淮河流域馮鐵營引河工程的防洪效果及影響評估

倪晉虞 邦義 張學軍 王再明

摘要：

淮河流域馮鐵營引河工程是擴大淮河洪水出路、減輕中游洪澇災害的關鍵性工程，針對引河建成后淮河及洪澤湖的防洪情勢的調整問題，需要進行綜合評估。以現狀及規劃蚌埠至洪澤湖河段防洪工程體系為基礎，構建了一維和二維耦合、河道-湖泊-蓄滯洪區為一體的水動力數學模型，分別在設計洪水及典型洪水的條件下，通過分析水位、流量、比降等水動力因素的變化，客觀評價了引河工程的防洪效益及影響。評價結果表明：

① 該工程有效降低了淮河干流的水位，縮短了高水位歷時，減輕了中游地區的洪澇災害;② 該工程調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響主要局限在馮出口附近，而且可以通過優化調度使其影響減輕甚至消除，不會增加洪澤湖防洪排澇的負擔。研究成果可為河湖一體化治理提供參考。

關 鍵 詞：

防洪效果評估; 水動力數學模型; 馮鐵營引河工程; 洪澤湖; 淮河

中圖法分類號： TV872

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.004

0 引 言

自中國近代著名水利專家李儀祉先生考察淮河中下游的防洪實際情況后，提出了馮鐵營引河的設想[1]，迄今已快一個世紀了。在此期間，淮河遭遇了1931年大洪水，淹沒農田513.33萬hm2（7 700萬畝），受災2 000余萬人[2]。1938年國民黨政府在花園口決開黃河南堤，洪水經潁河、渦河傾瀉而下，沿淮洼地一片汪洋[3]。中華人民共和國成立以來，經過70 a的不懈努力，相繼完成了一大批防洪除澇骨干工程，流域抗御洪水的能力得到了顯著增強。但是，從全國范圍來看，淮河依然是洪澇的重災區，特別是中游河段，年平均受災面積與同期耕地之比超過了14.3%[4]。這種局面的形成不僅與氣候、地貌及社會因素有關，更重要的是歷史上黃河多次奪淮，致使大量泥沙侵入，破壞了淮北平原的排水系統，淤廢了淮河的尾閭，并在中下游的結合部形成了洪澤湖。在明清兩代治黃保運的治水思路下，洪澤湖不斷擴張，不僅嚴重阻滯中游洪水下泄，還在浮山以下形成了倒比降的畸形河床，抑制著干流河道的發育。中華人民共和國成立以來，70 a的治淮實踐使人們逐漸認識到：淮河中游的洪澇治理是一項長期、艱巨的任務，必須因地制宜，有針對性地采取蓄、泄、分、排等多項措施，而馮鐵營引河正是“分”中不可或缺的關鍵。

在介紹馮鐵營引河的戰略構想之前，有必要簡單描述淮河中游下段的河勢。由圖1可以看出：淮河由蚌埠閘引出后，納北淝河、濠河等小支流，一路向東行進;在浮山以下，原本東進的淮河在這里突然轉向，朝著正南方蜿蜒而去，與池河在洪山頭交匯后，再折向東北，最終于老子山處注入洪澤湖。而馮鐵營引河正好夾在淮河大拐彎與洪澤湖西側溧河洼之間，處于貫通河湖、連接東西的戰略要津。引河一旦開辟，相當于打造了一條淮水入湖的捷徑，與繞行盱眙、老子山的老流路相比，縮短河長近60 km，這對于河床比降平緩、水位落差極為寶貴的淮河中游而言，意義不言而喻。

目前，該工程已被列入淮河干流浮山以下河段行洪區調整及建設工程規劃中，并成為國務院擬定的172項重大水利工程之一，承載著幾代治淮人的夙愿正逐步變為現實。根據規劃[5]，擬采用單式梯形斷面開辟馮鐵營引河，引河線路全長6.0 km，工程開挖總量為1 416萬m3。同時，為有效控制其分洪，在引河進口處建閘，設計流量為5 450 m3/s，相當于淮干總泄量的42%。近年來，圍繞該工程涉及到的水流、泥沙及環境問題開展了諸多有益的研究，主要成果集中在引河開挖引起的淮干長河段縱向沖淤及水位調整方面[6-7]，也有少量關于洪澤湖流態變化的描述[8-9]。但迄今為止，引河分洪給下游帶來的影響卻少有提及，更沒有將淮河中游防洪作為一個整體，對引河工程的利弊得失進行較為系統的總結。鑒于此，本文擬構建河湖整體水動力數學模型，用于評估規劃防洪格局下引河工程對其上下游的影響，以期為淮河干流及洪澤湖的洪澇治理提供支撐。

