江苏省中小河流分洪效果分析及应用

徐海峰，周佩佩，朱 晶

(1.南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210022；2.南京新港开发总公司，江苏 南京 210038)

城市防洪永远是民生大事，洪水的形成过程及发展趋势一直是人们重点关注的问题，其水动力数学模型研究也因地域条件差异而多种多样[1]。1985年，有学者利用水位变化，得到河道上下游的流量过程解析[2]。1997年，Bernard将扩散波方程进一步推算分析，拓宽了该方程的适用范围。2003年，Caleffi等采用二维浅水运动模型对托赛河进行了洪水演进过程。之后出现的雨水管理模型与洪水模型均是一维平面模拟，不涉及地形数据的处理，适合小型流域的水文模拟研究[5- 7]。我国的模型发展研究虽起步较晚，但近些年洪水模型方面在理论和应用上均有很大的成就[8- 9]。其中王船海、李光炽[10]进行了流域洪水模拟，将流域范围内的水流概化成零维调蓄单元、一维河道水流及二维行洪区水流，并对各部分进行求解分析。随后李军等人[11]采用MIKE11模型进行南沙河流域水质模型分析。卢士强等人[12]以上海地区河流流域为背景，构建具有平原河网特点的水动力河道模型。21世纪以来，地理信息系统(GIS)在处理地形方面的推广应用为数字化河道模拟提供了一条新方向。但在河道模型分析中，能够反映下垫面形态的河道糙率参数，其现行的获取方法是参照已有工程取值，对设计人员技术水平要求较高[13- 14]。

本文基于滁河流域防洪规划提出的分洪思路，收集整理流域河道地形、工情及水文资料，建立水系水动力模型，优化搜索河道糙率参数，研究各工程措施对八百河流域洪水汇入新禹河的分洪效果。分析工程措施对分洪流量及河道水位等变化规律，为制定八百河向新禹河分洪建设方案提供科学依据。

1 研究流域概况

目前滁河中下游区域主要承受来自八百河及新禹河的行洪压力，其中八百河发源于安徽天长县草庙山江淮分水岭，八百河由金牛山水库溢洪道至六合雄州街道汇入滁河，全长20.96km。新禹河为非自然河道，以峨嵋河为起点，由北向南入滁河，全长16.5km，流域面积181.47km2。综合分析得出，八百河、新禹河流域洪涝灾害主要是由流域降雨和滁河水位顶托等原因造成。八百河、新禹河流域防洪体系依托于滁河流域防洪体系，已初步建成“挡、蓄、泄”防洪减灾体系。八百河流域作为连接上游金牛山水库和下游滁河的重要纽带，其防洪能力正确评估与提升尤为重要。随着城市规划建设的快速发展，河道流域下垫面条件变化较大，基本农田及绿地占有率明显下降，灌溉用水量减少，城区需排涝面积增加，城市防洪压力逐年增加。据不完全数据统计，八百河流域现状行洪能力，已不能满足当地的排涝需要。

2 模型构建

2.1 河网模型

河网模型范围上边界为金牛山水库，下边界为八百河入滁河口和新禹河入滁河口。河道断面数据选用能够反映河道走势、形状等具有代表性的典型断面，本模型八百河的断面数据采用河道实测数据，新禹河的断面数据采用新禹河小流域治理后的设计断面。八百河入滁河口现状设计洪水位为10.07m，新禹河入滁河口现状设计洪水位为9.16m。综合考虑河道断面变化及入流河道情况，本文构建河网模型在八百河沿线布置9个入流点，新禹河沿线布置6个入流点，共15个入流点，河网模型构建详如图1所示。

图1 八百河、新禹河河网模型示意图

2.2 河道糙率优化分析

基于八百河与新禹河河网模型，现有河道百年一遇的设计洪水位为反演目标值(Fitness value)，西阳河入八百河河口水位为11.75m，西阳河入新禹河水位为11.58m。综合考虑类似河网计算模型，八百河与新禹河糙率的搜索范围为0.020～0.028，采用遗传算法进行目标值搜索，遗传代数初定为100代(Generation)，搜索过程见图2—3。经50代遗传搜索后，即可得八百河现状糙率为0.025，新禹河现状糙率为0.024，若规划中疏浚工程实施后，其糙率将会分别降低0.001。

