周 潔， 董增川， 朱振業(yè)

(1. 河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院, 江蘇 南京 210098; 2. 浙江華東工程數(shù)字技術(shù)有限公司， 浙江 杭州 311100)

入海水道二期對(duì)洪澤湖地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)的影響研究

周 潔1, 2， 董增川1， 朱振業(yè)1

(1. 河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院, 江蘇 南京 210098; 2. 浙江華東工程數(shù)字技術(shù)有限公司， 浙江 杭州 311100)

為探究淮河入海水道二期工程對(duì)洪澤湖的泄洪能力以及周邊滯洪區(qū)的影響，在對(duì)研究區(qū)河網(wǎng)概化及地形處理的基礎(chǔ)上，建立了研究區(qū)河網(wǎng)一維、洪澤湖湖區(qū)與周邊滯洪區(qū)二維耦合的水動(dòng)力數(shù)值模型，并采用1991，2003，2006，2007四年實(shí)測歷史洪水資料對(duì)模型進(jìn)行率定及驗(yàn)證?；诂F(xiàn)狀工況、規(guī)劃工況以及不同洪水量級(jí)，設(shè)計(jì)了5個(gè)對(duì)比方案對(duì)研究區(qū)進(jìn)行洪水演進(jìn)數(shù)值模擬，對(duì)不同洪水量級(jí)進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，?duì)不同工況進(jìn)行縱向?qū)Ρ?，并?duì)不同方案進(jìn)行淹沒面積分析和洪水影響分析。結(jié)果表明，入海水道二期工程的啟用可以有效降低洪澤湖水位，提高洪澤湖的防洪標(biāo)準(zhǔn)和周邊滯洪區(qū)的啟用標(biāo)準(zhǔn)，減少同等洪水量級(jí)下的受影響人口數(shù)和區(qū)域GDP，為洪澤湖的防洪安全建設(shè)以及周邊蓄滯洪區(qū)的穩(wěn)定發(fā)展創(chuàng)造了條件。

數(shù)值模擬； 入海水道； 洪澤湖； 洪水風(fēng)險(xiǎn)

洪澤湖是淮河流域防洪排澇建設(shè)中的重要組成部分，作為淮河中下游結(jié)合部的平原湖泊型水庫[1]，承泄了淮河上中游15.8萬km2面積產(chǎn)生的洪水[2]。然而，在現(xiàn)有的工程規(guī)模條件下，洪澤湖的防洪標(biāo)準(zhǔn)低，周邊蓄滯洪區(qū)的啟用標(biāo)準(zhǔn)不到50年一遇[3]。遭遇中等洪水及大洪水時(shí)，在充分利用周邊滯洪區(qū)的情況下，洪澤湖洪水位仍偏高，出湖口泄洪能力明顯不足，增加了洪澤湖大堤的安全隱患，加大了淮河中下游地區(qū)的防洪排澇壓力[4]。為解決這一問題，鞏固和加強(qiáng)淮河入海能力，提高洪澤湖的調(diào)蓄能力，擴(kuò)建淮河入海水道工程應(yīng)運(yùn)而生?；春尤牒Ｋ酪黄诠こ淘O(shè)計(jì)流量2 270 m3/s[5]，2003年通過通水驗(yàn)收，同年6月淮河流域受多次強(qiáng)降雨影響，發(fā)生了僅次于1954年的大洪水，為減輕洪澤湖防洪壓力，入海水道提前使用，在緩解洪澤湖汛情中發(fā)揮了重要作用[5]。此后，淮河流域又多次遭遇大洪水，洪澤湖水位居高不下，洪水出路規(guī)模偏小的問題日益突出，為提高洪澤湖及下游防洪保護(hù)區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)劃建設(shè)入海水道二期工程。2015年11月，入海水道二期工程可研報(bào)告通過審批。