1 河湖整體水動力數學模型

擬建的馮鐵營引河地處淮河中游河湖交錯區，具有工程類型全面、控制節點眾多、水力聯系緊密等特點。在這一復雜區域內興建工程，往往牽一發而動全身，會帶來上下游水文情勢的調整變化。因此，構建了覆蓋河湖的整體水動力數學模型，用于動態模擬洪水在淮河干流、洪澤湖、分洪河道、行洪區及滯洪區內的演進運動，這也是解析引河工程作用及影響的關鍵。

1.1 模型的建立

基于MIKE FLOOD模型，建立了河湖整體水動力數學模型[10]。該模型由多個可以耦合的子模型組成，包括內嵌多種水工建筑物的一維河網模型MIKE11、模擬寬淺水域的二維模型MIKE 21等。主要控制方程描述如下。

一維：

式中：Q為流量，m3/s;z為水位，m;B為水面寬度，m;x為流程，m;t為時間，s;q為旁側入流流量，流入為正、流出為負，m3/s;A為過水斷面面積，m2;K為流量模數，m3/s;α為動量修正系數;Vx為旁側入流流速在主流上的分量，m/s。該方程基于Abott六點偏心格式離散，采用雙向消除格式求解。

二維：

h，ξ分別為水深和水位，m;u，v分別為流速在x，y方向上的分量，m/s;g為重力加速度，m/s2;Txx，Txy，Tyx，Tyy為渦黏項，m2/s2;Ωx，Ωy為科氏力項，m2/s2;n為糙率;τsx，τsy為風在x，y方向上的剪切力項，m2/s2。該方程基于非結構網格的有限體積法求解。

模擬的范圍為蚌埠閘至洪澤湖出口河段，涵蓋蚌埠以下干支流河網、洪澤湖及區間各類蓄滯洪區。針對水系組成及各模擬單元的洪水演進機制，可將整個模擬區域劃分為相對獨立又相互關聯的3個一維模塊、4個二維模塊以及1個零維調蓄模塊。各模塊的基本信息如表1所列。

由表1可以看出，對研究范圍內的河道段統一采用一維模型概化，將斷面間距控制在500 m以內;對于淮干兩側的行洪區及洪澤湖，由于水域開闊、流速流向變化復雜，因此采用二維模型概化。模型采用三角網格剖分計算區域，網格邊長一般為400～600 m，局部關鍵水域適當加密;對洪澤湖周邊的滯洪圩區，采用水文學零維模型，模擬其調蓄洪水的過程。根據河網的拓撲結構，對上述模塊進行嵌套耦合，通過互提邊界的方式，即可實現河湖大規模整體水域的數值模擬。其

中，一維模塊之間采用共用節點處的水位、流量進行自然連接;一維模塊與零維滯洪圩區之間采用分洪口門處的計算過流量進行數據傳遞;一維與二維模塊之間采用MIKE FLOOD標準連接進行耦合，即前者提供斷面流量，后者提供單元水位，2種狀態變量在銜接處進行顯式交換。

模型以徑流及風力為主要外部動力條件。進口為淮河干流蚌埠閘、池河女山湖等，出口為洪澤湖入江水道三河閘、入海及入沂樞紐二河閘、蘇北灌溉總渠渠首高良澗。驗證時，進口給定流量過程、出口為實測水位過程;方案計算時，進口仍為流量邊界，出口改為水位流量關系曲線。模型中的風場數據取自洪澤站的實測成果。

