海河流域下垫面变化对蓄滞洪区最高滞洪水位影响分析

齐 静，谭桂秋

（海河水利委员会科技咨询中心，天津300170）

海河流域下垫面变化对蓄滞洪区最高滞洪水位影响分析

齐 静，谭桂秋

（海河水利委员会科技咨询中心，天津300170）

近年来，海河流域下垫面情况发生了剧烈变化，加上气候变化的影响，流域总体洪涝水明显减少，局部城市沥涝水增加。这些变化对海河流域内蓄滞洪区的滞洪水位将会产生一定影响。选取东淀、文安洼、贾口洼3个蓄滞洪区进行数值模拟分析，比较不同频率情况下垫面变化对蓄滞洪区最高滞洪水位的影响。

蓄滞洪区；水力学模型；滞洪水位；流域

1 问题提出

海河流域曾是洪涝灾害比较严重的流域，但从1963年以来流域内一直未发生流域性的大洪水，水资源尤其是地下水资源的过度开发、土地利用方式的改变、城市化率的增加、工程建设等因素导致流域下垫面发生剧烈的变化，加之气候变化的影响，流域总体洪涝水明显减少，局部城市沥涝水增加。由此引起的洪水情势变化，会对流域内蓄滞洪区的相应蓄滞洪特征指标产生一定的影响。笔者以海河流域大清河中下游的东淀、文安洼、贾口洼3个蓄滞洪区为例，通过二维水动力学数值模拟，分析下垫面变化对以上3个蓄滞洪区最高滞洪水位的影响。

2 三大蓄滞洪区基本情况

2.1 东淀

东淀位于大清河下游河北省霸州市、文安县和天津市静海县、西青区境内，为大清河南北支洪水和清南、清北沥水的总归宿地，洪水由独流减河和海河干流入海。东淀属于纯行洪区，设计超过3年一遇洪水就要漫滩行洪。东淀遇50年一遇洪水滞洪水位（第六堡）6.44 m时，淹没村庄77个，涉及24 105户9.4万人；淹没土地376 km2，耕地1.58万hm2，房屋258万m2，GDP16亿元，固定资产15.4亿元；淹没区人口达蓄滞洪区总人口的98%。

2.2 文安洼

文安洼地处大清河下游，位于河北省文安县、大城县、任丘市及天津市静海县境内，承纳白洋淀及东淀分洪洪水和清南沥水，西、北靠千里堤、隔淀堤，东依子牙河左堤，南至津保公路南线。文安洼有3处进洪口门，分别是王村分洪闸、滩里分洪口门及小关分洪口门。退水主要靠滩里口门，经东淀由独流减河和海河干流下泄。文安洼规划分两区滞洪，Ⅰ区位于小白河以北和滩里新渠、赵磨支渠、任河大干渠以东，其余为Ⅱ区。当白洋淀水位超过9.0 m、出流大于2 700 m3/s时，超量洪水由赵王新渠上的王村闸向文安洼分洪；当东淀第六堡水位超过6.44 m时，向文安洼或贾口洼分洪。文安洼滞洪控制水位为大赵站5.94 m，当Ⅰ区、贾口洼、团泊洼已经运用，东淀第六堡水位超过6.44 m且继续上涨时，分别在马武营附近和文安县城防洪围堤以西扒开口门分洪入Ⅱ区。文安洼遇50年一遇洪水滞洪水位5.94 m时，淹没村庄529个，涉及153 671户58万人；淹没土地1 310 km2，耕地9.33万hm2，房屋1 489万m2，GDP101亿元，固定资产95.8亿元；淹没土地面积为本蓄滞洪区总土地面积的84%，95%的耕地被淹没，淹没区人数达蓄滞洪区总人口数的92%。

2.3 贾口洼

贾口洼位于东淀南侧，处于黑龙港河下游、子牙河与南运河之间，地跨天津市的静海县、河北省的大城县和青县，西北依子牙河右堤，东靠南运河左岸，南邻子牙新河左堤北侧自然高地。贾口洼兼具行洪与滞洪的功能，当遇到20年一遇洪水时启用。贾口洼遇50年一遇洪水滞洪水位5.94 m时，淹没村庄292个，涉及72 639户27.3万人；淹没土地815 km2，耕地7.32万hm2，房屋689万m2，GDP33.1亿元，固定资产53.0亿元；淹没土地面积为本蓄滞洪区总土地面积的89%，96%的耕地被淹没，淹没区人数达蓄滞洪区总人口数的93%。

三蓄滞洪区位置，如图1所示。

图1 三蓄滞洪区位置

3 设计洪水成果

3.1 现行设计洪水成果

现行的洪水设计成果采用河北省水利水电勘测设计院1990年12月完成的《大清河流域设计洪水分析报告》成果，该成果经海委审查后颁布使用至今。新镇站为大清河洪水控制断面。大清河流域控制站设计洪水成果，见表1。

