基于一維水動力模型和縣江堤內河洪水風險分析

單華猛

(連云港市水利建筑安裝工程有限公司，江蘇 連云港 222000)

1 概 述

城市防洪排澇工程建設對城市安全發展具有重要意義。隨著城鎮化建設發展，原本的郊野地區已經逐漸成為城市發展的重地，一些低洼地段在洪水期將遭受洪澇災害，給當地的發展、建設帶來不利影響[1-3]。因此，分析洪澇災害風險范圍，為防洪規劃建設提供參考是十分必要的。水動力模型是水文工程模擬中常用的方法，具有建模簡單、計算精度高等優勢[4-6]。結合和縣江堤內河片區防洪現狀，對規劃防洪標準條件下洪水風險進行分析，為防洪規劃提供參考。

2 工程概況

和縣江堤內河河道主要涉及石跋河、得勝河、太陽河、姥下河。石跋河涉及石跋河及其支流雙橋河，全長約34.97 km，其中石跋河上至S206，下至石跋河閘，全長約17.68 km；雙橋河上至孫村，在西洲處匯入石跋河，全長約17.29 km。得勝河上至華陽西路，下至金河口閘，全長約35.37 km。太陽河和姥下河以豐山新河相連為相互連通的水系，整個水系全長約48.55 km。

3 水動力模型架構

3.1 一維水動力模型

牛屯河、姥下河、太陽河匯入長江并通過豐山新河水系相連，牛屯河同時也是巢湖入長江的一條分洪道。在內部有較大洪水時，其上游銅城閘關閉，關閉后牛屯河區域洪水較小，且與豐山新河水系有杭河泊閘控制，因此牛屯河可看成為一支獨立水系。考慮到牛屯河做為分洪道，河道規模及堤防高度均遠遠超過流域內洪水的設計要求，本次初設按杭河泊閘關閘，不再搭建牛屯河的一維水動力模型。目前，得勝河與太陽河連接處有八字河閘控制，汛期也是關閘考慮。因此，內河一維水動力模型，根據保護區內的水系情況，分成3個相對獨立流域搭建，即石跋河-雙橋河流域、得勝河流域、太陽河-姥下河流域。

內河河道斷面布置示意圖見圖1。

圖1 石拔河、雙橋河、得勝河、太陽河、姥下河、豐山新河斷面布置示意圖

3.2 二維水動力模型架構

內河洪水潰堤方案中內河流域面積小、洪量小，水位不高，內河一個圩堤潰破后，不會導致相鄰圩口潰堤。因此，內河潰堤方案不需考慮洪水破圩后進入另一條內河，其二維模型采用相對簡單的內澇模型為基礎修改。內河洪水潰堤方案中，內河河道采用一維水動力學模型，內澇方案架構不剖河道，但將圩區內部主要排澇溝單獨剖分。

內河洪水潰堤方案二維地形剖分示意見圖2。

圖2 內河洪水潰堤方案二維地形剖分示意圖

根據保護區的風險來源，耦合模型涉及到的一維河道水動力學模型和二維保護區水動力學模型的連接關系為標準連接形式，相應的耦合點為各河道的潰口處。在一維模型的河道潰口處建立虛擬河道，在MIKE FLOOD模型中連接一維、二維模型。需要建立耦合模型有內河洪水3個潰口，20年一遇、50年一遇內河堤防潰破方案。

4 內河洪水風險計算

4.1 計算工況

和縣江堤防洪保護區內的主要堤防設計標準為20年一遇(1969年洪水)，堤防等級為4級，內部河道潰口考慮20年一遇(1991年)以及50年一遇(1969年)工況。計算工況見表1。

表1 計算工況

4.2 計算方案邊界條件

保護區內內河河道的山丘區洪水通過NAM模型分析的相應時段洪水過程線以點源的形式加載入相應河道的匯入點；圩區澇水通過P+Pa～R模型分析的相應時段凈雨，面雨量平鋪入圩區，再通過虛擬河道概化泵站排入內河一維河道內。

保護區內發生1991年(20年一遇)實測降雨，計算時段為1991年6月30日至7月6日，時段內降雨量為436.45 mm，蒸發量為16.1 mm，相應馬鞍山站長江實測水位6.1～7.43 m，內河洪水1991年計算時段凈雨分布過程見圖3(a)。

