淮河流域冯铁营引河工程的防洪效果及影响评估

倪晋虞 邦义 张学军 王再明

摘要：

淮河流域冯铁营引河工程是扩大淮河洪水出路、减轻中游洪涝灾害的关键性工程，针对引河建成后淮河及洪泽湖的防洪情势的调整问题，需要进行综合评估。以现状及规划蚌埠至洪泽湖河段防洪工程体系为基础，构建了一维和二维耦合、河道-湖泊-蓄滞洪区为一体的水动力数学模型，分别在设计洪水及典型洪水的条件下，通过分析水位、流量、比降等水动力因素的变化，客观评价了引河工程的防洪效益及影响。评价结果表明：

① 该工程有效降低了淮河干流的水位，缩短了高水位历时，减轻了中游地区的洪涝灾害;② 该工程调整了淮河干流的沿程水面比降，提高了浮山以上河段的造床能力;③ 在入海水道二期工程的作用下，引河分洪對下游的影响主要局限在冯出口附近，而且可以通过优化调度使其影响减轻甚至消除，不会增加洪泽湖防洪排涝的负担。研究成果可为河湖一体化治理提供参考。

关 键 词：

防洪效果评估; 水动力数学模型; 冯铁营引河工程; 洪泽湖; 淮河

中图法分类号： TV872

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.004

0 引 言

自中国近代著名水利专家李仪祉先生考察淮河中下游的防洪实际情况后，提出了冯铁营引河的设想[1]，迄今已快一个世纪了。在此期间，淮河遭遇了1931年大洪水，淹没农田513.33万hm2（7 700万亩），受灾2 000余万人[2]。1938年国民党政府在花园口决开黄河南堤，洪水经颍河、涡河倾泻而下，沿淮洼地一片汪洋[3]。中华人民共和国成立以来，经过70 a的不懈努力，相继完成了一大批防洪除涝骨干工程，流域抗御洪水的能力得到了显著增强。但是，从全国范围来看，淮河依然是洪涝的重灾区，特别是中游河段，年平均受灾面积与同期耕地之比超过了14.3%[4]。这种局面的形成不仅与气候、地貌及社会因素有关，更重要的是历史上黄河多次夺淮，致使大量泥沙侵入，破坏了淮北平原的排水系统，淤废了淮河的尾闾，并在中下游的结合部形成了洪泽湖。在明清两代治黄保运的治水思路下，洪泽湖不断扩张，不仅严重阻滞中游洪水下泄，还在浮山以下形成了倒比降的畸形河床，抑制着干流河道的发育。中华人民共和国成立以来，70 a的治淮实践使人们逐渐认识到：淮河中游的洪涝治理是一项长期、艰巨的任务，必须因地制宜，有针对性地采取蓄、泄、分、排等多项措施，而冯铁营引河正是“分”中不可或缺的关键。

在介绍冯铁营引河的战略构想之前，有必要简单描述淮河中游下段的河势。由图1可以看出：淮河由蚌埠闸引出后，纳北淝河、濠河等小支流，一路向东行进;在浮山以下，原本东进的淮河在这里突然转向，朝着正南方蜿蜒而去，与池河在洪山头交汇后，再折向东北，最终于老子山处注入洪泽湖。而冯铁营引河正好夹在淮河大拐弯与洪泽湖西侧溧河洼之间，处于贯通河湖、连接东西的战略要津。引河一旦开辟，相当于打造了一条淮水入湖的捷径，与绕行盱眙、老子山的老流路相比，缩短河长近60 km，这对于河床比降平缓、水位落差极为宝贵的淮河中游而言，意义不言而喻。

目前，该工程已被列入淮河干流浮山以下河段行洪区调整及建设工程规划中，并成为国务院拟定的172项重大水利工程之一，承载着几代治淮人的夙愿正逐步变为现实。根据规划[5]，拟采用单式梯形断面开辟冯铁营引河，引河线路全长6.0 km，工程开挖总量为1 416万m3。同时，为有效控制其分洪，在引河进口处建闸，设计流量为5 450 m3/s，相当于淮干总泄量的42%。近年来，围绕该工程涉及到的水流、泥沙及环境问题开展了诸多有益的研究，主要成果集中在引河开挖引起的淮干长河段纵向冲淤及水位调整方面[6-7]，也有少量关于洪泽湖流态变化的描述[8-9]。但迄今为止，引河分洪给下游带来的影响却少有提及，更没有将淮河中游防洪作为一个整体，对引河工程的利弊得失进行较为系统的总结。鉴于此，本文拟构建河湖整体水动力数学模型，用于评估规划防洪格局下引河工程对其上下游的影响，以期为淮河干流及洪泽湖的洪涝治理提供支撑。