1.2 模型率定和驗證

以2009年實測淮干河道斷面及2016年洪澤湖地形為基礎，采用近年來發生的2場洪水資料（2003年和2007年），對模型的結構及參數進行檢驗。

利用模型分塊的結構特點，結合水文站的布設情況，先將整體模型分為浮山以上和以下2個獨立的分區，待各分區的模擬精度符合一定要求后，再連為一體，并進一步調整銜接處附近河段的參數。這種分塊構建、分塊率定的方式[11]，可以有效提高大型、復雜水流系統的建模效率。

經率定、驗證，模型糙率的取值如圖2所示。從圖2可以看出：淮河干流主槽糙率均值為0.023，沿程變幅較小;灘地糙率的變化范圍在0.033～0.042，浮山以上因碼頭、橋梁眾多，取值略大于下游;洪澤湖湖盆糙率與淮干主槽相近，基本在0.022上下浮動。上述取值與以往分析結果[9，12]基本一致。

式中：n0為糙率基值，取值如圖2所示;z為水位值;su，sl為高低水糙率放縮系數，經率定可分別取0.92及1.00。

表2為沿程各站最高水位計算值與實測值的對比，圖3為主要站點的計算與實測水位、流量過程的對比（限于篇幅，僅給出了2003年成果）。由表2及圖3可知：無論率定期還是驗證期，模擬的洪水過程與實測過程比較吻合，各站最高水位誤差不超過0.10 m，Nash效率系數均值為0.92，三河閘最大流量誤差也不超過5%。驗證表明，模型精度較高，可以較好地模擬蚌埠至洪澤湖河段的洪水演進情況。

1.3 計算方案

1.3.1 洪水條件

馮鐵營引河不是裁彎工程，而是一種僅在較大洪水條件下使用的分洪措施。鑒于此，本文采用2類洪水條件進行計算：

（1） 百年一遇設計洪水（簡稱“設計洪水”），它是衡量防洪體系整體效果的主要依據;

（2） 重現期在10～20 a的中等洪水，它們雖然不需要啟用蓄滯洪區，但是淮河干流長時間高水位運行，經常造成兩岸洼地排水困難，帶來較大的澇災損失，本文選擇2003年型洪水作為這一類型的代表。

1.3.2 河道工況

本文研究范圍內正在推進的防洪治理工程共有以下3處：

（1） 淮河干流蚌埠至浮山河段行洪區調整和建設工程，以下簡稱“蚌浮河段工程”;

（2） 淮河干流浮山以下河段行洪區調整和建設工程，以下簡稱“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處工程處于可行性研究階段。

結合上述治理工程的進展，模型計算的河道工況主要考慮現狀及規劃工況2類。

（1） 現狀工況。蚌浮河段工程已實施，浮山以下河段工程未實施，洪澤湖下游入海水道出流為一期條件。

（2） 規劃工況。蚌浮河段工程已實施，浮山以下河段工程已實施，洪澤湖下游入海水道出流為二期條件。

除此之外，還對浮山以下河段工程已實施、入海水道二期工程未實施（介于上兩者之間）的過渡工況也進行了補充分析。應當指出，浮山以下河段治理及入海水道二期工程分別位于洪澤湖的上下游，前者以開辟馮鐵營引河為主要手段，輔以浮山至馮進口及溧河洼局部疏浚等措施，重點提升了洪澤湖“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擴大至7 000 m3/s，著重提升了洪澤湖“泄”的能力。兩者不僅同屬于進一步治淮的38項工程，而且要求同步實施，同時發揮效益。因此，過渡工況的計算，主要是評估洪澤湖上下游2個單體工程的分項貢獻及各自的影響范圍。

1.3.3 調度方式

馮鐵營引河開辟后，采用可行性研究階段推薦的控泄方式運行，即在淮河干流達到6 000 m3/s時，逐步開啟分洪，而且只分走超過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，于蔣壩水位達到13.31 m時啟用[13]。其余各類蓄滯洪區及洪澤湖泄洪通道均采用現行規定的控制方法運行[14]。

2 結果與討論

2.1 對淮河干流的作用

2.1.1 對淮河干流水位及水面比降的影響

與現狀相比，過渡及規劃工況下洪峰水位的變化情況如表3所列;設計洪水條件下，各工況下的沿程水面線如圖4所示。可見，馮鐵營引河、入海水道二期等工程實施后，淮河干流蚌埠至老子山河段的洪峰水位明顯降低。降低的規律是：

