淮河中游河道治理疏浚規(guī)模論證

陶浩然

(安徽省水利水電勘測設(shè)計研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

1 基本情況

淮河干流發(fā)源于河南省桐柏山麓，流經(jīng)河南、安徽、江蘇3省，在江蘇境內(nèi)經(jīng)洪澤湖調(diào)蓄后，主流經(jīng)入江水道至三江營入長江，全長約1000km。淮河中游河道比降平緩、低洼地面積大、分布范圍廣、居住人口眾多。沿淮洼地的地面高程一般為15～20m，低于河道設(shè)計洪水位和警戒水位2m以上，而淮河干流常遇高水位洪水、嚴重頂托支流和沿淮洼地的排水，導(dǎo)致澇災(zāi)情況嚴重，損失巨大。因此，可通過擴大淮河中游排洪通道來增強河道灘槽泄量，降低常遇洪水水位，提升流域防洪安全保障能力。使用MIKE11構(gòu)建淮河干流一維水動力模型，計算河道在不同疏浚底寬下的過流能力及水位變化情況，可對疏浚規(guī)模進行論證，最終確定疏浚規(guī)模。

2 模型構(gòu)建及邊界條件

2.1 模型構(gòu)建

淮河干流河道泄流能力分析的核心是構(gòu)建一系列一維水動力數(shù)學(xué)模型，模擬在平灘流量、中等洪水、設(shè)計洪水等工況下，干流各種斷面下的水位、流量變化過程，分析河道主槽及灘地過流能力變化情況，為疏浚規(guī)模論證提供依據(jù)。模型的選擇考慮到DHI的MIKE模型系統(tǒng)軟件已有幾十年研發(fā)與應(yīng)用的歷史，在世界各地及中國已有大量的工程應(yīng)用案例，可靠性已被大量項目所驗證，本文采用MIKE系列軟件構(gòu)建河流水動力學(xué)模型。

本次構(gòu)建的干流一維水動力學(xué)模型庫采用的數(shù)學(xué)模型方法是MIKE 11 HD水動力模塊和SO水工建筑物操作模塊。

2.1.1MIKE 11 HD水動力模塊

MIKE11水動力(HD)模型包含馬斯京根法(Muskingum)和馬斯京根-康吉洪水演算方法(Muskingum-Cunge)，用于簡化的河道演算，可自動匹配次臨界流和超臨界流計算。一維水動力計算模型的基本方程采用基于垂向積分的物質(zhì)和動量守恒方程，即一維非恒定流圣維南(Saint-Venant)方程組來模擬河流或河口的水流狀態(tài)。方程組如下：

(1)

(2)

式中，x、t—計算點空間和時間的坐標(biāo)；A—過水?dāng)嗝婷娣e，m2；Q—過流流量，m3；h—水位，m；q—旁側(cè)入流流量，m3；C—謝才系數(shù)；R—水力半徑，m；α—動量校正系數(shù)；g—重力加速度，m/s。

方程組利用Abbott-Ionescu六點隱式有限差分格式求解。該格式在每一個網(wǎng)格點不是同時計算水位和流量，而是按順序交替計算水位和流量，分別稱為h點和Q點。Abbott-Ionescu格式具有穩(wěn)定性好、計算精度高的特點。離散后的線形方程組用追趕法求解。

2.1.2MIKE11 SO水工建筑物操作模塊

在數(shù)學(xué)理論上，水工建筑物(也被稱為函數(shù))用于計算上下游2個水位點(h-point)之間的流量，也就是水工建筑物被安置在計算網(wǎng)格點的流量點處(Q-point)。通過水工建筑物的流量由上下游水位以及建筑物本身參數(shù)(如建筑物相關(guān)尺寸等)確定。

根據(jù)河道過流能力分析的需要，本次基于MIKE 11 HD構(gòu)建淮河干流一維水動力學(xué)模型的總體布置包括河道及斷面的概化、上下游邊界條件設(shè)定、河道構(gòu)筑物的概化及模型率定驗證等。

2.2 邊界條件

根據(jù)淮河防洪要求，各節(jié)點控制水位為臨淮崗閘下26.70m，正陽關(guān)26.40m，淮南24.48m，渦河口23.39m，蚌埠22.48m，浮山18.35m。

(1)設(shè)計洪水流量(行洪區(qū)啟用)。王家壩-正陽關(guān)段河道為7400～9400m3/s，正陽關(guān)-茨淮新河口段河道為10000m3/s，茨淮新河口-渦河口段河道為12000m3/s，渦河口以下河道為13000m3/s。200年一遇正陽關(guān)下泄流量為12800m3/s，蚌埠下泄流量14660m3/s。