1 河湖整体水动力数学模型

拟建的冯铁营引河地处淮河中游河湖交错区，具有工程类型全面、控制节点众多、水力联系紧密等特点。在这一复杂区域内兴建工程，往往牵一发而动全身，会带来上下游水文情势的调整变化。因此，构建了覆盖河湖的整体水动力数学模型，用于动态模拟洪水在淮河干流、洪泽湖、分洪河道、行洪区及滞洪区内的演进运动，这也是解析引河工程作用及影响的关键。

1.1 模型的建立

基于MIKE FLOOD模型，建立了河湖整体水动力数学模型[10]。该模型由多个可以耦合的子模型组成，包括内嵌多种水工建筑物的一维河网模型MIKE11、模拟宽浅水域的二维模型MIKE 21等。主要控制方程描述如下。

一维：

式中：Q为流量，m3/s;z为水位，m;B为水面宽度，m;x为流程，m;t为时间，s;q为旁侧入流流量，流入为正、流出为负，m3/s;A为过水断面面积，m2;K为流量模数，m3/s;α为动量修正系数;Vx为旁侧入流流速在主流上的分量，m/s。该方程基于Abott六点偏心格式离散，采用双向消除格式求解。

二维：

h，ξ分别为水深和水位，m;u，v分别为流速在x，y方向上的分量，m/s;g为重力加速度，m/s2;Txx，Txy，Tyx，Tyy为涡黏项，m2/s2;Ωx，Ωy为科氏力项，m2/s2;n为糙率;τsx，τsy为风在x，y方向上的剪切力项，m2/s2。该方程基于非结构网格的有限体积法求解。

模拟的范围为蚌埠闸至洪泽湖出口河段，涵盖蚌埠以下干支流河网、洪泽湖及区间各类蓄滞洪区。针对水系组成及各模拟单元的洪水演进机制，可将整个模拟区域划分为相对独立又相互关联的3个一维模块、4个二维模块以及1个零维调蓄模块。各模块的基本信息如表1所列。

由表1可以看出，对研究范围内的河道段统一采用一维模型概化，将断面间距控制在500 m以内;对于淮干两侧的行洪区及洪泽湖，由于水域开阔、流速流向变化复杂，因此采用二维模型概化。模型采用三角网格剖分计算区域，网格边长一般为400～600 m，局部关键水域适当加密;对洪泽湖周边的滞洪圩区，采用水文学零维模型，模拟其调蓄洪水的过程。根据河网的拓扑结构，对上述模块进行嵌套耦合，通过互提边界的方式，即可实现河湖大规模整体水域的数值模拟。其

中，一维模块之间采用共用节点处的水位、流量进行自然连接;一维模块与零维滞洪圩区之间采用分洪口门处的计算过流量进行数据传递;一维与二维模块之间采用MIKE FLOOD标准连接进行耦合，即前者提供断面流量，后者提供单元水位，2种状态变量在衔接处进行显式交换。

模型以径流及风力为主要外部动力条件。进口为淮河干流蚌埠闸、池河女山湖等，出口为洪泽湖入江水道三河闸、入海及入沂枢纽二河闸、苏北灌溉总渠渠首高良涧。验证时，进口给定流量过程、出口为实测水位过程;方案计算时，进口仍为流量边界，出口改为水位流量关系曲线。模型中的风场数据取自洪泽站的实测成果。

1.2 模型率定和验证

以2009年实测淮干河道断面及2016年洪泽湖地形为基础，采用近年来发生的2场洪水资料（2003年和2007年），对模型的结构及参数进行检验。

利用模型分块的结构特点，结合水文站的布设情况，先将整体模型分为浮山以上和以下2个独立的分区，待各分区的模拟精度符合一定要求后，再连为一体，并进一步调整衔接处附近河段的参数。这种分块构建、分块率定的方式[11]，可以有效提高大型、复杂水流系统的建模效率。

经率定、验证，模型糙率的取值如图2所示。从图2可以看出：淮河干流主槽糙率均值为0.023，沿程变幅较小;滩地糙率的变化范围在0.033～0.042，浮山以上因码头、桥梁众多，取值略大于下游;洪泽湖湖盆糙率与淮干主槽相近，基本在0.022上下浮动。上述取值与以往分析结果[9，12]基本一致。

