基于流域洪水危险分析的社工坑整治方案

刘曾美，冯斯安，蓝福鹏，陈斯达，梁 华，费开轩

(1.华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510640； 2.广东省水利工程安全与绿色水利工程技术研究中心，广东 广州 510640; 3.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510610)

河道整治，通常针对拟整治的河道，结合现状河道下的洪水危险分析成果，拟订几种河道整治方案，然后计算各拟订方案的河道水面线，推求河道堤顶高程，再综合考虑工程量、征地补偿费用等因素，优选河道整治方案。对于单一河道，通常采用恒定非均匀流能量方程推求水面线[1-3]；而对于复杂河段或河网地区河流，一般采用水动力模型推求水面线，其中，MIKE模型在工程实践中应用较为广泛[4-8]。对现状河道下的洪水危险分析，通常假设堤防高程足够高，若计算设计水位超过实际堤防高程，则表明洪水实际上漫过堤防[9-10]，但尚无法了解洪水淹没状况，故可能不利于拟定合适的河道整治方案。洪水淹没状况必须基于实际堤防状况来模拟计算，对于河道较宽的河流可直接应用二维MIKE21模型来模拟洪水的演进过程[11-12]，而对于河道不宽的小河流可应用MIKEFLOOD耦合一维MIKE11模型和二维MIKE21模型来模拟洪水漫堤后的演进过程[13-16]。在中小河流整治中，必须统筹兼顾、因地制宜，把握好整体和局部关系，将中小河流整治纳入整个流域防洪体系中统筹考虑，充分考虑下游河段和干流洪水承受能力，才能找到合理的整治方案。本文以位于广州市白云新机场配套综合开发区的铁山河支流社工坑为研究实例，基于MIKEFLOOD耦合一维MIKE11模型和二维MIKE21模型进行流域洪水危险分析，研究优化河道整治方案。

1 研究区域概况

图1 铁山河流域地形及河网现状

随着广州市白云新机场建设，花都区花山镇被纳入机场配套综合开发区范围。社工坑是铁山河(河段长13.4 km)支流，发源于花山镇铁山新村，由北向南流入铁山河，全长7.98 km，流域面积9.58 km2，河道平均坡降3.4‰。铁山河流域面积58.3 km2，流域地形图见图1。社工坑是花山镇中部地区的主要灌溉和行洪渠道，河道中多处建有水陂以抬高水头便于自流灌溉引水。随着流域内土地开发利用，社工坑的灌溉功能逐渐减小，生态景观用水功能突出。目前铁山河已按20年一遇的标准予以防洪达标整治，而社工坑河道基本处于天然状态，河道迂回曲折、狭窄、淤积严重，加之河道上有很多水陂工程，导致每逢暴雨易发生洪水漫溢，两岸平原地区积水成灾，对当地的生产和生活造成严重影响，严重破坏了当地的生态环境，因此，拟对社工坑进行河道规划整治。

花山镇人口小于20万，属于一般城镇，根据GB 50201—2014《防洪标准》的规定，防洪标准采用50～20年重现期，根据《广州市花都区水系规划》，社工坑近期防洪标准采用20年一遇，远期为50年一遇。

2 模型构建

根据地形条件及可能的淹没范围，选取整个铁山河流域，北至社工坑源头及铁山河的三夹水闸、南至铁山河河口，形成一个全流域概化水系(图2)。

2.1 一维模型

MIKE11基本方程组为一维非恒定流圣维南方程组，方程采用Abbott-lonescu六点隐式差分格式求解。

a. 河网概化及水工建筑物设置。根据研究区域的基础地理信息数据提取河流中心线坐标构建社工坑河道一维模型(MIKE11)河网文件，在河网文件中加入设置用于抬高水位以自流灌溉引水和营造景观水位的滚水堰，堰流过水能力Q计算式为

(1)

b. 河道断面设置。根据社工坑实测统计断面资料及铁山河河道断面设计资料设置河道断面文件，平均50 m一个断面，共设置河道断面427个。河道概化及河网文件图见图3。

2.2 二维模型

MIKE21属于平面二维自由表面流模型，采用有限体积法求解平面二维浅水方程。

a. 网格划分。社工坑流域河道外地表部分应用二维水动力模型(MIKE21)，采用结构性网格(矩形网格)对研究区域进行剖分，为保证模型计算精度及计算效率，设置网格大小为50 m50 m，共剖分网格28 800 个。

b. 高程插值。在1∶2 000比例尺实测地形图提取地形高程点，导入MIKE21网格文件中进行网格高程插值，插值得研究区域地形网格图，不考虑风况、波浪及涡流的影响。

图2 河道概化示意图 图3 河网文件

表1 河道各计算断面设计洪峰流量

2.3 MIKEFLOOD耦合模型

MIKEFLOOD是把一维MIKE11模型和二维MIKE21模型连接在一起进行动态耦合的模型系统，能模拟一维河网与二维模拟区域连接处的动量传输，可通过不同的连接方式将一维河网连接到二维地形中，模拟洪水过程研究区域的淹没情况。本文采用侧向连接方式耦合，高出河岸的水将沿着垂直于河流流向与二维地表模型进行水量交换，水量交换采用堰流公式近似计算[17]，计算公式为

(2)

