李春辉，苑希民，田福昌，刘天鹏

(1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021;2.水利部寒区工程技术研究中心，吉林 长春 130021;3.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300350)

1 概况

淮河干流具有上游陡、中游平、下游翘的特点，上游洪水下泄速度快，下游排泄不畅，中游易成为洪水滞蓄场地。加之中游河道漫滩几率低，遇洪水极易形成高水位长历时状况，“关门淹”问题突出，行蓄洪区启用频繁，严重影响两岸经济发展[1]。现有河道整治措施虽然取得了较好的防洪效果，但淮河中游洪水位并未得到显著降低，科学有效地评估河道整治对洪水的影响效应，对淮河进一步治理规划十分重要。

近年来，针对工程对洪水影响的评估技术和方法已有不少研究成果。Jeong A等[2]开发了一种河道疏浚管理模型，研究了河道疏浚工程的影响；Forster等[3- 4]采用一、二维耦合模型模拟了蓄滞洪区的运行机制；孙东坡等[5]采用二维平面水沙数学模型计算黄河下游游荡型河段，模拟在现状生产堤、废除生产堤、限制生产堤三种工况下的洪水演进过程，分析了三种不同边界条件对洪水水位、河段流速、滩槽冲淤的影响；陈可锋等[6]利用潮流数学模型模拟分析了射阳河口拦门沙航道开挖后的水流及含沙量变化。

本文在已有研究基础上，基于水力学方法建立淮河干流正阳关至吴家渡段水动力数学模型，开展典型年设计洪水条件下不同整治方案洪水演进过程的模拟研究，重点关注不同整治方案对该河段沿程水位、测站水位流量关系、洪水演进过程以及泄流能力等方面的影响，为进一步提高淮河中游的防洪除涝能力，切实解决“关门淹”问题提供参考依据。

2 研究范围

如图1所示，正阳关至吴家渡段河道弯曲、狭窄、分汊，河道比降平缓，洪水排泄不畅，自1954年淮河全流域大水后，该河段先后实施过多处整治工程[8]。根据淮河流域防洪规划，要求该段河道设计泄流能力提高到10000m3/s，目前已完成的工程有寿西湖退堤切岗，石姚段和洛河洼堤防退建并改为防洪保护区，荆山湖改建为闸控行洪区；在建中的工程包括寿西湖和董峰湖改为闸控行洪区，退建董峰湖行洪堤，凤台峡山口段疏浚工程，汤渔湖堤防退建并调整为闸控行洪区；规划建设工程有废弃上下六坊堤行洪区，铲除行洪堤，恢复为河道滩地。部分河道整治工程经历了1991年、2003年和2007年大洪水的检验，发挥了显著的防洪效益，但是仍未解决淮河“关门淹”问题。

图1 淮河中游正阳关至吴家渡段河道示意图

3 计算原理与方法

3.1 计算原理

淮河干流正阳关至吴家渡段河道计算采用描述明渠一维非恒定流运动的圣维南方程组，求解方法为Abbott六点隐式差分离散，控制方程如下：

连续性方程：

(1)

动量方程：

(2)

式中，A—过水断面面积，m2；Q—流量，m3/s；Z—水位，m；R—水力半径，m；t—时间的坐标，s；x—空间的坐标，m；q—旁侧入流单宽流量，m2/s；g—重力加速度，m/s2；α—动量修正系数，无量纲常量。

3.2 计算方法

淮河干流作为长系列长距离的大规划系统，使用一维模型较为有效，通过充分考虑支流入汇、行蓄洪区以及闸坝调度等的综合影响[9- 10]，建立淮河干流正阳关-吴家渡段一维水动力数学模型，上边界给定正阳关实测流量过程，下边界给定吴家渡实测水位过程。模型中一些重要节点处理方法如下：

(1)蚌埠闸处理方法

蚌埠闸是淮河中游防洪工程体系的主要组成部分，是控制淮河中游洪水的关键工程，设有28孔节制闸和12孔新节制闸，工程调度情况非常复杂，现有资料多为闸上和闸下水位或流量过程，采用添加列表建筑物的方法处理蚌埠闸。通过定义过闸流量与上、下游水位之间的关系，反映蚌埠闸的泄流过程。计算模式为：

Q=f(hU/S，hD/S)

(3)

式中，Q—流量，m3/s；hU/S—闸上水位，m；hD/S—闸下水位，m。

(2)行洪区处理方法

行洪区实际运用过程十分复杂，既有干流河道向行洪区分洪，也有行洪区向河道退水，且行洪前行洪区内为干河床，若模拟时不将其纳入计算范围，行洪后再纳入，则需要改变河网节点数目和删减河段，改变河网结构。当发生超过圩堤防洪标准的大洪水时，启用的行洪区像河道一样正常行洪，因此采用将行洪区扩展为河道大断面的方法能够充分反映出河道的行洪过程。