式中：n0为糙率基值，取值如图2所示;z为水位值;su，sl为高低水糙率放缩系数，经率定可分别取0.92及1.00。

表2为沿程各站最高水位计算值与实测值的对比，图3为主要站点的计算与实测水位、流量过程的对比（限于篇幅，仅给出了2003年成果）。由表2及图3可知：无论率定期还是验证期，模拟的洪水过程与实测过程比较吻合，各站最高水位误差不超过0.10 m，Nash效率系数均值为0.92，三河闸最大流量误差也不超过5%。验证表明，模型精度较高，可以较好地模拟蚌埠至洪泽湖河段的洪水演进情况。

1.3 计算方案

1.3.1 洪水条件

冯铁营引河不是裁弯工程，而是一种仅在较大洪水条件下使用的分洪措施。鉴于此，本文采用2类洪水条件进行计算：

（1） 百年一遇设计洪水（简称“设计洪水”），它是衡量防洪体系整体效果的主要依据;

（2） 重现期在10～20 a的中等洪水，它们虽然不需要启用蓄滞洪区，但是淮河干流长时间高水位运行，经常造成两岸洼地排水困难，带来较大的涝灾损失，本文选择2003年型洪水作为这一类型的代表。

1.3.2 河道工况

本文研究范围内正在推进的防洪治理工程共有以下3处：

（1） 淮河干流蚌埠至浮山河段行洪区调整和建设工程，以下简称“蚌浮河段工程”;

（2） 淮河干流浮山以下河段行洪区调整和建设工程，以下简称“浮山以下河段工程”;

（3） 入海水道二期工程。

截至2020年8月，蚌浮河段工程已基本完成，其余2处工程处于可行性研究阶段。

结合上述治理工程的进展，模型计算的河道工况主要考虑现状及规划工况2类。

（1） 现状工况。蚌浮河段工程已实施，浮山以下河段工程未实施，洪泽湖下游入海水道出流为一期条件。

（2） 规划工况。蚌浮河段工程已实施，浮山以下河段工程已实施，洪泽湖下游入海水道出流为二期条件。

除此之外，还对浮山以下河段工程已实施、入海水道二期工程未实施（介于上两者之间）的过渡工况也进行了补充分析。应当指出，浮山以下河段治理及入海水道二期工程分别位于洪泽湖的上下游，前者以开辟冯铁营引河为主要手段，辅以浮山至冯进口及溧河洼局部疏浚等措施，重点提升了洪泽湖“入”的能力;后者使入海水道的排洪能力由目前一期的2 270 m3/s扩大至7 000 m3/s，着重提升了洪泽湖“泄”的能力。两者不仅同属于进一步治淮的38项工程，而且要求同步实施，同时发挥效益。因此，过渡工况的计算，主要是评估洪泽湖上下游2个单体工程的分项贡献及各自的影响范围。

1.3.3 调度方式

冯铁营引河开辟后，采用可行性研究阶段推荐的控泄方式运行，即在淮河干流达到6 000 m3/s时，逐步开启分洪，而且只分走超过老淮河安全泄量之外的多余流量。入海水道二期工程建成后，于蒋坝水位达到13.31 m时启用[13]。其余各类蓄滞洪区及洪泽湖泄洪通道均采用现行规定的控制方法运行[14]。

2 结果与讨论

2.1 对淮河干流的作用

2.1.1 對淮河干流水位及水面比降的影响

与现状相比，过渡及规划工况下洪峰水位的变化情况如表3所列;设计洪水条件下，各工况下的沿程水面线如图4所示。可见，冯铁营引河、入海水道二期等工程实施后，淮河干流蚌埠至老子山河段的洪峰水位明显降低。降低的规律是：

（1） 浮山至冯进口河段水位降幅最大，距其愈远降幅愈小。设计洪水条件下，冯进口洪峰水位下降在1.60 m以上，其上下游各站洪峰水位也显著降低，尽管幅度要小些。

（2） 同一位置的水位降低值，随流量增大而增大。对比2种洪水条件下各站的水位降低值可知，设计洪水的降幅近似为中等洪水的2倍左右。

（3） 冯铁营引河在降低干流洪水中起着关键作用，其显效范围集中体现在盱眙以上河段，至吴家渡断面仍可降低0.25 m以上，说明其作用还能进一步向上延伸。相对而言，入海水道二期的作用范围主要在盱眙以下河段，对降低浮山以上干流水位的作用不明顯。

因水位大幅下降，淮河干流的洪水比降亦会做相应调整。调整的结果是浮山以上河段略增，浮山以下河段稍减。以2003年型洪水为例，蚌浮河段的水面比降由现状工况的0.35‰增至规划工况的0.40‰;相应地，浮山至老子河段的水面比降由现状工况的0.45‰降至规划工况的0.40‰。上下2段比降趋同，使得沿程落差分配及水位衔接更加合理。

