小清河分洪区洪水影响的二维模拟研究

2014-02-28冯亚辉

水科学与工程技术 2014年1期

冯亚辉

（保定市水利水电勘测设计院，河北保定 071000）

小清河分洪区地跨北京市及河北省，位于北京市大宁水库以下，是海河流域国家重点蓄滞洪区之一，也是永定河防洪工程体系中的重要组成部分。

小清河现状分洪区边界东以永定河右堤及高地为界，西以山前高地为界，南至古城小埝和小营横堤，洪水经古城小埝及小营横堤拦挡导入白沟河，原设计淹没面积424.3km2。2010年水利部海河水利委员会编制的《海河流域蓄滞洪区建设与管理规划》中考虑分洪区的设置主要是为了滞蓄永定河洪水，对小清河分洪区（北京市部分）将京广铁路与永定河右堤分别确定为分洪区北部的西侧和东侧边界，对滞蓄永定河洪水不起作用的京广铁路以西区域不再作为分洪区。为此，小清河分洪区淹没面积由424.3km2减至335.3km2，总蓄滞洪量由5.48亿m3减至4.74亿m3；其中河北省涿州市淹没面积230km2，境内铁路以东北拒马河堤防以北区域面积77km2，铁路以西面积153km2。

小清河分洪区滞蓄的洪水主要来自涿州市周边流域洪水和上游永定河的分泄洪水。分洪区上游的分洪水量和本流域洪水经分洪区滞蓄后，经分洪区出口由白沟河的下泄流量大为降低，对于50年一遇洪水的洪峰流量由1.05m3/s消减至4000m3/s，消峰达62%，滞洪削峰作用显著。

通常分洪区内河道的行洪能力较低，大水时呈漫流行洪，洪水流态比较复杂，用常规方法不能对水流状态进行精确的分析计算。本文采用二维非恒定流数学模型分析分洪区洪水的演进过程，对小清河分洪区的洪水形势、滞洪水位、滞洪过程进行综合分析。

1 数学模型的建立

1.1 基本原理

采用的数学模型为平面二维非恒定流水力学模型，描述二维非恒定流运动规律的圣维南方程组，如式（1）～式（3）。

将基本方程进行柱体积分，并将其转化成面积分后，可以得到基本离散；当确定了初始条件及边界条件后，即可逐单元、逐时段解方程组，求得水位、水深、流速、流量等水力要素值随时间的变化，从而模拟出洪水演进过程。

1.2 模拟范围及地形剖分

1.2.1 模拟范围

模拟区西部起自蓄滞洪区西部边界，北至大宁水库下游，东部边界为永定河右堤，南至拒马河南堤和古城小埝，模拟范围涵盖了小清河分洪区内北京市及河北省境内的全部范围，计算面积731km2。

1.2.2 地形剖分

依据1/10000地形图及河道纵横断面资料采集地形数据。采用矩形网格剖分，网格尺寸为125m×125m，网格数44099个。

1.2.3 糙率确定

因无实测分洪资料，本次计算依据以往模型计算经验，视网格内河道状况、作物组成、村庄分布以及树丛、道路、堤埝分布等情况综合确定，其中河道及滩地采用0.05，农田采用0.06，树林采用0.07，村庄采用0.10。

1.3 边界条件

小清河分洪区共有4条主要河流汇入，即北拒马河、胡良河、琉璃河、小清河。本次数值计算入流边界条件为4条河流的入流过程；小清河分洪区标准内洪水的出流口位于白沟河北茨村附近，为行洪区二维分析计算的下游边界，采用恒定非均匀流方法推算不同流量的白沟河水面线，分析该断面水位泄量关系。

2 模拟结果

根据《海河流域蓄滞洪区建设与管理规划》，小清河分洪区设计标准为50年一遇，结合《涿州市城市防洪规划》对北拒马河右堤进行加固，规划实施后涿州市防洪圈以南区域将不再属于小清河分洪区范围。现状情况下，涿州市内的小清河分洪区南部边界堤防尚没有形成闭合。故本次计算按现状和规划条件分别考虑。

2.1 洪水形势

现状防洪工程条件下，由于北拒马河及胡良河河槽过水能力较低，洪水在千河套和胡良套西部区域均呈坡面漫流状态，洪水流势基本与地形坡面走势相一致。其洪水主流区在北拒马河南、北支之间，该区洪水首先顺地势由西北向东南方向流动，至京广公路西部洼地缓蓄后，穿过京广公路桥流向东部地区。北支在京广公路以西5km范围筑有堤防，现状堤顶高程在33～37.2m之间。遇20年一遇及其以下洪水时，可控制北支左堤以南区域；遇50年一遇洪水时，左堤部分将发生溃决，部分洪水将流向胡良套滞蓄。

规划防洪工程条件下，北拒马河洪水主流区仍在南、北支之间的千河套缓洪，向东受南支防洪堤阻挡，沿堤向北至京广公路桥后流向东部区域。

涿州市防洪堤建设后，洪水控制在防洪圈以外，小清河分洪区淹没面积和蓄滞洪量减小。

由于防洪圈南部区域并未占据行洪主流通道，故防洪圈建设前后，洪水主流走势没有变化。

2.2 滞洪水位

现状防洪工程条件下遇20年一遇洪水时，北拒马河南支汇流口以南3.5km范围的右堤将全面漫流过水，洪水穿过107国道后将淹没城区北部地区。涿州市城区淹没水深一般为0.5～1.5m，千河套区域淹没深度在0.5～2m（砂坑除外）；遇50年一遇洪水时，城区淹没水深一般为1.0～2.0m，局部低洼地区达2.5m以上。

现状防洪工程条件下，京广公路附近20年一遇、50年一遇滞洪水位如图1所示。

注：等值线图横、纵坐标表示网格单位，1个网格单位表示实际尺寸为250m。

涿州市防洪圈建设的工程措施主要包括：北拒马河、古城小埝、白沟河左堤上延段堤防工程，北拒马河南支改线工程，新建、改建穿堤建筑物工程等。涿州市防洪圈建成后，涿州市北防洪堤以南区域不再属于小清河分洪区范围。涿州市可抵御50年一遇洪水，洪水阻断在防洪堤以北，故小清河分洪区的滞洪水位将有所抬高，其中靠近防洪堤附近的抬高幅度比较明显，抬高在0.5～1m；向分洪区北部边界，滞洪水位影响渐小。

规划防洪工程条件下，京广公路附近20年一遇、50年一遇滞洪水位如图2所示。

涿州市防洪圈建成以后，小清河分洪区滞洪面积由424.3km2减至335.3km2，减小 89km2；总蓄滞洪量由5.48亿m3减至4.74亿m3，滞洪容积减小0.74亿m3，减小比例13%。