滞洪区联合调算的演进情况，模拟结果与实测最高滞洪水位、最大滞洪量来对比。从对比结果来看，模拟结果与“63·8”洪水最高滞洪水位、最大滞洪量相比差距较大，整体偏小，原因是多方面的。

5.1 现状工况与当年工况差别较大

50多年来，淇河、卫河及共渠，包括滞洪区内河道都经过不同程度的治理，现状工况相比当年工况能更大地降低洪灾损失，因此，本次模拟各蓄滞洪区最大滞洪水位比“63·8”洪水的小是合理的。

5.2 进洪时机和退水条件差别较大

“63·8”洪水当时扒口、溃堤与现有调度预案不同，当时扒口时机有人为影响，而此次模拟是瞬间溃决，加上退水条件大大改善，此次模拟最大滞洪量明显小于“63·8”洪水的量是合理的。

5.3 申店隔堤现状工况已被拆除

相比“63·8”洪水当年的工况，现状工况下申店隔堤已经不存在，柳围坡已经变成了长虹渠蓄滞洪区加大滞洪量的倒灌区，此次模拟中长虹渠与柳围坡最大滞洪水位相差不大与实际情况相符。

其实，这次真的是易非误会了，他们只是想对易非客气，想别吵着她了，可这突如其来的客气，反倒让易非觉得生疏和孤单。

5.4 模型验证成果分析

通过上述分析，用现状工况模拟“63·8”洪水，只能反映现状情况下发生“63·8”洪水各个滞洪区可能的淹没情况。但淇河上游修建盘石头水库后，淇河洪水得到了控制，再现“63·8”洪水，各滞洪区淹没情况随之改变。另外，根据各滞洪区历次运用情况，除“63·8”洪水外，很难找到其他场次洪水进行模拟。经综合分析，通过与1963年实测洪水对比，从最大水位、滞洪量、淹没水位、淹没历时等方面进行比较验证，模型计算比较合理、可行。

6 方案设计

根据2012年中水北方勘测设计研究有限责任公司编制的《卫河干流(淇门～徐万仓)治理工程可行性研究报告》，规划在刘庄附近的淇河左岸预留400m宽口门分洪入共渠西蓄滞洪区，口门堰顶高程64.10m，50年一遇洪水时口门行洪1870m3/s。因此，共渠西滞洪区洪水计算方案分为现状和规划2种计算工况，洪水标准主要计算10年一遇、20年一遇和50年一遇，以及淇河发生20年一遇、卫河和共渠发生50年一遇洪水等情况。根据洪水来源量级、洪水组合方式及进退洪口的设置，确定计算方案。

6.1 现状工况

现状工况时，共渠西蓄滞洪区运用方式是：预报卫河小李庄水位超过66.10m，淇门以下卫河、共产主义渠总泄量超过1000m3/s时，若淇河(新村站)来水大，超过2000m3/s，京广铁路桥以下河段将发生决口，此时在淇河左堤枋城破堤分洪入共渠西蓄滞洪区上片，利用共渠主槽及共渠滩地行洪。由共渠自然退洪。

方案一：当淇河、卫河、共渠发生10年一遇洪水时，按上述运用条件计算洪水淹没范围、淹没水深、淹没历时、洪水前锋到达时间和流速分布等风险要素。

方案二：当淇河、卫河、共渠发生20年一遇洪水时，按上述运用条件计算洪水淹没范围、淹没水深、淹没历时、洪水前锋到达时间和流速分布等风险要素。

方案三：当淇河、卫河、共渠发生50年一遇洪水时，按上述运用条件计算洪水淹没范围、淹没水深、淹没历时、洪水前锋到达时间和流速分布等风险要素。

方案四：当淇河发生20年一遇、卫河和共渠发生50年一遇洪水时，按上述运用条件计算洪水淹没范围、淹没水深、淹没历时、洪水前锋到达时间和流速分布等风险要素。

方案五：当淇河、卫河、共渠发生20年一遇洪水时，淇河洪峰与卫河、共渠洪峰错时25h(淇河洪峰在先)，按上述运用条件计算洪水淹没范围、淹没水深、淹没历时、洪水前锋到达时间和流速分布等风险要素。

6.2 规划工况

规划工况时，共渠西蓄滞洪区运用方式是：当共产主义渠淇门洪水超过600m3/s时，通过刘庄口门分洪堰漫溢进入共渠西蓄滞洪区，共产主义渠和共渠西蓄滞洪区共同行洪。退洪方式：ⓐ由共渠盐土庄闸控泄退洪，ⓑ由民丰渠入共渠自然退洪。

方案六：当淇河、卫河、共渠发生20年一遇洪水时，按上述运用条件计算洪水淹没范围、淹没水深、淹没历时、洪水前锋到达时间和流速分布等风险要素。

方案七：当淇河、卫河、共渠发生50年一遇洪水时，按上述运用条件计算洪水淹没范围、淹没水深、淹没历时、洪水前锋到达时间和流速分布等风险要素。

7 计算成果

采用设计洪水成果作为洪水输入，按照确定的工程调度运用条件，逐方案计算洪水要素(计算成果见表2，共渠西蓄滞洪区地形与洪水演进模拟见图2～图3)。

8 结 论

蓄滞洪区内洪水多呈宽浅方式演进，流速在水深方向可以按近似相等考虑，加上内部洪水往复流动复杂，一维水力学模型难以进行蓄滞洪区内部的洪水模拟，因此，蓄滞洪区内部的洪水演进多采用二维非恒定流数学模型进行计算，可以得到不同时段的瞬时水位、水深、流速等水力学参数。河道内由于水深较大，水流能量交换频繁，流速在水深方向差别较大，而且河道相对于整个蓄滞洪区范围较小，按照二维水力学模型的单元格划分不能达到计算精度要求，因此，河道内的水位多采用一维水力学模型进行计算。

表2 计算成果

图2 共渠西蓄滞洪区地形

图3 共渠西蓄滞洪区方案三192h洪水演进

而蓄滞洪区的运用，涉及上游河道的入流和向河道退水的出流，仅采用二维或一维水力学模型均难以满足计算要求。采用一维和二维耦合的水力学方法进行蓄滞洪区的洪水演进模拟，同时满足了蓄滞洪区内部和外部河道的水力要素计算要求，计算成果可以输出任意时段的任意位置的水位、水深、流速等水力学要素，解决了单个蓄滞洪区与河道或者多个蓄滞洪区与河道的洪水演进模拟问题。