基于MIKE21模型的颍河生产圩退堤分析

王 宁

(安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230088)

1 概况

沙颍河是淮河最大的支流[1-2]，发源于河南省西部伏牛山脉，在安徽省沫河口入淮，全长620km。安徽省境内称为颍河，河道长207km。颍河现有滩地生产圩多达52处，总面积约63km2，耕地约4666.67hm2，大部分为基本农田[3-4]。而生产圩堤身单薄，防洪标准较低，一般不足10a一遇，而且因临近河岸，阻水严重，影响河道泄洪能力。颍河生产圩内居住人口众多，达到10.7万人，因位于颍河左右堤之间，属于河道内部，防洪安全难以保障，区域发展更是受到严重限制，居住环境较差[5]。以往生产圩治理主要包括维持现状、退建加固、退圩还河等措施[6-8]。本次聚焦颍河阜阳闸下游2处较大的圩口：邢集圩、卢华圩，采用MIKE21模型模拟计算规划工况下3种不同圩堤退距的流速、流量过程，并从水流归槽、河水流态、退出面积、搬迁人口等角度分析比较各退建整治措施对河道及周边的影响。

2 研究区域和研究方法

2.1 研究区域

研究范围为阜阳闸下至下湾圩，河道共计36.53km，区间涉及圩口由上游至下游，左岸为东平圩、范沟圩、袁寨圩、武庙圩、河北圩、闫楼圩、马庄圩、口孜粮站圩、口孜集圩，右岸为邢集圩、卢华圩、洄流圩、白果树圩、下湾圩。其中阜阳闸右岸下游约3km处的邢集圩、卢华圩面积较大、居住人口较多，紧邻安徽颍州经济开发区及阜阳合肥现代产业园区，是颍州重要的城市发展区。邢集圩、卢华圩面积分别为5.76、7.73km2、耕地面积分别为456.47、615.73hm2，居住人口分别为10500、11500人。邢集圩圩堤长度8.0km，堤顶高程32.3～33.4m，圩内地面高程一般为28.6～30.5m；芦华圩圩堤长度12.9km，堤顶高程32.3～33.0m，圩内地面高程一般为28.5～30.2m。本次研究范围及生产圩分布如图1所示。

2.2 研究方法

2.2.1Mike21模型

计算采用Mike21模型的FM水动力模块，其基于二维不可压缩流体雷诺平均应力方程，包括连续、动量、温度、盐度和密度方程，可以模拟多种作用力下的水流变化，以及忽略分层的二维自由表面流。平面二维水流连续方程、动量方程见式(1)、式(2)。模型中采用有限体积法进行数值的空间离散，并采用显式进行时间积分求解[9-11]。

平面二维水流连续方程为：

(1)

平面二维水流动量方程为：

(2)

2.2.2模型预测精度评价

本次采用Pearson积差相关系数P(Pearson Product-Moment Correlation coefficient)及和纳什效率系数N[12]评价模拟的精度。其中，P∈(0，1)，1表示二者相关性最优，P值越小相关性越差；N反应了模型的模拟效率，N∈(-∞，1)，1表示模拟效果最优，N值越小模拟效果越差。Pearson积差相关系数P和纳什效率系数N表达如下：

(3)

(4)

3 结果与分析

3.1 模型构建

本次利用颍河流域DEM数据分别构建现状河道二维模型，考虑干流河道地形变化较大、以及干流河道与两岸生产圩的交互影响，计算范围选择阜阳闸下至下湾圩，干流河道共计36.53km。网格划分基于DEM数据，考虑地形起伏变化，将干流河道、生产圩及两者连接区域建立不同精度的不规则三角形网格，现状河道模型共剖分13665个网格、7202个节点。

糙率系数在二维模型演进计算中具有关键作用。虞邦义等[13]构建了淮河中游河道王家坝-鲁台子河段一维、二维耦合水动力数学模型，得出沙颍河河道主槽糙率为0.025～0.035，滩地糙率为0.038～0.045。陈炼钢等[14]搭建了淮河中游水文-水动力-水质耦合模型，优选最佳水量水质联合应急调度方案，参数率定中沙颍河糙率采用0.020～0.030。本次采用安徽省颍河流域几次大水年汛期过程对糙率进行率定，结果见表1。河道主槽糙率取值0.0225、滩地取值0.0375时，阜阳闸下模拟与实测水位的相关系数P为0.977～0.994，纳什效率系数N为0.920～0.962，模拟效果较优，故河道主槽糙率取值0.0225，滩地0.0375。