(2)河道灘槽流量(行洪區(qū)不啟用)。王家壩-正陽關(guān)段河道為7000m3/s，正陽關(guān)-茨淮新河口段河道為8000m3/s，茨淮新河口-渦河口段河道為9000m3/s，渦河口以下河道為10500m3/s。

(3)浮山中等洪水水位。根據(jù)淮河中游洼地高程與面積曲線，對比行蓄洪區(qū)調(diào)整完成基礎(chǔ)上實施河道疏浚工程前后沿程中等洪水水位，即過流7000～8000～10500m3/s時所對應(yīng)的沿程水位，分析疏浚對洼地排澇的影響。由于浮山以下段河道進一步疏浚有較大的不確定性，浮山中等洪水水位采用行蓄洪區(qū)調(diào)整完成后確定的水位17.5m。

3 疏浚規(guī)模方案

結(jié)合淮河干流蚌埠以下河道治理研究的成果，在淮河干流行洪區(qū)調(diào)整完成基礎(chǔ)上，在主要堤防不退建、蓄滯洪能力不減少、主要節(jié)點設(shè)計洪水位不調(diào)整的條件下，擴大淮河中游河道灘槽泄量，降低中等洪水水位1～2m，擬定3組河道規(guī)模疏浚方案。

3.1 方案一

該方案河道平灘流量3000～4400～4500m3/s，為2～3年一遇，主要是研究設(shè)計洪水條件下取消正陽關(guān)以下行洪區(qū)行洪功能的方案，在現(xiàn)有河道灘槽范圍內(nèi)，淮河干流達到設(shè)計流量時，設(shè)計洪水位維持不變的情況下，按淮河干流正陽關(guān)以下河道灘槽泄量10000～13000m3/s控制疏浚規(guī)模，將壽西湖、董峰湖、上六坊堤、下六坊堤、荊山湖、花園湖行洪區(qū)啟用標(biāo)準提高到50年一遇以上。

疏浚臨淮崗-正陽關(guān)-渦河口-浮山段河道，底寬為310～390～400m，底高程為14.9～12.0～8.0～5.0m，疏浚土方量為14480萬m3。切灘永久占地19600畝，沖填區(qū)占地62100畝。估算投資73.2億元。

3.2 方案二

該方案河道平灘流量3200～4700～5200m3/s，為3年一遇，是在方案一的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加疏浚規(guī)模，在設(shè)計洪水位維持不變條件下，按淮河干流正陽關(guān)以下灘槽泄洪流量達到10500～13600m3/s控制疏浚規(guī)模，將壽西湖、董峰湖、上六坊堤、下六坊堤、荊山湖、花園湖行洪區(qū)啟用標(biāo)準提高到50年一遇以上。

疏浚臨淮崗-正陽關(guān)-渦河口-浮山段河道，底寬為340～430～450m，底高程為14.9～12.0～8.0～5.0m，疏浚土方量為24780萬m3。切灘永久占地33200畝，沖填區(qū)占地108000畝。估算投資124.6億元。

3.3 方案三

該方案河道平灘流量3600～5000～6200m3/s，為3～5年一遇，主要是研究以第二造床流量控制河道疏浚規(guī)模的方案，在現(xiàn)有河道灘槽范圍內(nèi)，淮河干流達到設(shè)計流量時，設(shè)計洪水位維持不變的情況下，按淮河干流正陽關(guān)以下河道灘槽泄量11300～14600m3/s控制疏浚規(guī)模，將壽西湖、董峰湖、上六坊堤、下六坊堤、荊山湖、花園湖行洪區(qū)啟用標(biāo)準提高到50年一遇以上。

疏浚臨淮崗-正陽關(guān)-渦河口-浮山段河道，底寬為420～490～550m，底高程為14.9～12.0～8.0～5.0m，疏浚土方量為40520萬m3。切灘永久占地63600畝，沖填區(qū)占地178800畝。估算投資207.0億元。

4 疏浚方案比較分析

4.1 整體布局與效果分析

3個疏浚方案均能在不抬高現(xiàn)有設(shè)計洪水位(正陽關(guān)26.40m、渦河口23.39m、浮山18.35m)情況下，通過河道灘槽泄洪替代行洪區(qū)行洪流量，將行洪區(qū)調(diào)整為蓄洪區(qū)。河道灘槽泄洪能力方案一達到10000～13000m3/s，方案二達到10500～13600m3/s，方案三達到11300～14600m3/s。

若壽西湖、董峰湖、上六坊堤、下六坊堤、荊山湖、花園湖仍為行洪區(qū)且充分運用，在設(shè)計水位維持不變的情況下，河道泄洪能力方案一達到11400～13600m3/s，方案二達到12000～14200m3/s，方案三達到12800～15100m3/s。