（1） 浮山至馮進口河段水位降幅最大，距其愈遠降幅愈小。設計洪水條件下，馮進口洪峰水位下降在1.60 m以上，其上下游各站洪峰水位也顯著降低，盡管幅度要小些。

（2） 同一位置的水位降低值，隨流量增大而增大。對比2種洪水條件下各站的水位降低值可知，設計洪水的降幅近似為中等洪水的2倍左右。

（3） 馮鐵營引河在降低干流洪水中起著關鍵作用，其顯效范圍集中體現在盱眙以上河段，至吳家渡斷面仍可降低0.25 m以上，說明其作用還能進一步向上延伸。相對而言，入海水道二期的作用范圍主要在盱眙以下河段，對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會做相應調整。調整的結果是浮山以上河段略增，浮山以下河段稍減。以2003年型洪水為例，蚌浮河段的水面比降由現狀工況的0.35‰增至規劃工況的0.40‰;相應地，浮山至老子河段的水面比降由現狀工況的0.45‰降至規劃工況的0.40‰。上下2段比降趨同，使得沿程落差分配及水位銜接更加合理。

對于蚌埠至浮山河段，因比降增加和落差增大，河段為適應侵蝕基準面而降低，會自下而上地產生溯源沖刷，這對于該河段疏浚效果的維持，甚至進一步擴大基本河槽都是有利的，對此筆者已另撰專文論述[7]。而浮山以下河段，雖然比降被調平，但由于沿程水位整體下降，河段的輸沙能力并沒有明顯減弱，因此河床的沖淤特性仍與現狀基本一致[6]。

2.1.2 對高水位歷時的影響

以各站警戒水位作為高水位特征值，統計工程前后高水位持續時間的變化，結果如表4所列。由表4可以看出：馮鐵營引河及入海水道二期工程實施后，吳家渡、臨淮關、五河、浮山4站的高水位歷時顯著減少，且減少的幅度呈沿程增加之勢;盱眙、老子山2站的高水位歷時變化相對較小，設計洪水條件下還略有增加。如此看來，以馮進口為界，上下2段高水位歷時的變化機制并不一致，下文將分河段進行簡要分析。

馮進口以上河段位于擬建的馮鐵營引河及入海水道二期工程的上游，2處工程通過增加馮出口泄量、降低馮出口水位對其施加影響，影響的結果是沿程各站水位流量關系整體右偏，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歷時減少的主因。值得一提的是，入海水道二期工程雖然在降低該河段洪水位上表現不佳，但在縮短高水位歷時方面具有明顯的效果。

馮出口至老子山河段雖然也位于入海水道二期工程的上游，但從河網結構上講，與馮鐵營引河呈并聯關系。一方面，引河運用時，該河段仍要承擔6 000～7 550 m3/s的行洪任務，而且行洪過程中各站的水位流量關系并未發生明顯變化;另一方面，入海水道二期啟用水位較高，其實際發揮作用要在盱眙、老子山河段進入警戒水位之后。因此，與現狀工況相比，工程實施后高水位歷時的變化不明顯。

2.2 對洪澤湖的影響

2.2.1 對入湖徑流分配及流量過程的影響

由圖1可以看出，洪澤湖的入湖河流大多分布在湖區西側。西南入口老子山承泄淮河干流及池河來水，多年平均徑流量占入湖總水量的7成以上，是洪澤湖最重要的水補給來源;西北入口溧河洼，有懷洪新河、新汴河、濉河、老濉河四水匯聚，多年平均徑流量占洪澤湖總來水的2成左右。引河開辟后，遇中等以上洪水年型，部分干流洪水改由溧河洼入湖，從而對入湖徑流分配進行了調整，這種調整的幅度取決于引河分洪量的大小，不同洪水條件差別很大。在2003年型洪水條件下，經引河分走的水量為30.9億m3，相應溧河洼入流占比由原先的20.7%增至27.7%;在設計洪水條件下，引河的分洪量達142.7億m3，相應溧河洼入流占比由原先的20.4%增至41.9%，幾乎與老子山入匯口平分上游來流。

