宣城沙河防洪能力提升數(shù)值分析研究

宋榮華，牛先玄

（長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司上海分公司，上海 200439）

沙河位于宣城市境內(nèi)，流域面積218km2。沙河上游屬峽谷地區(qū)，已建有塘埂頭水庫；中游為低山丘陵區(qū)，為皖南山區(qū)與沿江平原的過渡地帶；下游為平原圩區(qū)，河口處為南漪湖。因此沙河下游段既受上游洪水影響，也受南漪湖高水位頂托影響。

圖1 現(xiàn)狀流域水系圖

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬被應(yīng)用于河道整治中。常用軟件主要有MIKE，Delft3D 等等[1]。水動力學(xué)模型是河流運動規(guī)律的模擬，可以預(yù)測各種降雨標準、控制條件下的河網(wǎng)水位和流量變化。前人應(yīng)用MIKE 等軟件對章水流域南康區(qū)河道防洪工程、靖安北河小灣至上洋螺段防洪工程等通過水動力數(shù)值模型進行河道水面線求解或者不同防洪標準特征水位等計算，評價河流防洪能力，準確判定薄弱河段，為河道治理規(guī)劃決策和防汛調(diào)度提供一定的技術(shù)支撐[2-4]。

本文根據(jù)沙河現(xiàn)狀防洪能力擬定不同的方案措施，通過Mike11 建立沙河流域水動力數(shù)值模型，模擬計算不同工況下不同方案對河道防洪能力提升的作用和影響，得出防洪能力提升的最佳方案。

圖2 現(xiàn)狀現(xiàn)有堤防布置圖（紅實線）

1 數(shù)值模型

1.1 控制方程

MIKE11 數(shù)學(xué)模型水動力模塊采用的是6 點Abbott-Ionescu 有限差分格式，對圣維南方程組求解，同時還可對閘、泵等各種水工建筑物進行模擬。數(shù)學(xué)模型的基本方程為圣維南方程組：

1.2 方程離散

圣維南方程中的連續(xù)型方程和動量方程通過有限差分法進行離散，計算網(wǎng)格由流量點和水位點組成，其中流量點和水位點在同一時間步長下分別進行計算。本次主要計算范圍為沙河流域范圍，上起塘埂頭水庫，下至南漪湖。

1.3 模型驗證

計算的上游邊界采用塘埂頭水庫下泄流量，下游邊界采用《南漪湖流域治理規(guī)劃》綜合確定的水位。計算結(jié)果與已批復(fù)實施項目《宣城市宣州區(qū)沙河系統(tǒng)治理工程》等的計算成果一致，因此河網(wǎng)的計算結(jié)果是可靠的。

2 方案設(shè)計與分析

本次方案擬定以沙河流域防洪為主，根據(jù)洪林鎮(zhèn)的地形特點，結(jié)合鎮(zhèn)區(qū)、村居集中點等城鎮(zhèn)防洪和農(nóng)業(yè)圩區(qū)防洪的要求，按照“撇洪、自排、蓄滯相結(jié)合”的原則，對防洪工程進行布局。沙河干流通過已實施的宣城市宣州區(qū)沙河系統(tǒng)治理工程和宣城市宣州區(qū)沙河上游段綜合治理工程，洪林集鎮(zhèn)1.9km 干流及東側(cè)支流達到20 年一遇防洪標準、干流新318 國道以上至十里大壩9.35km河段兩岸、鎮(zhèn)區(qū)4.20km 支流西岔河、西支流達到10 年一遇防洪標準，見圖1-2。因洪林鎮(zhèn)國家級現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)建設(shè)和區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展的需要，干流河段提升到30 年一遇防洪標準。

2.1 方案設(shè)計

根據(jù)洪林鎮(zhèn)現(xiàn)狀實際情況，擬定沙河30 年一遇洪水標準加高堤防、水庫為主+沙河相應(yīng)堤防、新開河道+沙河相應(yīng)堤防及新開河道+水庫+沙河相應(yīng)堤防四個防洪能力提升工程方案：

2.1.1 方案一：沙河30 年一遇防洪標準加高堤防

沙河鎮(zhèn)區(qū)段堤防已進行20 年一遇達標加固，沙河新318 國道以上至十里大壩處9.35km 河段兩岸、鎮(zhèn)區(qū)支流已按10 年一遇防洪標準進行達標建設(shè)，為評估30年一遇防洪標準對堤防的影響，對上游10 年一遇流量（Q10%）組合南漪湖10 年一遇水位、上游20 年一遇流量（Q5%）組合南漪湖10 年一遇水位及上游30 年一遇流量（Q3.3%）組合南漪湖10 年一遇水位沙河洪水位進行對比，結(jié)果詳見表1。