數(shù)值模擬是洪水風(fēng)險(xiǎn)分析的重要手段。利用風(fēng)險(xiǎn)分析數(shù)值模型可以預(yù)先模擬歷史洪水、實(shí)時(shí)洪水和未來可能的洪水，根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果可以預(yù)先評(píng)估防洪調(diào)度措施的作用和效果[6]，在評(píng)估的基礎(chǔ)上修訂和完善不合理的調(diào)度方案，降低由于調(diào)度指令不合理帶來的風(fēng)險(xiǎn)，使防洪調(diào)度決策者能更合理地做出決策。本文在充分掌握洪澤湖地區(qū)工程調(diào)度情況以及相關(guān)水文邊界資料的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一、二維耦合的動(dòng)態(tài)洪水演進(jìn)數(shù)值模型，利用已構(gòu)建的模型模擬不同設(shè)計(jì)洪水下蓄滯洪區(qū)內(nèi)洪水演進(jìn)情況，根據(jù)模擬結(jié)果，分別從定性、定量的角度評(píng)價(jià)淮河入海水道二期工程對(duì)洪澤湖地區(qū)防洪風(fēng)險(xiǎn)的影響。

1 一、二維耦合數(shù)值模型

1.1 模型控制方程及求解

河道一維模型的控制方程為圣維南方程組[7](De Saint-Venant System of Equations)，如式(1)和(2)所示。通過有限差分方法對(duì)方程進(jìn)行離散，有限差分格式為6點(diǎn)中心Abbott-Ionescu格式。計(jì)算網(wǎng)格由流量點(diǎn)和水位點(diǎn)組成，其中流量點(diǎn)和水位點(diǎn)在同一時(shí)間步驟下分別進(jìn)行計(jì)算，水位點(diǎn)位于橫斷面所在位置，流量點(diǎn)位于兩個(gè)相鄰的水位點(diǎn)之間。

(1)

(2)

式中：Q為斷面過水流量；A為過水面積；x為沿程距離；t為時(shí)間；qt為區(qū)間來水；Z為斷面水位；α為動(dòng)量修正系數(shù)；K為流量模數(shù)。

洪泛區(qū)二維模型的控制方程[8]由連續(xù)方程和水流運(yùn)動(dòng)方程組成。通過有限體積法對(duì)方程進(jìn)行離散，變量u,v位于單元中心，跨邊界通量垂直于單元邊。有限體積法中法向通量通過在沿外法向建立單元水力模型并求解一維黎曼問題得到。采用顯式時(shí)間積分。

(3)

運(yùn)動(dòng)方程：

(4)

(5)

圖1 計(jì)算范圍內(nèi)骨干河道和泄洪出口Fig.1 Main rivers and flood outlets in the region

式中：h,ξ為水深和水位；u,v分別為x,y方向的垂向平均流速；Ex,Ey分別為x和y方向的水流紊動(dòng)黏性系數(shù)；τbx，τby為x方向和y方向的底部摩阻；τsx，τsy分別為風(fēng)對(duì)自由表面x和y方向的剪切力；f=2ωsinφ為科氏力，φ為計(jì)算水域的地理緯度。Q為源或匯單位面積的流量，源取正，匯取負(fù)；u*，v*分別為源或匯輸入輸出時(shí)在x和y方向的流速。

為保證模型計(jì)算的連續(xù)性，設(shè)置了干濕邊界，處理技術(shù)采用Sleigh等[9]的研究成果，當(dāng)網(wǎng)格單元上的水深變淺但尚未處于露灘狀態(tài)時(shí)，相應(yīng)水動(dòng)力計(jì)算采用特殊處理，即該網(wǎng)格單元上的動(dòng)量通量值為0，只考慮質(zhì)量通量；當(dāng)網(wǎng)格上的水深變淺至露灘狀態(tài)時(shí)，計(jì)算中將忽略該網(wǎng)格單元直至其被重新淹沒為止。

1.2 建模范圍

本次計(jì)算范圍為16.83 m(85高程，下同)等高線以及泗洪、泗陽、盱眙部分高地所構(gòu)成的區(qū)域，包括洪澤湖湖面及相關(guān)河道、滯洪區(qū)、鮑集圩行洪區(qū)、高地，總面積為4 395.5 km2。如圖1所示。

1.3 一維河網(wǎng)概化

洪澤湖周邊滯洪區(qū)內(nèi)河網(wǎng)縱橫交錯(cuò)、水系復(fù)雜，本次建模提取了對(duì)洪水分析比較重要的一些河流來構(gòu)造河網(wǎng)模型，包括淮河、懷洪新河、徐洪河、新汴河、新濉河、老濉河、西民便河、安東河、利民河、濉河等主要通湖河道，入江水道、入海水道、分淮入沂和灌溉總渠4個(gè)出湖通道，以及322條圩內(nèi)河道等[10]。