对于蚌埠至浮山河段，因比降增加和落差增大，河段为适应侵蚀基准面而降低，会自下而上地产生溯源冲刷，这对于该河段疏浚效果的维持，甚至进一步扩大基本河槽都是有利的，对此笔者已另撰专文论述[7]。而浮山以下河段，虽然比降被调平，但由于沿程水位整体下降，河段的输沙能力并没有明显减弱，因此河床的冲淤特性仍与现状基本一致[6]。

2.1.2 对高水位历时的影响

以各站警戒水位作为高水位特征值，统计工程前后高水位持续时间的变化，结果如表4所列。由表4可以看出：冯铁营引河及入海水道二期工程实施后，吴家渡、临淮关、五河、浮山4站的高水位历时显著减少，且减少的幅度呈沿程增加之势;盱眙、老子山2站的高水位历时变化相对较小，设计洪水条件下还略有增加。如此看来，以冯进口为界，上下2段高水位历时的变化机制并不一致，下文将分河段进行简要分析。

冯进口以上河段位于拟建的冯铁营引河及入海水道二期工程的上游，2处工程通过增加冯出口泄量、降低冯出口水位对其施加影响，影响的结果是沿程各站水位流量关系整体右偏，即同水位流量增加，或同流量水位降低。因此，河道泄流能力增加是高水位历时减少的主因。值得一提的是，入海水道二期工程虽然在降低该河段洪水位上表现不佳，但在缩短高水位历时方面具有明显的效果。

冯出口至老子山河段虽然也位于入海水道二期工程的上游，但从河网结构上讲，与冯铁营引河呈并联关系。一方面，引河运用时，该河段仍要承担6 000～7 550 m3/s的行洪任务，而且行洪过程中各站的水位流量关系并未发生明显变化;另一方面，入海水道二期启用水位较高，其实际发挥作用要在盱眙、老子山河段进入警戒水位之后。因此，与现状工况相比，工程实施后高水位历时的变化不明显。

2.2 对洪泽湖的影响

2.2.1 对入湖径流分配及流量过程的影响

由图1可以看出，洪泽湖的入湖河流大多分布在湖区西侧。西南入口老子山承泄淮河干流及池河来水，多年平均径流量占入湖总水量的7成以上，是洪泽湖最重要的水补给来源;西北入口溧河洼，有怀洪新河、新汴河、濉河、老濉河四水汇聚，多年平均径流量占洪泽湖总来水的2成左右。引河开辟后，遇中等以上洪水年型，部分干流洪水改由溧河洼入湖，从而对入湖径流分配进行了调整，这种调整的幅度取决于引河分洪量的大小，不同洪水条件差别很大。在2003年型洪水条件下，经引河分走的水量为30.9亿m3，相应溧河洼入流占比由原先的20.7%增至27.7%;在设计洪水条件下，引河的分洪量达142.7亿m3，相应溧河洼入流占比由原先的20.4%增至41.9%，几乎与老子山入汇口平分上游来流。

除径流分配呈南减北增的情势之外，引河分洪还加快了干流入湖的速度，改变了干流洪水与洪泽湖周边支流的遭遇情况，进而使得入湖流量过程发生了一定的变化。

以设计洪水为例，对洪泽湖各汇入点流量进行合并，可点绘出引河分洪前后入湖流量的变化情况，如图5所示。由图5可知：流量过程的变化可总结为前期流量增加、后期流量减少，在流量增减之间，还存在一个不稳定的平衡期，其分洪前后流量过程基本不变。经分析，前期流量增加的原因主要有3个：

（1） 引河分洪闸上蓄积的水量，短时间内得到了释放;

（2） 水位降低后，淮干槽蓄作用减少;

（3） 部分干流来水就近入湖，使时段洪量前移。

相较而言，第3个原因起着主导作用。

2.2.2 对湖区水位的影响

一般情况下，前期洪水来得更多，会更快抬高下游洪泽湖的水位;但如果考虑入海水道二期建成后发挥的作用，情况又会明显不同。表5给出了过渡工况及规划工况相较于现状工况的洪峰水位变化值。由表5可见看出：单独实施冯铁营引河的过渡工况会使洪泽湖的水位抬高，抬高的幅度自湖西北向湖东南递减，其范围在0.09～0.31 m之间。而在规划工况下，由引河增泄带来的水位上升值被入海水道二期工程引起的水位下降值所抵消，洪泽湖水位总体表现为降低，特别是在设计洪水条件下更是如此。