在淮干正陽關(guān)-浮山段設(shè)計洪水流量10000～12000m3/s維持不變、浮山水位18.35m情況下，方案一設(shè)計水位降低0.2～0.6m，方案二設(shè)計水位降低0.5～0.9m，方案三設(shè)計水位降低0.7～1.2m。

在淮干正陽關(guān)-浮山段中等洪水流量8000～10500m3/s維持不變、浮山水位17.50m情況下，僅河道灘槽泄洪，中等洪水較設(shè)計洪水水位方案一降低0.85～1.83m，方案二降低0.85～2.11m，方案三降低0.85～2.38m。

從提升淮河中游防洪能力和治理效果角度，方案三提升灘槽泄洪能力最大，降低中等洪水水位效果最顯著，結(jié)合行洪區(qū)運用，滿足淮河干流200年一遇正陽關(guān)、蚌埠下泄要求，能夠提高中游防洪能力到200年一遇。

整體布局與效果分析結(jié)果見表1。

表1 疏浚方案整體布局與效果分析

4.2 工程量與投資分析

方案一疏浚土方14480萬m3，切灘永久占地19600畝，排泥場臨時占地62100畝，總投資73.2億元。疏浚規(guī)模最小，切灘占地、排泥場用地最少。

方案二疏浚土方24780萬m3，較方案一增加71.1%；切灘永久占地33200畝，較方案一增加69.4%；排泥場臨時占地108000畝，較方案一增加73.9%。總投資124.6億元，較方案一增加70.1%。

方案三疏浚規(guī)模最大，切灘占地、排泥場用地最多。疏浚土方40520萬m3，較方案一增加179.8%，比方案二增加63.5%；切灘永久占地63600畝，較方案一增加224.5%，比方案二增加91.6%；排泥場臨時占地178800畝，較方案一增加187.9%，比方案二增加65.6%。總投資207.0億元，較方案一增加205.7%，比方案二增加66.2%。

3個方案工程量與投資分析情況見表2。

表2 疏浚方案工程量與投資分析

可見，方案三較前2個方案增加的灘槽泄洪能力最多，且單位增加灘槽泄洪能力的投資最少。

4.3 改善沿淮兩岸洼地排澇效果分析

安徽省沿淮兩岸分布近60片洼地，洼地面積達8556km2，在淮河干流行洪區(qū)調(diào)整和建設(shè)工程完成后，處于10～20年一遇洪水位下的沿淮洼地面積達7523km2。

本次疏浚臨淮崗-浮山段河道，其中方案一按平灘流量3000～4400～4500m3/s，五河以上河道中等洪水水位比現(xiàn)狀設(shè)計洪水水位降低1.0～1.8m，可保護沿淮洼地面積950km2。方案二按平灘流量3200～4700～5200m3/s，五河以上河道中等洪水水位比現(xiàn)狀設(shè)計洪水水位降低1.1～2.1m，可增加沿淮洼地面積1350km2。方案三按平灘流量3600～5000～6200m3/s，五河以上河道中等洪水水位比現(xiàn)狀設(shè)計洪水水位降低1.2～2.4m，可增加沿淮洼地面積1960km2。

3個方案改善沿淮兩岸洼地排澇效果分析見表3。可見，方案三增加了單位平灘流量，可保護的沿淮洼地面積最多。

表3 疏浚方案改善沿淮兩岸洼地排澇效果分析

5 結(jié)論與建議

從遠近結(jié)合、沿淮高質(zhì)量發(fā)展的要求，對沿淮洼地排澇效果、投資等方面綜合考慮，淮河干流正陽關(guān)-浮山段河道疏浚的方案三為優(yōu)選方案。

現(xiàn)有河道灘槽范圍內(nèi)，淮河干流達到設(shè)計流量時，設(shè)計洪水位維持不變的情況下，選取合適的斷面控制疏浚規(guī)模，可增加灘槽泄量2600～4100m3/s，中等洪水條件下節(jié)點水位降低0.85～2.38m，保護沿淮洼地面積1960km2，同時將壽西湖、董峰湖、上六坊堤、下六坊堤、荊山湖、花園湖行洪區(qū)啟用標(biāo)準提高到50年一遇以上。

隨著淮河生態(tài)經(jīng)濟帶建設(shè)、長三角地區(qū)高質(zhì)量發(fā)展等國家重大戰(zhàn)略不斷推進實施，淮河中游地區(qū)經(jīng)濟必將快速發(fā)展，對淮河的治理也將進入新的階段。在未來治理淮河時應(yīng)擴大洪水通道，進一步增強河道灘槽泄洪能力，提高行蓄洪區(qū)啟用標(biāo)準。本文的研究結(jié)果對于淮河干流河道進一步治理具有一定的參考價值。