对于上、下六坊堤这种类似河心洲的行洪区，处理方法为以南岸支流河道断面为基准，延长至与北岸支流相交，在相交位置根据北岸支流相邻断面内插出北岸支流的断面，如图2所示，并参考行洪区高程点得到行洪区所在断面的高程值，处理后的河道大断面如图3(a)所示；对于石姚段、洛河洼等分布在河道一侧的行洪区，处理方法为以淮河干流河道断面为基准，向行洪区方向延伸，并参考行洪区高程点得到行洪区所在断面的高程值，处理后的河道大断面如图3(b)所示。

图2 上、下六坊堤河道断面处理方式示意图

图3 行洪区处理为河道后的大断面图

(3)支流处理方法

筛选对干流洪水影响较大的支流，主要为颍河和涡河，其控制站分别为阜阳闸和蒙城闸，通过马斯京根法将各控制站洪水过程演算至干流河道相应里程处，并以点源的形式加入到一维河网中[5- 7]。

4 结果分析

4.1 模型率定和验证

模型河道断面采用2003年实测断面资料，验证洪水年份为2003年和2006年，基本保证与地形资料同步。该河段模型计算糙率为0.032～0.033，与多年实测糙率值相符，选用鲁台子水文站和淮南水位站实测洪水过程进行验证。2006年沿程行蓄洪区均未启用，可进行平槽和漫滩级洪水验证；2003年沿程启用了上六坊堤、下六坊堤、石姚段、洛河洼和荆山湖行洪区，可进行大流量级洪水验证。计算与实测洪水过程比较如图4和图5所示，计算值与实测值误差均在3%以内，表明模型具有较高精度，可以为河道整治方案的模拟评估提供计算平台。

图4 2003年大洪水验证

4.2 方案计算

淮河干流正阳关至吴家渡段近期演变趋势主要表现为主槽冲刷、滩地微淤，自上而下主槽冲刷速度不断加大、滩地淤积速度不断减慢，河道深泓不断下切。淮河干流来水无明显变化而输沙逐渐减少，有利于河道主槽冲刷和边坡的稳定，这也为河道疏浚等整治工程的实施提供了必要条件。根据《淮河流域防洪规划》和《淮河干流行蓄洪区调整规划》，要求通过河道拓浚，扩大洪水通道，行蓄洪区调整，减少行蓄洪区的启用几率[8]。本文拟定三个河道整治方案，并基于上述淮河干流正阳关至吴家渡段水动力数学模型对各方案进行模拟计算，对比分析不同整治方案的差异和优劣，为淮河进一步治理提供技术参考依据，见表1。

表1 整治方案优化设计

方案1为规划方案，方案2以疏浚工程为主，行洪区调整为辅，方案3以行洪区调整为主，疏浚工程为辅。由于淮河各河段洪水频率不同，例如2003年洪水中正阳关洪水频率接近20年一遇而蚌埠洪水频率大于20年一遇，因此本文主要对2003年和2007年两个典型年以及不同量级洪水进行研究。

4.2.1沿程水位计算与分析

应用上述水动力数学模型对各整治方案的洪水演进过程进行模拟，得到2003和2007年洪水条件下各整治方案的模拟水位值，与实测值对比得到各河道整治方案产生的水位效益，沿程各水位节点实测及模拟值见表2和图6，Z表示实测水位，Z1、Z2、Z3和ΔZ1、ΔZ2、ΔZ3分别表示方案1、方案2和方案3的模拟水位和水位效益。

由表2和图6可以看出，与实测水位相比各水位节点模拟水位值下降，各河段水面比降也有所下降。2003年洪水条件下，方案1沿程水位降低0.31～0.64m左右，方案2沿程水位降低0.58～1.09m左右，方案3沿程水位降低0.48～0.85m左右，方案2产生的水位效益最大。2007年洪水条件下，方案1沿程水位降低0.13～0.42m左右，方案2沿程水位降低0.35～0.80m左右，方案3沿程水位降低0.30～0.61m左右，方案2产生的水位效益最大。

表2 2003年淮河干流正阳关至蚌埠段河道模拟水位值 单位：m

图6 各整治方案沿程最大水位

由上述分析可知各方案均降低了河道水位，但2007年洪水条件下水位降低幅度明显小于2003年，由于实测值是在本年地形条件下测得，说明2003—2007年间实施的整治工程产生了一定的水位效益，故与设计整治方案相比产生的水位效益较小。从两场典型年洪水模拟结果中可以看出，方案2产生的水位效益最大，说明疏浚阻水河段比行洪区堤防退建降低沿程水位效果更好，在河道滩边足够宽，疏浚空间充足，河床稳定以及水沙条件允许的情况下，可作为河道整治的一项重要措施。