图2 西阳河入八百河水位优化搜索过程示意图

3 河道分洪措施

3.1 新禹河干流河道疏挖

新禹河干流河道的三友、东方红水库溢洪道至吴桥河段，河底沿线高程高于新禹河入滁河河口高程约2.5～3.5m，河道有效泄洪断面因河底高程抬高而逐年减少。在滁河流域防洪规划中提出新禹河干流河道疏挖必要性，并提出河道约16km主要淤积段，河底高程按比降1/10000疏挖，两岸疏挖综合坡比不陡于1∶3，河底宽度参考原地形顺接为10～20m宽，局部根据河道现状需要采用浆砌石护坡，典型疏挖断面如图4所示，具体规划河底高程控制见表1。

图3 西阳河入新禹河水位优化搜索过程示意图

图4 新禹河干流疏挖典型断面图

表1 新禹河现状与规划河底高程对比表

3.2 西阳河河道拓浚

西阳河河道拓竣河底沿线高程为2.64～2.90m，拓竣原则为以左岸退堤为主，右岸表面整坡。左岸拓竣分两期实施，一期先按坡比1∶2开挖，二期进一步拓竣至规划断面，两岸疏挖综合坡比同样不陡于1∶3，河底宽度参考原地形均为10m宽，拓竣典型断面如图5所示。

图5 西阳河河道拓竣典型断面图

3.3 分洪方案组合及效果分析

为体现各分洪措施的防洪效果，本次分洪方案一为仅实施新禹河干流河道疏挖，方案二为仅实施西阳河河道拓浚，方案三为同时实施方案一和方案二的内容。研究现状为八百河及新禹河已完成基本河道治理，河道状况较为良好，不会出现分洪、决堤等可能情况，与分洪河网模型的完整性相吻合。河网主要分析，各方案实施后新禹河、西阳河和八百河之间相互变化。根据南京市城市防洪规划，研究河道防洪等级均为50年一遇。

(1)分洪流量分析

经计算，现状模型中新禹河具有约50m3/s的分洪能力。方案一实施后，新禹河分洪能力可提高约110m3/s，有效减轻八百河行洪压力，分洪效果较好。方案二实施后，新禹河分洪能力仅提高约10m3/s，八百河分洪流量变化可忽略不计。可见西阳河分洪效果一般。方案三实施后，新禹河分洪能力提高仍约为116m3/s，八百河分洪流量变化可忽略不计，该方案与方案一分洪效果接近。

表2 八百河设计洪水工况下流量计算成果表

图6 各分洪方案计算得新禹河分洪流量及分流比变化图

(2)下游水位分析

方案一疏浚深度约为3m，河道有效行洪断面扩大较为明显，导致八百河下游水位可最大降低0.9m，新禹河自身河水位降低约0.1～1.0m。方案二西阳河河底疏挖分二期实施，河底宽基本维持现状，有效行洪断面扩大有限，因此西阳河拓竣两期累计对八百河下游水位的影响，仅降低最大不超过0.03m，对新禹河水位几乎无影响。方案三水位变化情况和方案一基本一致，新禹河与八百河水位均有较明显降低。

表3 八百河设计洪水工况下水位计算成果表

4 结语

通过对八百河、新禹河流域现状工况计算结果可知，整治后的西阳河、新禹河已具有一定的分流能力。针对西阳河拓浚、新禹河疏挖进行单项及组合工程措施研究，通过模型计算，方案一新禹河整治至规划断面后可有效提高新禹河分洪能力，且八百河、新禹河水位均明显降低，可自然分流162.7m3/s，八百河水位降低0.13～0.80m，新禹河水位降低0.0～0.79m。新禹河整治不但对新禹河本流域防洪有利，同时也减轻了八百河沿线防洪压力且分洪效果明显。方案二在现状基础上进行西阳河拓浚，可自然分流60m3/s，仅比现状增加分流10m3/s，该方案分洪效果不明显。建议可同时安排监测整治后新禹河分流效果及八百河下游水位消落效果，为充分分析工程规模和效益以及是否建设八西口闸提供依据。