表1 大清河流域控制站设计洪水成果

文安洼蓄滞洪区还涉及到平原沥水的蓄滞问题。大清河清南及清北平原的设计沥水，采用水利部天津水利水电勘测设计研究院1997年完成的《大清河永定河下游地区超标准洪水安排规划》中的分析成果。大清河流域洪沥总成果以第六堡为大清河流域总控制断面，30 d洪量系列计算采用山区洪水控制，平原采取相应的取样方法，将大清河流域30 d洪量与平原相应涝水相加，组成大清河全流域30 d洪量系列进行频率分析，得出大清河流域30 d洪量地区组成成果，见表2。

表2 大清河流域30 d洪量地区组成成果亿m3

3.2 设计洪水下垫面一致性修订成果

在水利部公益性行业科研项目“下垫面变化条件下设计洪水修订技术研究”中对下垫面变化对大清河主要控制站设计洪水影响进行了修订，提出下垫面影响一致性修订设计洪水成果。新镇及第六堡控制断面设计洪水修订成果与现有成果比较情况如下：50年一遇洪水标准时30 d洪量，新镇控制断面比现行成果下降14.2%，第六堡控制断面比现行成果下降25.1%；100年一遇洪水标准30 d洪量，新镇控制断面比现行成果下降11.7%，第六堡控制断面比现行成果下降20.8%。

4 蓄滞洪区洪水模拟模型

本次采用的数学模型为平面二维非恒定流水力学模型，已在南水北调中线设计及多项铁路、公路工程的防洪评价中采用。

描述二维非恒定流运动规律的是圣维南方程组，圣维南方程组为：

式中：h为柱面平均水深（m）；H为水面高程（m）；U、V分别为X、Y方向的平均流速（m/s）；τxb、τyb分别为X、Y方向的床面剪切应力（N/m2）；M、N分别为X、Y方向的单宽流量（m3/s）。

由式（1）—（3）推导，得出以下微分方程：

将上述微分方程省略对流项后，得到如下求解形式的差分方程组：

式中水深与流速（单宽流量）在空间和时间上呈交错分布，如图2所示。

具体计算步骤为：空间上，在（i+1/2，j+1/2）位置上计算h，在（i+1，j+1/2）、（i，j+1/2）位置上计算X方向上的M，U，在（i+1/2，j+1）、（i+1/2，j）处计算Y方向上的N，V。时间上，在n＋1、n＋3的时间层上计算h，在n、n＋2时间层上计算M、N、U、V。确定初始及边界条件后，可由式（7）—（9）逐时段模拟洪水过程。

图2 差分格式示意

5 模拟范围及洪水数值模拟分析

由于大清河中下游的东淀、文安洼、贾口洼为联合调度运用洼地，文安洼和贾口洼的分洪运用对东淀流态、流势均有一定影响，所以需将上述三洼均纳入数值模拟范围。具体范围为：西部边界，清南地区为白洋淀千里堤，东淀区域为刘家铺村；南部边界为津保公路；北部边界为东淀北大堤；东部边界为南运河左堤、东淀内西河右堤。模拟区总面积3 228 km2，覆盖了任大公路以北的所有清南地区以及整个东淀、贾口洼蓄滞洪区。大清河三洼洪水数值模拟区地形剖分立体图，如图3所示。

图3 大清河三洼洪水数值模拟区地形剖分立体图

按大清河洪水调度方案，当东淀第六堡水位达到6.44 m且继续上涨威胁天津市区安全时，在保证河道充分泄洪的情况下，视洪水情况向文安洼或贾口洼分洪。当发生北支为主的洪水时，若文安洼尚未分洪运用，则向贾口洼分洪；当贾口洼八堡站水位达到5.94 m且继续上涨时，视洪水情况向文安洼分洪。

针对大清河流域主要控制站修订前、后的设计洪水成果，按照现状工程条件和现行调度运用方案，采用二维非恒定流模型对东淀、文安洼、贾口洼3个蓄滞洪区的蓄滞洪过程进行模拟分析。三洼蓄滞洪区典型位置最高洪水位成果，见表3。

6 结论

由于流域下垫面变化、气候变化等的影响，流域总体洪涝水明显减少。在相同的运用方式和条件下，经过模拟计算，50年一遇洪水时，东淀第六堡最高滞洪水位6.44 m、与现行设计洪水成果一致，文安洼大赵最高滞洪水位降低0.63 m，贾口洼锅底闸最高滞洪水位降低0.45 m；100年一遇洪水时，东淀第六堡最高滞洪水位降低0.10 m，文安洼大赵最高滞洪水位降低0.29 m，贾口洼锅底闸最高滞洪水位降低0.55 m。

TV122+.3；TV873

A

1004-7328（2015）01-0041-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2015.01.015

2014-10-11

齐静（1979-），女，硕士，工程师，主要从事水利规划、水资源方面研究工作。