1.4 邊界條件

一維河網(wǎng)模型的上、下游邊界的控制條件一般采用水位過程控制、流量過程控制、流量水位關(guān)系控制等形式。本次研究區(qū)內(nèi)采用各主要通湖河道的設(shè)計(jì)入湖過程作為模型輸入的上邊界，以三河閘、二河閘和高良澗閘的水位流量關(guān)系作為下邊界條件。

1.5 網(wǎng)格剖分

采用非結(jié)構(gòu)不規(guī)則網(wǎng)格對(duì)研究區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格設(shè)計(jì)成大小不等的三角形，使網(wǎng)格的大小隨地形地勢和阻水建筑物的分布靈活確定，而且盡可能地將影響水流的阻水建筑物作為網(wǎng)格邊界[11]，充分反映計(jì)算域的特征。但是，必要的時(shí)候?qū)^(qū)域內(nèi)的一些典型的線性阻水建筑物(如堤防、公路等)合理概化，并對(duì)網(wǎng)格適當(dāng)加密，在二維地形中充分反映其特征。研究區(qū)最大網(wǎng)格面積不超過0.1 km2，洪澤湖湖面網(wǎng)格適當(dāng)放大，最大網(wǎng)格面積不超過1 km2，共剖分網(wǎng)格85 894個(gè)。

1.6 耦合模型

在處理通湖河道與洪澤湖湖區(qū)、進(jìn)洪口門與洪泛區(qū)的連接時(shí)，一維模型為二維模型提供流量值Q并作為二維模型的邊界條件，將Q值分布到二維計(jì)算單元的各節(jié)點(diǎn)上；在連接處二維計(jì)算網(wǎng)格的水位值并不相等，因此取各個(gè)計(jì)算網(wǎng)格的平均水位值Z返回給一維模型，以進(jìn)行下一時(shí)段的計(jì)算。在處理實(shí)測河道與洪泛區(qū)的連接時(shí)，耦合模型將二維模型的網(wǎng)格單元從側(cè)面連接到一維模型的部分河段甚至是整個(gè)河段，利用建筑物的流量公式來計(jì)算通過側(cè)向連接的水流[12]。

1.7 模型的率定和驗(yàn)證計(jì)算

建國以來，淮河流域發(fā)生過1954，1991，2003，2006和2007年大水，但由于現(xiàn)狀工況與1954年工況相比，有很大改變，故本次選取1991和2006年作率定年份，2003和2007年作驗(yàn)證年份。

圖2 率定驗(yàn)證所用水文站地理位置分布Fig.2 Hydrological stations used for calibration and verification

1.7.1模型的率定 糙率是表征河道底部、岸坡和洪泛區(qū)地表影響水流阻力的綜合系數(shù)，是水力計(jì)算的重要參數(shù)，也是水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型中最重要的參數(shù)。根據(jù)下墊面條件不同對(duì)糙率進(jìn)行分區(qū)，主要包括一維河道糙率和二維洪泛區(qū)糙率等。采用1991和2006兩個(gè)實(shí)況年的降雨資料和洪澤湖的出湖水位資料對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行率定計(jì)算，得：一維河道糙率為0.018～0.025，洪澤湖湖面糙率為0.025～0.033，其中疏浚過的、較規(guī)則的河槽糙率取0.018，其余河槽糙率取0.025，洪澤湖湖面總體糙率取0.025，由于如栗河洼等部分為蘆葦蕩，糙率較大，這些區(qū)域糙率取0.033。

1.7.2模型的驗(yàn)證計(jì)算 根據(jù)之前率定確定的模型參數(shù)，采用2003年、2007年的實(shí)測降雨和洪澤湖的出湖水位及蔣壩、臨淮頭等4個(gè)水文站的水資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，模型計(jì)算范圍內(nèi)水文站的分布見圖2。

將實(shí)測次降雨過程、洪澤湖出湖流量過程輸入模型進(jìn)行模擬計(jì)算，比較模擬得到的4個(gè)水文站的水位過程值與實(shí)測值，結(jié)果見表1。圖3僅列出臨淮頭站、香城莊站2003年、2007年兩次模擬計(jì)算的水位過程與實(shí)測過程的對(duì)比。由圖表結(jié)果可知，數(shù)值模擬水位過程比較符合實(shí)際情況，計(jì)算值與實(shí)測值符合較好，說明模型能反應(yīng)洪水演進(jìn)的物理機(jī)制。