除徑流分配呈南減北增的情勢之外，引河分洪還加快了干流入湖的速度，改變了干流洪水與洪澤湖周邊支流的遭遇情況，進而使得入湖流量過程發生了一定的變化。

以設計洪水為例，對洪澤湖各匯入點流量進行合并，可點繪出引河分洪前后入湖流量的變化情況，如圖5所示。由圖5可知：流量過程的變化可總結為前期流量增加、后期流量減少，在流量增減之間，還存在一個不穩定的平衡期，其分洪前后流量過程基本不變。經分析，前期流量增加的原因主要有3個：

（1） 引河分洪閘上蓄積的水量，短時間內得到了釋放;

（2） 水位降低后，淮干槽蓄作用減少;

（3） 部分干流來水就近入湖，使時段洪量前移。

相較而言，第3個原因起著主導作用。

2.2.2 對湖區水位的影響

一般情況下，前期洪水來得更多，會更快抬高下游洪澤湖的水位;但如果考慮入海水道二期建成后發揮的作用，情況又會明顯不同。表5給出了過渡工況及規劃工況相較于現狀工況的洪峰水位變化值。由表5可見看出：單獨實施馮鐵營引河的過渡工況會使洪澤湖的水位抬高，抬高的幅度自湖西北向湖東南遞減，其范圍在0.09～0.31 m之間。而在規劃工況下，由引河增泄帶來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，洪澤湖水位總體表現為降低，特別是在設計洪水條件下更是如此。

圖6為規劃工況與現狀湖區水位的變化差值。從圖6可以看出：對于設計洪水，洪澤湖各區域洪水位下降值均超過了0.40 m;對于2003年型洪水，除溧河洼之外，絕大部分湖區的洪水位下降值均超過了0.20 m，洪水位抬高的范圍局限在引河出口附近，而且最大抬升幅度僅為0.01 m。需要指出的是，上述影響值基于可研階段2處工程各自獨立的調度方案得出，顯然存在進一步優化的空間。經初步計算，如果提前運用入海水道二期工程對洪澤湖進行預泄，或者將馮鐵營引河及入海水道二期工程聯合起來、同時啟用，均可以在一定程度上降低溧河洼水位，從而減輕引河分洪的影響。以2003年型洪水為例，若同時啟用2處工程，溧河洼水位將普降10 cm以內，引河分洪的影響可以完全被消除。

綜上所述，馮鐵營引河及入海水道二期工程配合使用，能較好地避免洪水搬家的問題，不至于對洪澤湖的防洪除澇造成不利影響。

3 結 論

馮鐵營引河西接淮河，東聯洪澤湖，具有得天獨厚的地理優勢。與大多數水利工程類似，它既具有防洪的效益，同時也會存在一定的不利影響，效益和影響并存。

（1） 馮鐵營引河對淮河干流的作用主要體現在：遇設計洪水條件時，浮山河段洪水位下降值在1.4 m以上，警戒水位以上歷時縮短10 d左右;遇2003年型中等洪水時，浮山河段洪水位下降0.7 m以上，警戒水位以上歷時仍可縮短10 d左右。河道洪水位大幅下降、高水位歷時縮短，在很大程度上減輕了干流洪水對支流及沿淮洼地的頂托，對扭轉淮河中游防洪除澇的不利局面具有很大的作用。

（2） 馮鐵營引河對洪澤湖的影響包括：部分洪量北移、溧河洼防洪壓力增大、入湖洪水來勢加快、致使洪水位趨高等。但是，馮鐵營引河與入海水道二期工程為同步實施的項目，在后者的作用下，由引河分洪造成的下游洪水位抬高僅在部分中等洪水中出現，而且可以通過調度措施予以減輕，并未對洪澤湖的防洪造成太大的影響。

（3） 馮鐵營引河與入海水道二期工程建成后，繼續沿用各自獨立的防洪調度方式，勢必將導致新的防洪體系的作用難以充分發揮，因此開展上下游聯動的一體化調度是極其重要和必要的。對于如何挖掘已建和待建防洪工程的潛力、統籌兼顧上下游、形成以洪澤湖為中心的入湖出湖控制樞紐聯合調度方式，還有待于開展進一步研究。

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（編輯：趙秋云）

引用本文：

倪晉，虞邦義，張學軍，等.

淮河流域馮鐵營引河工程的防洪效果及影響評估

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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