滏阳河衡水市区段治理工程以上洪沥水模型分析探讨

张宁宁

项目河道治理范围为滏阳河衡水市侯庄闸—南外环段，治理段河道总长8.9 km，工程主要建设内容为堤防加高培厚、主槽清淤、新建张庄排涝泵站。正常工况下根据《衡水市城市防洪规划》工程治理段20 年一遇排涝设计流量分段情况为：侯庄闸—张庄泵站（桩号：0+000～5+200）为150 m3/s，张庄泵站—南外环（桩号：5+200～8+900）为174 m3/s。为考虑滏阳河治理段最大下泄情况，规划工况下工程治理段全线采用20 年一遇排涝设计流量为174 m3/s。

1.工况分析

当滏阳河出现20 年一遇沥水时，本文考虑两种工况（即分为两种工况对比分析，工况1：当侯庄闸上游发生超标准洪水时，洪水出槽漫地，由侯庄闸控泄，控泄流量为150 m3/s，侯庄闸—南外环段按标准分段流量进行排沥。工况2：当侯庄闸上游发生超标准洪水时，洪水出槽漫地，由南外环进行控泄，控泄流量为174m3/s，此时张庄泵站排涝能力根据南外环处的泄量相机控制，由于张庄泵站的滞水量相对很小，因此忽略张庄泵站滞水影响）下滏阳河治理段的下泄能力，分析了侯庄闸上游滞水区淹没面积的变化情况，进而判断滏阳河在治理段全线采用20 年一遇排涝设计流量174 m3/s 是否合理可行。

工程位置示意图见图1 所示。其中阴影面积为侯庄闸上游滞水区域。

2.区域洪沥水模型建立

根据工程规划及现状滞水区范围内洪沥水漫滩的特点，本次采取了一维模拟河道行洪、二维非恒定流数学模型方法模拟滞水区范围内洪沥水演进，以及通过一、二维耦合分析不同出流条件下洪沥水对滞水区淹没面积的影响。

2.1 模型计算方案

根据前文所述，此次模拟计算共分为两种工况，即工况1与工况2。

2.2 模拟思路及计算条件

2.2.1 模型构建思路

模型构建包含一维河道模型（MIKE11）和二维滞水区模型（MIKE21FM），通过侯庄闸利用MIKE FLOOD 实现一维河道模型与二维超标准分洪区模型的耦合，实现河道洪水传播与分洪洪水演进的同步交换与实时模拟。滏阳河河道入流过程按照滞水区下泄洪沥水过程加入模型，建立滏阳河（侯庄闸—南外环）一维河道模型，忽略洪水滞水影响；滏阳河、邵村沟、骑河王排干渠道及河道外滞水区域建立二维非恒定流洪水演进计算模型。

2.2.2 模型范围及网格剖分

模型范围：当滏阳河、邵村沟、骑河王排干遭遇超标准洪沥水时，会出槽漫地行洪，工程上游河道、堤防、道路等地形条件，确定MIKE21 计算范围为：北至骑河王排干北侧，南到滏阳新河左堤，西至邵村沟东侧、滏阳河左堤及S393 省道，东至骑河王排干及滏阳河左堤。二维模型总面积257.90 km2，二维模型范围位置见图2。

图2 二维模型范围位置图

一维河道模拟范围从侯庄闸至南外环断面，河段长度为8.9 km，一维上游通过侯庄闸与二维出口连接。

网格剖分：在进行网格剖分时，将计算范围作为外边界，并且将分洪区内的道路、堤防以及小埝等阻水构筑物作为内部限制边界加入到生成器中，参与网格的剖分，计算区域内网格划分共计20140 个，计算节点10333 个。模型区域网格剖分图见图3。

图3 模型计算范围网格剖分图

由于地形数据是二维水动力模拟的重要基础数据，直接影响到计算区域内洪水淹没的实际效果，经过甄选识别后利用线性插值的方法生成地形数据.mesh，地形剖分等值线图见图4。

2.2.3 模型上下边界及初始条件

上边界：滏阳河（含邵村沟）、骑河王排干20 年一遇标准设计洪水的入流过程。其计算方法采用《河北省平原地区中小面积除涝水文手册》方法计算，计算结果见表1 所示。

表1 模型入流过程特征值

中边界：模型中边界为二维区域的邢衡高速，路基概化为DIKE，桥涵位置留出过水通道。

下边界：工况1，二维下边界出流条件为侯庄闸的水位泄量关系，采用侯庄闸进行150 m3/s 控泄；工况2，一维下边界出流条件为南外环断面的水位泄量关系，采用南外环174 m3/s控泄。

侯庄闸水位泄量关系通过本项目滏阳河断面资料进行水位推算至闸下，按建筑物泄流公式推算闸上洪水位。南外环断面水位泄量关系通过复核后的已建工程河道水面线成果结合沉降分析计算取得。

初始条件：模型初始条件为地面高程，区域按无水考虑。

2.2.4 模型参数的选取

根据MIKE21 水动力模型的基本原理，在模型中需对河道外区域主要参数进行设置。

糙率系数：此次模型中糙率参数选取按照地形、地貌特点，并参考《衡水市城市防洪规划》的参数选取，河道主槽糙率取值0.026、滩地糙率取值0.06，村庄及较大的阻水建筑物糙率一般取0.1，其他区域内糙率一般取0.06。

涡粘系数：根据Smagorinsky 公式确定，本次计算涡粘系数取值为0.28 m2/s。

时间步长：此次计算中，总模拟时长设置为248 h，主时间步长取30 s。

干湿边界：模型中需要设定一个干水深、淹没深度和湿水深。此次计算中，以上水深分别设定为0.005 m、0.05 m、0.1 m。

3.不同工况下模拟结果图

根据上述边界条件，对不同工况下20 年一遇洪沥水进行模拟，滞水区洪峰期最大水深等值线图、最高水位等值线图及洪水流场矢量图分别见图5、图6、图7。

图5 20 年一遇洪水最大水深等值线图

图6 20 年一遇洪水最高水位等值线图

图7 20 年一遇洪水流场矢量图

4.成果分析

根据图5、图6、图7 分析可知，当发生20 年一遇洪沥水时，两种工况下洪沥水整体变化情况为：自上游向下游出口以漫流形式演进，在邢衡高速处洪沥水沿高速桥涵出流，行进出口边界附近时由于控制下泄，出口以上水位壅高。在工况1 下滞水区淹没面积为138.21 km2，工况2 下，滞水区淹没面积为133.79 km2，减小了4.42 km2。其余不同最大淹没水深所对应的淹没面积见表2 所示。由表2 可知，工况2 下的淹没面积均比工况1 下的淹没面积小，其原因是在工况2 下，由南外环控泄，加大了滏阳河的下泄能力，使得侯庄闸上游淹没面积减小。

表2 侯庄闸上游滞水区淹没面积成果 （单位：km2）

另外，在工况1 下侯庄闸闸后的水位为20.83 m，在工况2下侯庄闸闸后的水位为21.2 m，二者水位增加了0.37 m，水位变化幅度不大，仅增长了1.78%，治理段现状左岸堤顶高程为23.62 m～20.04 m（上游—下游），右岸堤顶高程为22.23 m～20.08 m（上游—下游）。水位的增加会导致堤防加高加固，进而使得费用增加，但堤防费用的增加所带来上游淹没损失减小，从整体效益上是有利的。

因此，在充分考虑滏阳河治理段的最大下泄情况时，滏阳河治理段全线采用20 年一遇标准流量为174 m3/s 是合理可行的。