保護區內發生1969年實測降雨，計算時段為1969年7月11-17日，時段內降雨量為448.65 mm，蒸發量為8.54 mm，相應馬鞍山站長江實測水位6.64～7.51 m，內河洪水1969年計算時段凈雨分布過程見圖3(b)。

圖3 圩區凈雨分布過程

1) 內洪潰口方案，20年一遇(1991年)降雨，豐山新河老西圩耿華段潰堤方案。按現狀調度運用條件，計算時段內內河均可自排，河道外江出口的石跋河閘、金河口閘、姥下河閘、太陽河閘、新橋閘均開閘。當長江水位高于內河水位時關閘，因破圩后，內河水位低，相應的石跋河站、金河口站、姥下河站等出口泵站均不考慮開機。

本方案河道潰口位置選擇在豐山新河樁號16+700附近老西圩耿華段，圩內地面高程5.5 m，潰口寬度70 m。潰口時機選在豐山新河樁號16+700出現最高洪水位8.88 m時，潰口方式為瞬間潰決。

2) 內洪潰口方案，20年一遇(1991年)降雨，得勝河楊大圩齊莊段潰堤方案。按現狀調度運用條件，計算時段內內河均可自排，河道外江出口的石跋河閘、金河口閘、姥下河閘、太陽河閘、新橋閘均開閘。當長江水位高于內河水位時關閘，同方案(1)，相應的石跋河站、金河口站、姥下河站均不考慮開機。

本方案河道潰口位置選擇在得勝河樁號6+740附近楊大圩齊莊段，圩內地面高程6.5 m，潰口寬度80 m。潰口時機選在得勝河樁號6+740出現最高洪水位8.6 m時，潰口方式為瞬間潰決。

3) 內洪潰口方案，20年一遇(1991年)降雨，石跋河新石圩小山段潰堤方案。按現狀調度運用條件，計算時段內內河均可自排，河道外江出口的石跋河閘、金河口閘、姥下河閘、太陽河閘、新橋閘均開閘。當長江水位高于內河水位時關閘，同方案(1)，相應的石跋河站、金河口站、姥下河站均不考慮開機。

本方案河道潰口位置選擇在石跋河樁號9+460附近新石圩小山段，圩內地面高程6.5 m，潰口寬度80 m。潰口時機選在石跋河樁號9+460出現最高洪水位7.5 m時，潰口方式為瞬間潰決。

4) 內洪潰口方案，50年一遇(1969年)降雨，豐山新河老西圩耿華段潰堤方案。按現狀調度運用條件，計算時段內內河均可自排，河道外江出口的石跋河閘、金河口閘、姥下河閘、太陽河閘、新橋閘均開閘。當長江水位高于內河水位時關閘，同方案(1)，相應的石跋河站、金河口站、姥下河站均不考慮開機。

本方案河道潰口位置選擇在豐山新河樁號16+700附近老西圩耿華段，圩內地面高程5.5 m，潰口寬度70 m。潰口時機選在豐山新河樁號16+700出現最高洪水位9.6 m(平堤頂高程)時，潰口方式為瞬間潰決。

5) 內洪潰口方案，50年一遇(1969年)降雨，得勝河楊大圩齊莊段潰堤方案。按現狀調度運用條件，計算時段內內河均可自排，河道外江出口的石跋河閘、金河口閘、姥下河閘、太陽河閘、新橋閘均開閘。當長江水位高于內河水位時關閘，同方案(1)，相應的石跋河站、金河口站、姥下河站均不考慮開機。

本方案河道潰口位置選擇在得勝河樁號6+740附近楊大圩齊莊段，圩內地面高程6.5 m，潰口寬度80 m。潰口時機選在得勝河樁號6+740出現最高洪水位9.5 m時，潰口方式為瞬間潰決。

6) 內洪潰口方案，50年一遇(1969年)降雨，石跋河新石圩小山段潰堤方案。按現狀調度運用條件，計算時段內內河均可自排，河道外江出口的石跋河閘、金河口閘、姥下河閘、太陽河閘、新橋閘均開閘。當長江水位高于內河水位時關閘，同方案(1)，相應的石跋河站、金河口站、姥下河站均不考慮開機。

