苗玉霞

（河南省水利移民事务中心，河南 郑州 450003）

0 前言

南水北调中线工程是实现中国水资源优化配置、促进经济社会可持续发展、保障和改善民生的重大战略性基础设施。工程沿线布置有上千座立体交叉建筑物，其中输水建筑物159座，左岸排水建筑物458座。左岸排水建筑物担负着中线工程总干渠左岸洪水的行洪任务，对保障中线工程总干渠安全稳定运行具有重要意义。

随着社会经济的持续快速发展和城市化进程的加剧，左岸排水建筑物区域的地形、地物可能发生较大的变化，因此需要模拟在现状地形、地物特征条件下的洪水演进过程，分析对总干渠及工程上下游可能产生的风险，提出相应的工程处理方案，为中线工程汛期应急抢险、工程维护提供决策支持。

1 工程概况

1.1 工程布置

晏曲沟左岸排水渡槽于廿里铺乡魏寨村附近与总干渠相交，轴线交点荥阳段桩号为XYD6+930.57。交叉断面以上集水面积2.31 km2，沟长2.60 km、比降3.40‰。交叉断面处，河道50年一遇设计流量54 m3/s，200 年一遇校核流量77 m3/s；总干渠设计流量265 m3/s，相应水位118.93 m，加大流量320 m3/s，相应水位119.64 m，渠底宽18.00 m，渠底高程111.93 m。

晏曲沟左岸排水渡槽主要包括进口防护段、进口渐变段、进口连接段、槽身段、出口连接段、陡坡段、消力池段、出口渐变段、出口防护段。

1.2 设计洪水成果

晏曲沟为无实测资料山丘区河流，根据图集查算设计暴雨，采用推理公式法计算晏曲沟与总干渠交叉断面设计洪水。

总干渠修建后，晏曲沟与魏寨沟串流。晏曲沟交叉建筑物为排水渡槽，经采用水库调洪法计算建总干渠后水位流量，选定断面尺寸为1.00 m×8.00 m×2.90 m，建总干渠前后交叉断面各频率水位及流量成果见表1。

表1 晏曲沟各频率水位泄量成果表

2 模型构建和率定

2.1 模拟方案

模拟设计洪水采用设计标准50 年一遇和校核标准200 年一遇两种工况，各频率洪水过程均采用24 h。

建立洪水演进模型，模拟洪水演进过程，得到河道不同断面的水位、流量过程线以及洪水淹没范围、水深、流速等风险要素。

2.2 模型原理

二维洪水演进控制方程组，如式（1）至式（4）：

式中：H为水深；u、v为x、y方向的垂线平均流速；ε为紊动黏性系数；g为重力加速度；Z为水位；Z0为地面高程；n为糙率。

2.3 模型范围

为准确反应现状地形对晏曲沟、魏寨沟左岸排水渡槽及总干渠附近的洪水演进影响，以总干渠堤防、公路、地势高区域为界，选取魏寨沟与总干渠交叉断面上游约490 m 建设路为南边界，晏曲沟与总干渠交叉断面下游750 m 绳金路为北边界，总干渠右侧1 050 m郑州绕城高速为东边界，晏曲沟上游河道较高处为西边界作为模型计算范围，总面积为2.65 km2，进行无人机航测，得到0.10 m 分辨率的高清正射影像和数字高程地形。

2.4 模型构建

2.4.1 地形网格剖分与地形插值

采用非结构性网格进行地形剖分，单一网格面积不超过25 m2，最大边长不超过8 m，对渡槽建筑物、河道以及截洪沟等关键位置进行网格加密，加密网格边长为1～5 m。通过数字高程地形对生成的网格进行插值得到网格文件，共剖分网格数量186 051个。

2.4.2 模拟时间和计算步长

模拟时间选取24 个小时，以保证能够完整地模拟淹没演进过程。计算时间步长直接影响模型的稳定性和模拟计算所需时间，根据网格大小，确定计算时间步长为5 s。

2.4.3 边界条件

结合晏曲沟、魏寨沟上下游河道地形，模型上边界为两个入流点源，分别位于晏曲沟上游河道、魏寨沟上游河道，洪水过程为50年一遇和200年一遇洪水过程。

模型下边界为晏曲沟下游河道与魏寨沟下游河道交汇处下游约500 m绳金路涵洞处，设置为开边界，设置流速边界；在总干渠左岸截流沟处、总干渠右岸道路处设置开边界，设置为流速边界。

2.4.4 干湿边界

对于陆地二维洪水模拟，从模型稳定性和产汇流效果多方面考虑，将模型干水深设置为0.005 m，湿水深设置为0.1 m。

2.4.5 糙率

在二维洪水淹没演进模型中，通过按居民地、耕地、道路、空地、河道等细分各类下垫面，并分别赋予不同的糙率值。模型中各下垫面的糙率参考南水北调总干渠原设计阶段赋值和《洪水风险图编制导则》推荐值。

2.5 模型参数率定

为保证构建模型的准确性，对构建的晏曲沟左岸排水渡槽进行过流能力率定。通过调整建筑物糙率，使槽身过流能力与设计成果相符，通过模型率定，晏曲沟槽身糙率设置为0.015，符合实际情况。