表1 沙河10 年、20 年及30 年一遇洪水主要節(jié)點計算結(jié)果對比

由表可知，沙河集鎮(zhèn)段30 年一遇洪水位比20 年一遇高0.6～0.8m 左右，比10 年一遇洪水位高1.8m 左右。

2.1.2 方案二：新開河道分洪+沙河相應(yīng)堤防

綜合管廊主要是指市政公用管線，如電力、通信、給排水以及燃氣等管線，集中敷設(shè)在同一地下隧道空間內(nèi)，對地下城市空間進行綜合開發(fā)利用，進而實現(xiàn)節(jié)約城市建設(shè)用地和美化城市景觀的目的[2]。綜合管廊監(jiān)控管理系統(tǒng)主要是指對管廊內(nèi)環(huán)境、設(shè)備以及安全等情況進行監(jiān)控，進而實現(xiàn)對管廊內(nèi)部設(shè)備遠程監(jiān)控和控制的目的。

考慮到沙河集鎮(zhèn)段已達標20 年一遇防洪標準，為降低沙河洪水位，根據(jù)洪林鎮(zhèn)地形，擬在滬渝高速下游200m 處（樁號K9+158）新開河道分洪。為確定新開河道的最佳規(guī)模，擬定一系列的河底寬，河道邊坡采用1：2。以沙河樁號12+803 為例，水位計算結(jié)果見圖3。當新開河道底寬為48m 時，沙河洪水位可降至20 年一遇14.21m。

圖3 新開河不同底寬下沙河洪水位變化曲線

2.1.3 方案三：水庫為主+沙河相應(yīng)堤防

擬對現(xiàn)狀溝塘改擴建為水庫及對現(xiàn)有水庫進行擴容改造，經(jīng)分析，可將月亮灣、青隱山、大馮村、廟山崗分別改擴建為水庫。月亮灣、青隱山、杜家灣均位于流域南部的上游。

支流山丘區(qū)，庫容分別為26.6 萬、36.76 萬、55.51萬m3，均為?。?）型水庫；大馮村水庫為小（2）型水庫，庫容為87.99 萬m3；廟山崗水庫為?。?）型水庫，庫容為105.36 萬m3。新改建各水庫流域面積及洪峰流量見表。

通過水庫所在流域削峰后，將流量過程加入模型計算洪水位，通過模型計算，得出方案三的沙河洪水位計算成果，見表3。

表3 方案三沙河洪水位主要節(jié)點計算成果

由表可知，在30 年一遇防洪標準下，改擴建水庫對集鎮(zhèn)段洪水位影響在0.27—0.39m 之間。

2.1.4 方案四：新開河道+水庫+沙河相應(yīng)堤防

為降低新開河征占地規(guī)模，擬采用新開河道+水庫+沙河相應(yīng)堤防方案，月亮灣、青隱山、大馮村、廟山崗、杜家灣水庫等各水庫流域面積同方案三相同，見表3-2。

通過水庫所在流域削峰后，將流量過程加入模型來計算沙河洪水位，通過模型計算分析：當新開河底寬30m 時，集鎮(zhèn)段洪水位可降至20 年一遇14.21m。該方案沙河不同河段30 年一遇水位計算成果見表4。

表4 方案4 沙河洪水位主要節(jié)點計算成果

表5 方案比選表

同時根據(jù)方案一、方案二中新開河30m 底寬、方案三和方案四的沙河洪水位縱斷面對比圖（見圖4）可知，沙河水位逐漸降低，符合實際。

圖4 四種方案的水位變化縱斷面圖

2.2 方案比選分析

根據(jù)沙河堤防和流域現(xiàn)狀，從方案合理性、土方量、投資估算費用等方面對上述4 種方案進行比選。

根據(jù)以上方案比選可知，方案4 能夠兼顧沙河集鎮(zhèn)段已達標20 年一遇防洪標準堤防，避免集鎮(zhèn)段征地，能夠發(fā)揮整個沙河流域的防洪、水庫削峰蓄水，灌溉、排水等綜合效益，滿足區(qū)域長治久安發(fā)展需要。因此，推薦采用新開河道+水庫+沙河相應(yīng)堤防方案，新開河道底寬30m。

3 結(jié)論

綜合以上分析可知，隨著洪林鎮(zhèn)國家級現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)建設(shè)和區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展的需要，沙河集鎮(zhèn)段防洪標準需進一步提高至30 年一遇，以保障經(jīng)濟社會穩(wěn)定快速發(fā)展、保護人民群眾的生命和財產(chǎn)安全。根據(jù)沙河現(xiàn)狀防洪能力，通過Mike11 建立沙河流域水動力數(shù)值模型，模擬計算擬定的4 種不同的方案措施對河道防洪能力提升的作用和影響，比選分析得出防洪能力提升方案。擬推薦的方案四為新開河道+水庫+沙河相應(yīng)堤防組合方案，雖然新開河道和改擴建水庫占地較大，但是整體工程的挖填方量相對較小，同時避免集鎮(zhèn)段大規(guī)模征地，降低了工程實施的難度。