4.2.2水位流量关系分析

正阳关至吴家渡段之间有鲁台子水文站，基于上述水动力数学模型分析不同整治方案下鲁台子站的水位-流量关系变化情况。在2003年和2007年洪水条件下，计算得到方案1、方案2和方案3鲁台子站同级别水位下的流量变化及同级别流量下的水位变化情况，见表3—4，表中Q表示同级别水位下的实测流量，Q1、Q2和Q3分别表示方案1、方案2和方案3在同级别水位下的模拟流量，ΔQ1、ΔQ2和ΔQ3分别表示与实测值相比方案1、方案2和方案3同级别水位下的流量增幅；Z表示同级别流量下的实测水位，Z1、Z2和Z3分别表示方案1、方案2和方案3在同级别流量下的模拟水位，ΔZ1、ΔZ2和ΔZ3分别表示与实测值相比方案1、方案2和方案3同级别流量下的水位降幅，可以看出方案2在同级别水位下的流量增幅最大，同级别流量下的水位降幅最大，说明方案2河道的行洪能力最大。

表3 鲁台子站同级别水位下流量变幅 单位：m3/s

4.2.3洪水演进过程分析

在不同优化设计方案河道断面条件下还原2003年洪水，对比计算与实测洪水过程，分析不同河道整治方案对淮河干流洪水的减灾效应。图7(a)为峡山口站水位过程线比较，2003年实测最高水位25.06m，方案1计算最高水位24.75m，较实测值降低0.31m，方案2计算最高水位24.23m，较实测值降低0.83m，方案3计算最高水位24.45m，较实测值降低0.61m。图7(b)为淮南站水位过程线比较，2003年实测最高水位24.38m，方案1计算最高水位23.74m，较实测值降低0.64m，方案2计算最高水位23.32m，较实测值降低1.06m，方案3计算最高水位23.53m，较实测值降低0.85m。

图7 2003年洪水条件下水位过程对比

在不同设计方案河道断面条件下还原2007年洪水，图8(a)为峡山口站水位过程线比较，2007年实测最高水位24.90m，方案1计算最高水位24.59m，较实测值降低0.31m，方案2计算最高水位24.17m，较实测值降低0.73m，方案3计算最高水位24.38m，较实测值降低0.52m。图8(b)为淮南站水位过程线比较，2007年实测最高水位23.72m，方案1计算最高水位23.50m，较实测值降低0.22m，方案2计算最高水位23.19m，较实测值降低0.53m，方案3计算最高水位23.34m，较实测值降低0.38m。与实测洪水过程相比，各方案模拟洪水过程均出现洪峰滞后的现象，分析是2007年大洪水中该河段局部性降雨导致的，由于缺乏降雨资料，在模型计算过程中未考虑降雨的影响。

表4 鲁台子站同级别流量下水位变幅 单位：m

图8 2007年洪水条件下水位过程对比

4.2.4泄流能力计算与分析

增加滩槽泄流能力，提高行洪区使用标准，对改善河势、保障防洪安全和促进沿河经济发展都具有积极意义。正阳关至吴家渡段河道堤距较窄，河道泄流能力不足，沿程行洪区启用频繁，约5～8年一遇，且行洪能力达不到规划要求，因此扩大中小洪水行洪通道十分必要。基于上述水动力数学模型，计算各整治方案在设计水位条件下的滩槽泄流能力，各测站设计水位及河道滩槽泄量见表5。中小洪水条件下该河段河道规划泄流能力为8000m3/s，可以看出各整治方案在设计水位下河道泄流能力基本满足规划要求。

表5 设计水位条件下各河段滩槽泄流能力 单位：m3/s

5 结论

(1)本文建立了正阳关至吴家渡段水动力数学模型，采用2003年和2006年实测洪水过程对模型率定和验证，计算结果与实测资料吻合较好，可为不同河道整治方案洪水演进模拟提供计算平台。

(2)利用模型对2003和2007两个典型年设计洪水条件下不同河道整治方案洪水演进过程进行模拟计算，结果表明河道整治及行洪区调整工程可有效降低洪水位，减缓水面比降，提高河道滩槽泄流能力。

(3)以河道疏浚为主，行洪区调整为辅的方案2沿程水位降低最多，同级别流量或水位条件下水位变幅或流量变幅最大，河道行洪能力大。在耕地面积日益减少，行蓄洪区调整采取大规模退田还河的难度越来越大的情况下，方案2对改善河势、保障防洪安全和促进沿河经济发展都具有积极意义。