表1 河道糙率率定结果

为了对比生产圩整治及河道疏浚效果，现状河道模型和规划河道模型的边界条件，均采用《淮河流域防洪规划》[15]中阜阳闸-颍上闸段50a一遇流量作为上边界，颍上闸20a一遇闸上水位作为下边界。

由于MIKE21模型在网格剖分及高程插值过程中，可能会对生产圩堤高度产生坦化影响，故在模型中使用Dikes模块将生产圩堤DEM数据作为构筑物再次添加到模型中，以更为真实地还原模拟地形。

3.2 工程措施

沿线的生产圩根据圩内人口分布、圩口面积大小及经济社会发展需求等，分别对研究范围内的生产圩进行处理：其中东平圩、武庙圩、马庄圩、口孜粮站圩、白果树圩退圩还河，邢集圩、卢华圩、范沟圩、袁寨圩、河北圩、闫楼圩、下湾圩退建加固，口孜集圩、洄流圩维持现状。对于重点圩区邢集圩、卢华圩，分别采用圩堤同时退建50、80、100m 3种工况进行计算。

颍河干流采用疏浚措施，疏浚规模为底宽200m、底高程为24.0m(阜阳闸下)～21.4m(下湾圩)。

3.3 结果分析比较

邢集圩、卢华圩所在的主河道处从上游至下游分别放置4个测点，现状河道与规划河道3种退建方案主槽流量占比见表2。现状河道主槽流量占比均小于规划河道，是由于现状河道主槽断面较小，且生产圩堤部分高程不达标、堤身损坏等因素，行洪时水流漫过生产圩堤，归槽水量变小；规划河道3种不同退堤方案中，随着退距增大，主槽流量占比逐渐减小，3种方案河道疏浚规模一致，而随着退距增大，垂直水流方向的洪水行进宽度变大，一部分水流滞留在边滩上，阻碍了洪水归槽。

表2 现状河道与3种退建方案主槽流量占比

3种方案主槽流速分别为0.79～1.99、1.08～2.13、1.08～2.16m/s之间，滩地流速在0.41～1.02、0.49～0.93、0.40～0.93m/s之间，主槽、滩地流速范围如图2所示。可以得出，随着退堤距离增大，主槽流速呈增大趋势、滩地流速呈略减小趋势，颍河较为蜿蜒，随着退堤距离增大，水流受圩堤束缚作用减少，下泄更为顺畅。

图2 主槽、滩地流速分布

邢集圩、卢华圩同时退堤50、80、100m的河水流态，如图3所示。随着退距增大，沿生产圩边缘的流速减小，对退堤后的生产圩堤冲刷作用逐渐减小，水流在主河槽、滩地之间分布更为均衡；同时滩地的扩宽降低了河段主槽弯道处的流速，进而改善主槽急弯处冲刷面貌，使河水下泄更为顺畅。

图3 邢集圩、卢华圩所在河段河水流态

不同的退堤距离，实施过程中相应的退出面积、拆迁房屋、人口迁移数量均不同。对于邢集圩，退堤堤距为50、80、100m的退出面积分别为23万、39万、50万m2，涉及房屋拆迁分别约为1.50万、2.90万、4.75万m2，涉及人口搬迁分别约为230、450、730人；对于卢华圩，退堤堤距为50、80、100m的退出面积分别为66万、85万、100万m2，涉及房屋拆迁分别约为8.50万、12.85万、15.73万m2，涉及人口搬迁分别约为1300、1980、2400人。邢集圩和卢华圩紧邻安徽颍州经济开发区及阜阳合肥现代产业园区，是颍州重要的城市发展区，大量的征占地、搬迁人口等会给当地社会经济发展、群众生产生活、生态环境等带来极大改变，会引起较多的社会问题，进一步激化人水争地的矛盾。

4 结论

针对颍河2处较大生产圩口—邢集圩、卢华圩堤防退建问题，构建了阜阳闸下至下湾圩段MIKE21模型，模拟计算了规划工况下，邢集圩、卢华圩同时退堤50、80、100m主槽、滩地流量流速过程。从流量角度，疏浚措施改善了河水归槽状态，随着退堤距离增大，主槽流量占比呈减小趋势；从流速角度，随着退堤距离增大，主槽流速呈增大趋势，水流受圩堤束缚作用减少，下泄更为顺畅；从流态角度，随着退距逐渐增大，河水对岸边、急弯处冲刷逐渐减小，流态更稳定；从工程实施角度，较大的退距涉及更多的征占地、房屋拆迁和搬迁人口，社会影响较大。