3 模拟结果分析

3.1 串流洪水分析

3.1.1 地形地势分析

根据原设计成果，晏曲沟、魏寨沟属于串流河道，且具有单向串流的特点，魏寨沟为串出河流，晏曲沟为串入河流。

2021 年9 月，经过现场查勘，现状晏曲沟流域内新建科学大道和荥泽大道，呈“十”字形交叉，晏曲沟与魏寨沟排水渡槽被其分割开，总干渠左侧科学大道至荥泽大道路面高程为128.31～127.42 m，高于魏寨沟200年一遇设计洪水位127.18 m，故总干渠左岸魏寨沟洪水无法串入晏曲沟。

3.1.2 水动力学模型分析

进行200 年一遇设计洪水工况下魏寨沟与晏曲沟串流洪水分析，洪水模拟开始后，约4小时40分钟后，晏曲沟上游洪水到达魏寨沟左岸排水渡槽进口，魏寨沟下游洪水到达绳金路公路涵洞；约6 小时后，晏曲沟下游洪水与魏寨沟下游洪水汇合向并向下游演进；约14小时10分钟后，魏寨沟排水渡槽洪峰流量达到最大，为254 m3/s，且总干渠左岸洪水到达科学大道，最高水位为127.21 m，小于科学大道路面高程，洪水沿科学大道向西演进；约15小时15分钟后，淹没范围达到最大，洪水开始消退，约19小时40分钟后，洪水消退完成，下游地势低洼处留有积水。

通过二维水动力学模型计算分析，总干渠左岸魏寨沟上游洪水由于科学大道的阻隔并未与总干渠左岸晏曲沟上游洪水串流，与现状地形地势符合。

3.2 宴曲沟洪水结果分析

根据串流洪水分析结果，在现状地形下，魏寨沟洪水不会串入晏曲沟，因此，仅对晏曲沟洪水进行模拟分析。

通过对晏曲沟左岸排水渡槽两种工况下洪水模拟计算，得到洪水的最大淹没范围、最大水深分布、最大流速分布、到达时间等各类水力要素。

3.2.1 50年一遇工况计算成果

由模拟结果可知，洪水沿晏曲沟上游河道到达左岸排水渡槽，通过渡槽后进入下游，由于下游河道断面束窄，洪水漫出河槽，向总干渠右岸演进，剩余洪水通过河道下游绳金路公路涵洞向下游演进。

50 年一遇工况下，晏曲沟排水渡槽槽身洪峰流量最大约为40 m3/s，流速为2.35 m/s，水深为2.15 m。3.2.2 200年一遇工况计算成果

200 年一遇设计洪水淹没演进过程大致与50 年一遇设计洪水类似，晏曲沟排水渡槽槽身洪峰流量最大约为51 m3/s，流速为2.85 m/s，水深为2.23 m。

50 年一遇工况和200 年一遇工况下渡槽槽身均未出现漫槽现象，但由于下游约180 m 处河道束窄，导致渡槽槽身回水壅高。

4 洪水风险分析

4.1 建筑物风险分析

4.1.1 槽身水位分析

提取晏曲沟左岸排水渡槽50年一遇和200年一遇成果中渡槽中不同位置的最高水位，与渡槽顶部高程进行对比，见表2。

表2 晏曲沟渡槽中水位与槽顶高程对比表

由表2 可知，50 年一遇时，渡槽槽身槽顶超高均在0.70 m以上，200年一遇时，渡槽槽身槽顶超高均在0.60 m以上，不会出现漫槽风险。

4.1.2 冲刷风险分析

50年一遇和200年一遇设计洪水方案下，晏曲沟排水渡槽进口最大流速为5.68 m/s，大于浆砌石的不冲流速4 m/s，可能会对建筑物进口渐变段处造成冲刷破坏。

4.2 总干渠风险分析

4.2.1 漫堤风险分析

在总干渠左岸和右岸洪水淹没区域自建筑物起分别沿堤防附近选取一系列测点，比较两个方案各点淹没水深和对应堤顶高程，对比结果见表3。

表3 总干渠左右岸堤防淹没区水位成果表

通过结果可知，总干渠左岸在50年一遇和200年一遇工况下，堤顶高程均高于洪水位1 m以上；总干渠右岸在50年一遇和200年一遇工况下，堤顶高程均高于洪水位0.5 m以上，不会出现漫堤风险。

4.2.2 冲刷风险分析

50 年一遇和200 年一遇设计洪水方案下，总干渠左岸、右岸截留沟内最大流速为3.57 m/s，小于浆砌石的不冲流速4 m/s，不会对总干渠坡脚造成冲刷破坏。

4.2.3 坡脚淹没风险分析

200 年一遇洪水消退完成后，部分地势低洼处仍有积水，总干渠左岸距离堤脚约180 m处留有积水深约1.52 m，左右岸截流沟内留有积水深约0.56 m，晏曲沟左岸排水渡槽进口处留有积水深约0.55 m。总干渠左右岸截流沟为混凝土护砌，因此地势低洼处积水不会对总干渠堤防和建筑物造成影响。

5 结论与建议

经分析，晏曲沟左岸排水渡槽过流能力满足设计要求，无漫槽风险，渡槽进口处存在冲刷风险；总干渠无漫堤风险，坡脚不存在冲刷风险。

为进一步降低晏曲沟左岸排水渡槽和总干渠风险，建议对晏曲沟左岸排水渡槽下游出口防护段后约250 m 范围内进行河道扩宽，在现有基础上扩宽约5～8 m，扩宽面积约3 250 m2；并对渡槽下游出口防护段至绳金路公路涵洞范围内树木进行清理、河道进行清淤疏浚；对绳金路公路涵洞进行清淤疏通；确保洪水下泄顺畅。