本方案河道潰口位置選擇在石跋河樁號9+460附近新石圩小山段，圩內地面高程6.5 m，潰口寬度80 m。潰口時機選在石跋河樁號9+460出現最高洪水位8.6 m時，潰口方式為瞬間潰決。

4.3 洪水風險計算結果

1) 內河潰堤方案，1991年降雨，豐山新河老西圩耿華段、得勝河楊大圩齊莊段、石跋河新石圩小山段潰堤方案成果。

①淹沒范圍。淹沒范圍為蕪湖市鳩山區的沈巷鎮(十四聯圩、練綱圩)、香泉鎮、烏江鎮、西埠鎮、歷陽鎮、姥橋鎮、白橋鎮、功橋鎮、環峰鎮、陶廠鎮和銅閘鎮共11個鄉鎮，最高蓄洪水位新石圩8.07 m、楊大圩8.87 m、老西圩7.21 m。潰堤后保護區內水位線詳見圖4。

②淹沒水深。防洪保護區內大部分區域淹沒水深在1 m以上，最大淹沒水深4.52 m。區內最大淹沒水深分布見示意圖5。

圖5 區內淹沒水深分布示意圖(單位：m)

③流速分布。局部區域流速較大，超過1.0 m/s；大部分區域流速在0～1 m/s之間。區內洪水最大流速分布見示意圖6。

圖6 區內洪水流速分布示意圖(單位：m)

④洪水前鋒達到時間。區內洪水前鋒到達時間分布見示意圖7。

圖7 區內洪水前鋒到達時間分布示意圖(單位：m)

⑤洪水成果分析。內河洪水自排潰口工況(20年一遇)，所有的鄉鎮均有影響，淹沒總人口約9.75萬人，姥橋鎮受影響最大，影響人口1.84萬人。總淹沒面積202.65 km2，總淹沒農田面積6 447.17 hm2，受影響公路長度30.64 km，受影響鐵路長度0.54 km，受影響GDP達250 569萬元。

2) 內河潰堤方案，1969年降雨，豐山新河老西圩耿華段、得勝河楊大圩齊莊段、石跋河新石圩小山段潰堤方案成果。

①淹沒范圍。淹沒范圍為蕪湖市鳩山區的沈巷鎮(十四聯圩、練綱圩)、香泉鎮、烏江鎮、西埠鎮、歷陽鎮、姥橋鎮、白橋鎮、功橋鎮、環峰鎮、陶廠鎮和銅閘鎮共11個鄉鎮，最高蓄洪水位新石圩8.22 m、楊大圩9.06 m、老西圩7.42 m。潰堤后保護區內水位線詳見圖8。

圖8 1969年洪水過程

②淹沒水深。防洪保護區內大部分區域淹沒水深在2 m以上，最大淹沒水深4.88 m。區內最大淹沒水深分布見示意圖9。

圖9 區內淹沒水深分布示意圖(單位：m)

③流速分布。局部區域流速較大，超過1.0 m/s；大部分區域流速在0～1 m/s之間。區內洪水最大流速分布見示意圖10。

圖10 區內洪水流速分布示意圖(單位：m)

④洪水前鋒達到時間。區內洪水前鋒到達時間分布見示意圖11。

圖11 區內洪水前鋒到達時間分布示意圖(單位：m)

⑤洪水成果分析。內河洪水自排潰口工況(50年一遇)，所有的鄉鎮均有影響，淹沒總人口約12.68萬人，姥橋鎮受影響最大，影響人口2.50萬人。總淹沒面積259.62 km2，總淹沒農田面積8 338.84 hm2，受影響公路長度41.7 km，受影響鐵路長度1.51 km，受影響GDP達332 361萬元。

5 結 論

1) 內澇洪水主要對相應潰堤圩口產生一定淹沒，對相應圩口有較高風險，但對其他圩口風險較小；內澇淹沒主要是對圩內低洼地產生較大風險。

2) 洪水會在內河河道尋找堤防薄弱段溢漫或潰破，建議在制定防汛預案中應優先考慮堤防等級薄弱圩區的人員撤離。