数值模型在跨河工程防洪影响评价中的应用

靳子明

（邯郸市水利水电勘测设计研究院，河北邯郸056005）

1 流域基本情况

1.1 流域概况和水文气象

滏阳河发源于邯郸市峰峰矿区和村镇，邯郸市境内全长184km，流域面积2747.82km2（山区面积825.95km2），滏阳河干流河道长、多弯、坡度缓、洪水传播时间较长。本工程与滏阳河交叉断面上游包括滏阳河干流和支流两部分，滏阳河支流设计洪水包括御路沟、三里屯、高臾洼、澄槽沟、牤牛河等河道设计洪水。

项目所在地区处于北温带大陆性半湿润半干旱季风气候区，且有山区气候特点，四季分明，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨，春季风大多沙。全年平均气温13.2 ℃～13.4 ℃。降雨主要受太平洋东南季风影响，多年平均降雨量560mm。1963年降水年际变化较大最大降雨量1089.2mm，1980年最小年降雨量223.8mm，年内分配不均匀，多集中在6～9月份，约占全年降水量的70%以上，且多集中于7月下旬或8月上旬的一场或几场大雨、大暴雨，是造成洪水灾害的主要原因。

1.2 现有水利工程

滏阳河上游建有东武仕水库，控制流域面积340km2，现状总库容1.615亿m3，兴利库容1.44亿m3，防洪库容1.21亿m3。邯济铁路与滏阳河交叉断面位于牤牛河口与张庄桥之间，所在河段现状仅下游入邯郸市主城区处建有张庄桥枢纽，设有张庄桥节制闸和分洪闸。张庄桥节制闸，控制流域面积956.89km2，在该闸的上游、滏阳河右岸修建了分洪闸，向东北方向开挖了支漳河分洪道。

2 防洪标准

改建邯济铁路等级为Ⅰ级，拟建邯济铁路复线路基及沿途跨越河道的桥梁防洪标准均为100年一遇；滏阳河现状行洪标准不足5年一遇，规划治理标准为10年一遇。

3 洪水数值模拟分析

由于工程穿越区为滏阳河坡地行洪区，洪水流态流势比较复杂，考虑洪水的复杂性，特别是超滏阳河河道行洪标准的行洪问题，本文在建立数学模型基础上，采用数值模拟分析，对该工程修建前后的洪水流势、流态进行实验研究，分析验证洪水对建设项目可能产生的影响和建设项目对防洪可能产生的影响。

滏阳河磁县南关至张庄桥及支漳河分洪道均按10年一遇标准进行整治，如遇超10年一遇洪水时，自上游向滏东分洪，现状情况即马头分洪道建成前将在高臾附近扒口向东部分洪，规划情况即马头分洪道建成后通过该分洪道将超量洪水泄入团结西干渠，因此通过平面二维水流模型模拟超滏阳河河道（100年一遇）行洪标准下淹没范围及淹没水深，分析拟建邯济复线跨滏阳河段工程是否满足行洪要求。

3.1 计算方法

模型采用非结构网格中心网格有限体积法求解，其优点为计算速度较快，非结构网格可以拟合复杂地形。

3.1.1 二维浅水控制方程组

式中t为时间；x，y，z为右手Cartesian坐标系；η为水面相对于未扰动水面的高度；h为静止水深；u，v分别为流速在x，y方向上的分量；pa为当地大气压；ρ 为水密度，ρ0为参考水密度；f为Coriolis参量；和为地球自转引起的加速度；sxx，sxy，syx，syy为辐射应力分量；Txx，Txy，Tyx，Tyy为水平粘滞应力项；S为源汇项；us，vs为源汇项水流流速。