图6为规划工况与现状湖区水位的变化差值。从图6可以看出：对于设计洪水，洪泽湖各区域洪水位下降值均超过了0.40 m;对于2003年型洪水，除溧河洼之外，绝大部分湖区的洪水位下降值均超过了0.20 m，洪水位抬高的范围局限在引河出口附近，而且最大抬升幅度仅为0.01 m。需要指出的是，上述影响值基于可研阶段2处工程各自独立的调度方案得出，显然存在进一步优化的空间。经初步计算，如果提前运用入海水道二期工程对洪泽湖进行预泄，或者将冯铁营引河及入海水道二期工程联合起来、同时启用，均可以在一定程度上降低溧河洼水位，从而减轻引河分洪的影响。以2003年型洪水为例，若同时启用2处工程，溧河洼水位将普降10 cm以内，引河分洪的影响可以完全被消除。

综上所述，冯铁营引河及入海水道二期工程配合使用，能较好地避免洪水搬家的问题，不至于对洪泽湖的防洪除涝造成不利影响。

3 結 论

冯铁营引河西接淮河，东联洪泽湖，具有得天独厚的地理优势。与大多数水利工程类似，它既具有防洪的效益，同时也会存在一定的不利影响，效益和影响并存。

（1） 冯铁营引河对淮河干流的作用主要体现在：遇设计洪水条件时，浮山河段洪水位下降值在1.4 m以上，警戒水位以上历时缩短10 d左右;遇2003年型中等洪水时，浮山河段洪水位下降0.7 m以上，警戒水位以上历时仍可缩短10 d左右。河道洪水位大幅下降、高水位历时缩短，在很大程度上减轻了干流洪水对支流及沿淮洼地的顶托，对扭转淮河中游防洪除涝的不利局面具有很大的作用。

（2） 冯铁营引河对洪泽湖的影响包括：部分洪量北移、溧河洼防洪压力增大、入湖洪水来势加快、致使洪水位趋高等。但是，冯铁营引河与入海水道二期工程为同步实施的项目，在后者的作用下，由引河分洪造成的下游洪水位抬高仅在部分中等洪水中出现，而且可以通过调度措施予以减轻，并未对洪泽湖的防洪造成太大的影响。

（3） 冯铁营引河与入海水道二期工程建成后，继续沿用各自独立的防洪调度方式，势必将导致新的防洪体系的作用难以充分发挥，因此开展上下游联动的一体化调度是极其重要和必要的。对于如何挖掘已建和待建防洪工程的潜力、统筹兼顾上下游、形成以洪泽湖为中心的入湖出湖控制枢纽联合调度方式，还有待于开展进一步研究。

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（编辑：赵秋云）

引用本文：

倪晋，虞邦义，张学军，等.

淮河流域冯铁营引河工程的防洪效果及影响评估

[J].人民长江，2021，52（7）：22-28.

Flood control effect and impact assessment of Fengtieying Diversion

Project in Huaihe River Basin

NI Jin1，YU Bangyi1，ZHANG Xuejun2，WANG Zaiming2

（1.Key laboratory of Water Conservancy and Water Resources of Anhui Province，Anhui & Huaihe River Institute of Hydraulic Research，Bengbu 233000，China; 2.China Water Huaihe Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Hefei 230601，China）

Abstract：

Fengtieying Diversion Project is a crucial project to expand the flood outlet of the Huaihe River and reduce flood disasters in the middle reaches.After the completion of the diversion channel，the flood control situation of the Huaihe River and Hongze Lake requires a comprehensive assessment.Based on the current situation and planning of the flood control engineering system in the section from Bengbu to Hongze Lake，this paper established a hydrodynamic mathematical model coupling1D and 2D and integrating river-lake-storage detention basin.Under the conditions of designed flood and typical flood，the flood control benefit and impacts of the project were objectively evaluated by analyzing the changes of hydrodynamic conditions such as water level，flow and water surface slope.The evaluation result showed that：①the project effectively reduced the water level of the mainstream of the Huaihe River，shortened the duration of high water level，and reduced flood disasters in the middle reaches area.②The water surface slope of the mainstream of the Huaihe River could be increased，improving the bed-forming capacity of the upstream of Fushan section.③Under the effect of sea-entering channel phase Ⅱ project， the influence of diversion project was mainly limited at the Fengchukou section，which could be alleviated and eliminated by optimal operation without increasing flood risk of Hongze Lake.

Key words：

evaluation on flood control effect;hydrodynamic mathematical model;Fengtieying Diversion Project;Hongze Lake;Huaihe River