表1 水位過程參數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Parameter statistics of water level

圖3 2003和2007年水位實(shí)測值與計(jì)算值對(duì)比Fig.3 Comparison of water level between measured and calculated values in 2003 and 2007

2 洪水演進(jìn)模擬計(jì)算

2.1 計(jì)算方案

為研究海道二期工程啟用后對(duì)洪澤湖洪水位以及周邊滯洪區(qū)的具體影響，特設(shè)置以下5個(gè)方案供模擬計(jì)算，見表2。模型上邊界為洪澤湖50/100/300年一遇設(shè)計(jì)入湖洪水過程，下邊界為三河閘、二河閘、高良澗閘出湖口水位-流量關(guān)系，蔣壩初始水位均為13.33 m，當(dāng)洪澤湖水位達(dá)到滯洪水位時(shí)，即蔣壩水位達(dá)到14.33 m時(shí)，314個(gè)圩區(qū)同時(shí)滯洪。入海水道二期工程建成前后二河閘水位流量關(guān)系見表3。

表2 計(jì)算方案設(shè)置情況Tab.2 Scheme settings

表3 入海水道水位-流量關(guān)系Tab.3 Q-h relationship of sea-entering channel

2.2 模擬結(jié)果

2.2.1洪水演進(jìn)分析

(1)方案1、方案2與方案3對(duì)比。方案1，2和3的模擬結(jié)果見圖4。對(duì)比方案2和方案3，洪澤湖100年一遇條件下，蔣壩最高水位由15.16 m降至14.50 m，滯洪區(qū)開始滯洪時(shí)間推遲了6 d，縮短了部分圩區(qū)的淹沒歷時(shí)。對(duì)比方案1和方案3，規(guī)劃工況下100年一遇的蔣壩最高水位比現(xiàn)狀工況下50年一遇的蔣壩最高水位低0.1 m，滯洪區(qū)開始滯洪時(shí)間推遲1 d，可見，隨著海道二期工程的啟用，洪澤湖周邊滯洪區(qū)的啟用標(biāo)準(zhǔn)也由不到50年一遇提升至近百年一遇。

圖4 洪澤湖總?cè)肓鳌⒖偝隽骷笆Y壩水位過程Fig.4 Process of inflow, outflow and water level of Hongze Lake

(2) 方案4與方案5對(duì)比。 方案4和5的模擬結(jié)果見圖5。相較方案1和方案2，隨著入湖洪水量級(jí)的提高，蔣壩水位明顯升高，滯洪區(qū)滯洪時(shí)間提前，最大滯洪量增大。方案5規(guī)劃工況300年一遇條件下，蔣壩最高水位15.24 m，比方案4現(xiàn)狀工況300年一遇降低了0.67 m，與方案2現(xiàn)狀工況100年一遇中蔣壩最高水位僅相差0.08 m，可見隨著海道二期的啟用，洪澤湖的防洪能力有了顯著的提高。

圖5 洪澤湖總?cè)肓?、總出流及蔣壩水位過程Fig.5 Process of inflow, outflow and water level of Hongze Lake

淹沒水深/m淹沒面積/km2方案1方案2方案3方案4方案50.05～0.319.3421.4222.2822.8223.220.3～0.534.1736.8533.1444.9137.920.5～1.0150.67176.56160.88191.53174.251.0～2.0293.29319.67283.06358.22360.50≥2.0209.43376.70198.66631.53407.47合計(jì)(≥0.05)706.90931.20698.021249.011003.36

2.2.2淹沒面積分析 不同淹沒水深對(duì)應(yīng)的淹沒面積、不同淹沒歷時(shí)對(duì)應(yīng)的淹沒面積見表4。根據(jù)對(duì)比，無論是現(xiàn)狀工況之間，還是規(guī)劃工況之間，隨著洪水量級(jí)的提高，淹沒面積均相應(yīng)增大。規(guī)劃工況實(shí)施入海水道二期，洪澤湖泄洪能力加大，洪澤湖水位相應(yīng)降低，因此方案3、方案5分別比同等洪水量級(jí)下的方案2、方案4的淹沒面積明顯減小，并且減小的淹沒面積大多分布在2.0 m以上。