3.1.2 定解条件

3.1.2.1 边界条件

开边界：ηr=ηr（t）或或

ηr、为开边界r上已知潮位、流速过程。

进口开边界采用上游来流过程，即

Q（t）=Qin（t）

其中Qin为开边界上流量。

出口边界条件采用下游的水位～流量关系确定。

根据流体固壁不可穿越的原理，在不考虑渗透的情况下，可以认为陆地边界上法向速度为零；根据水流无滑动原理，水体在陆地边界上的切向流速也应为零。

3.1.2.2 初始条件

η0为计算初始时刻水位空间分布函数。

3.2 相关问题处理

3.2.1 计算河段及网格划分

综合考虑水文资料、河势及工程研究内容等因素，计算河段为干流上起高臾镇、下至郑庄北，全长12.5km，同时考虑滏阳河支流牤牛河的入汇。

计算区域西起滏阳河西侧，东至团结渠东支东侧的四边形区域，面积274.3km2，此区域内包含石安（京珠）高速、邯济铁路两条交通动脉。

3.2.2 糙率系数的确定

河道二维数模计算所采用的糙率系数，实际上是一个综合系数，反映了河道水流阻力、河道平面形态变化、河道地形概化等多个因素，计算中采用以往经过率定获得的糙率系数，其中滏阳河主槽0.025，其他滩地位置0.035～0.05。

3.2.3 动边界处理

对计算区域内滩地干湿过程，采用水位判别法处理，即当某点水深小于浅水深ηdry0.05m时，令该处流速为零，滩地干出，当该处水深大于ηflood（如0.1m）时，参与计算，洪水上滩。

3.2.4 交通线路及过水桥梁的概化

对计算区域内的交通线路，鉴于其不过水的性质，将其排除在计算区域以外，其中，石安高速公路及邯济铁路概化20m。交通线路上的过水桥梁处进行网格加密，网格线长度设置15m。为更加贴合实际情况，在计算中对部分生产桥梁进行了整理，4～5个生产桥概化为1个大的过水区域。

3.3 计算方案

在100年一遇来水过程的基础上，考虑邯济铁路复线建成对行洪的影响，制定了两个计算方案。

现状方案，即邯济铁路复线建成前洪水的演进过程。

规划方案，即邯济铁路复线建成后洪水的演进过程（其中支流汇入口以下控制泄流量337m3/s）。

3.3.1 邯济复线兴建前洪水演进形势分析

在方案运用前4h，滏阳河来流主要集中在主槽中运动，随着上游来流量的增大，水流开始漫溢出主槽；第4、5h时，牤牛河入汇口下游区域开始向东部溢出，并向东部的石安高速公路及邯济铁路线发展；第10h开始，滏阳河上游干流开始向东部溢流，向石安高速公路发展。总之，滏阳河上下游的溢出水流通过石安（京珠）高速公路及邯济铁路线的桥涵向东部团结渠东西支及邯济铁路北部发展，随着洪水演进持续时间的增长，洪水淹没面积逐渐增大。

3.3.2 邯济复线兴建后洪水演进形势分析

邯济铁路复线建成后，洪水淹没的发展的过程基本一致，邯济铁路左右的局部水位受到微小影响。本文计算选取了石安高速公路两侧的4个位置作为观测断面见图1，对比其在邯济铁路复线建成前后断面南北侧的最大水位变化见表1。

图1 观测点位置

4 结语

（1）由于滏阳河自身泄流能力的不足，在100年一遇洪水条件下，河道将很快发生漫溢，主要发展方向为首先沿滏阳河和京珠高速公路之间由南向北行进，有少量洪水穿过京珠高速公路道口流向路东，部分洪水通过邯济铁路桥涵后向东部和南部发展。

（2）在大流量持续的情况下，邯济铁路及石安（京珠）高速公路将对溢流的发展产生阻碍影响。邯济铁路附近的京珠高速西侧主行洪区最大行洪水深1.0～1.5m，京珠高速东侧邯济铁路附近的行洪水深0.5～1.0m，至生产团结渠附近邯济铁路南侧沿线行洪水深0.1～0.5m，北侧最大水深0.5～1.0m，而拟建复线铁路路肩高程与既有旧线路肩高程基本一致，均高于沿线现状地面2m以上，表明铁路路基满足防洪要求。

（3）邯济铁路复线的建设，将对铁路两侧的洪水演进产生影响，其中铁路南侧的最大壅水高度0.04m，影响范围在50m以内；铁路南侧水位最大降低幅度0.025m，最大影响范围在50m以内。说明邯济复线桥梁设置长度可满足超标准洪水的行洪要求，不会明显加重上游的淹没损失。

［1］GB50201—94，防洪标准［S］.

［2］TB10017—99，铁路工程水文勘测设计规范［S］.