2.2.3洪水影響分析 運(yùn)用中國水利水電科學(xué)研究院開發(fā)的“洪災(zāi)損失評(píng)估模型”對(duì)研究區(qū)進(jìn)行洪水影響分析。該模型基于GIS軟件的疊加分析功能，將淹沒圖層分別與行政區(qū)圖層、居民地圖層相疊加，運(yùn)用人民生活表中鄉(xiāng)村人口和城鎮(zhèn)人口數(shù)，即可得到對(duì)應(yīng)不同洪水方案下的淹沒人口數(shù)據(jù)。再根據(jù)項(xiàng)目區(qū)的水深-損失率關(guān)系，統(tǒng)計(jì)得到不同洪水方案的洪災(zāi)損失GDP。各方案下統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表5，對(duì)比方案2和方案3，方案4和方案5，海道二期工程的投入使用，在同等級(jí)洪水量級(jí)下，可以有效減少受災(zāi)人口14～15萬人，降低受影響GDP達(dá)35萬元左右。

表5 洪水影響統(tǒng)計(jì)Tab.5 Statistics of flood influence

3 結(jié) 語

針對(duì)洪澤湖周邊滯洪區(qū)滯洪面積大，河網(wǎng)縱橫交錯(cuò)、水系復(fù)雜的特點(diǎn)，建立了一維河網(wǎng)與二維洪泛區(qū)耦合的水動(dòng)力模型。采用4年歷史洪水資料對(duì)模型進(jìn)行率定驗(yàn)證，實(shí)測值和計(jì)算值的擬合精度較高，反映了模型建立的合理性和準(zhǔn)確性。

為解決洪澤湖周邊滯洪區(qū)啟用標(biāo)準(zhǔn)低，洪澤湖出湖口泄流能力不足的問題，啟動(dòng)淮河入海水道二期工程，增大洪澤湖出湖口之一二河閘的泄洪能力，并用數(shù)值模型加以預(yù)測。模擬結(jié)果表明，入海水道二期的啟用可有效將洪澤湖周邊滯洪區(qū)的啟用標(biāo)準(zhǔn)從50年一遇提高至100年一遇，湖區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)也得到大幅提升，緩解了入江水道、灌溉總渠、分淮入沂的防洪壓力。

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Influenceofsea-enteringchannelphaseⅡprojectonfloodriskinHongzeLakearea

ZHOU Jie1， 2， DONG Zengchuan1， ZHU Zhenye1

(1.CollegeofHydrologyandWaterResources，HohaiUniversity，Nanjing210098，China; 2.ZhejiangHuadongEngineeringDigitalTechnologyCorporationLimited,Hangzhou311100,China)

In order to study the influence of the sea-entering channel phase Ⅱ project on the discharge capacity of the Hongze Lake and its surrounding detention basin, a 1-D and 2-D coupled hydrodynamic numerical model is established, based on the generalization of river network and topographic treatment. Four years’ historical flood data of 1991, 2003, 2006 and 2007 are used for the calibration and verification of the coupled model. Based on the present working condition, planning condition and different flood magnitudes, five plans are designed for comparison and numerical simulation. The flooded area and the population and GDP affected by the flood are analyzed. The results show that the sea-entering channel phase Ⅱ project will decrease the water level of the Hongze Lake efficiently, and increase the flood control standard of the Hongze Lake and the activation standard of the surrounding detention basin. The sea-entering channel phase Ⅱ project will reduce the population and regional GDP influenced by the same flood magnitude, and it will provide opportunities for the flood control and safety construction in the Hongze Lake area and for the stable development of the surrounding detention basin.

numerical simulation; sea-entering channel; Hongze Lake; flood risk

TV87

A

1009-640X(2017)05-0060-07

10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.05.009

周潔， 董增川， 朱振業(yè). 入海水道二期對(duì)洪澤湖地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)的影響研究[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào), 2017(5): 60-66. (ZHOU Jie, DONG Zengchuan, ZHU Zhenye. Influence of sea-entering channel phase Ⅱ project on flood risk in Hongze Lake area[J]. Hydro-Science and Engineering, 2017(5): 60-66. (in Chinese))

2016-09-15

江蘇省2014年度普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(KYZZ_0145)； 江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(2015B31914)； 江蘇省水利科技項(xiàng)目(20165042812)

周 潔(1991—)， 女， 江蘇蘇州人， 碩士， 主要從事防洪減災(zāi)、水利信息化及智慧水務(wù)研究。

E-mail: zhoujie_hhu@163.com