式中：q为交换水量，m3/s；W为宽度，m，一般取单元格和河道相连的边长；C为堰流系数，取1.838；k为堰指数。

2.4 边界条件

a. MIKE11一维水动力学模型。边界条件通常设置为上游流量过程边界，下游水位边界，此处设立2个(分别为社工坑和铁山河)流量上游边界，一个下游水位边界。上游流量边界采用广东省综合单位线法计算成果，由于河道内无更小子流域，河道较长，各断面之间的区间入流采用均匀汇入，各计算断面设计洪峰流量成果见表1。下游水位边界是铁山河河口水位，经遭遇分析论证后取5年一遇设计洪水位5.98 m。

b. MIKE21二维水动力学模型。边界条件一般有开边界及固定边界，本文利用MIKEFLOOD将MIKE11与MIKE21采用侧向连接方式耦合，高出河岸的水将沿着垂直于河流流向与二维地表模型进行水体交换，在研究区域四边设置固定边界。

2.5 模型参数

a. 一维模型参数选取。该参数量河道糙率系数，天然河道糙率系数取为0.030，整治后的生态复式断面的河道糙率系数取为0.028。

b. 二维模型参数选取。此处时间步长设为10 s，干湿边界取模型默认值。地表糙率与土地利用类型(图4)有关，根据社工坑流域土地利用栅格数据，对不同类型土地利用类型下垫面赋予糙率值(森林、灌木丛、城市、农田的糙率值分别取0.1、0.06、0.022、0.04)，在ArcGIS中将相应栅格数据转为ASCII文件，在MIKEToolbox中将其转为.dfs2文件，并修改其属性值，完成二维糙率场文件构建。

图4 研究区域土地利用类型

2.6 模型验证

a. 一维模型验证。铁山河流域无实测水位流量资料，但铁山河干流于2012年已整治，此处采用铁山河整治可行性研究报告的设计水面线对模型进行对比验证。选取铁山河9个滚水堰上游断面水位进行模型验证，经对比分析可得，本次计算各断面水位与铁山河可研报告中的设计水位差值在0～0.18 m(表2)，可认为模型合理，满足精度要求。

表2 铁山河一维模型水面线成果对比

b. 二维模型验证。实际调研结果显示：社工坑暗渠处、社工坑以南城镇区域易遭受洪水危险，淹没范围较大；社工坑南段东湖居民安置区、工业园区、新华商业大道为易涝点，是研究区域受灾较为严重、经济损失较大的区域。模型计算成果与实际调研结果基本相符。可见，二维模型参数取值基本合理，耦合二维模型能够反映实际研究区域的洪水危险，具有较好的精度。

3 洪水危险分析

应用MIKEFLOOD耦合一维MIKE11模型和二维MIKE21模型，模拟现状河宽下设置了用于灌溉和生态景观用水的滚水堰的流域洪水淹没状况。模拟结果表明，社工坑天然河道无法达到20年一遇防洪标准，随重现期2年增加至20年，河道洪水漫过河岸，淹没范围从0.93 km2增加至4.03 km2，最大淹没水深从0.33 m增加至0.93 m。社工坑桩号SG3+750以北暗渠处由于断面狭小阻碍行洪，在此处最先发生洪水漫溢，社工坑桩号SG5+600断面以南为经济发达的城镇区域，该区域淹没范围和淹没水深较大；而铁山河能通过20年一遇洪水，且行洪能力尚有富余。流域模拟洪水淹没成果见表3。在遭遇2年、5年、10年、20年一遇洪水工况下的最大淹没水深及淹没范围随时间变化见图5，模型模拟淹没范围见图6。由图5(d)和图6(d)可见，当遭遇20年一遇设计洪水时，社工坑下游淹没非常严重，而铁山河没有淹没，其下游行洪能力还有富余。

表3 研究区域洪水淹没范围水深统计

(a)2年一遇

(b)5年一遇

(c)10年一遇

(d)20年一遇

4 河道整治方案

4.1 河道整治方案拟定

根据铁山河流域洪水危险性分析成果以及实地调查情况，确定社工坑河道存在的主要问题为：①社工坑桩号SG3+750以北段存在长约400 m暗渠，断面仅4 m宽，深度较小，行洪能力不足2年一遇，严重阻碍行洪，暗渠两侧为建筑用地，征地拆迁有一定难度；②社工坑下游为较为发达的城镇区域，SG5+600桩号断面以南的河道两岸被严重侵占，导致河道行洪能力不足5年一遇，且洪水淹没范围及淹没水深较大。

根据上述存在的主要问题，首先必须对暗渠段揭盖，并提高河道行洪能力，但采取何种方式尚需进行方案比较论证；其次，社工坑下游洪水淹没范围及淹没水深较大，若修建堤防，征地拆迁量大、费用高，拆迁工作困难，更加重要的是，修建后的堤防高度至少高出地面1.5 m，与周围环境不协调，而铁山河下游段尚有一定行洪能力。

(a)2年一遇 (b)5年一遇

(c)10年一遇 (d)20年一遇

综合考虑各种因素，在桩号SG5+600断面处修建水闸阻断水流，并在闸前开辟一条支涌(支涌一)，将社工坑中下游洪水直接引入铁山河。据此拟定如下两种方案(图7)：①方案一，拓宽桩号SG3+750以北长约400 m的原暗渠段；②方案二，保留桩号SG3+750以北原暗渠段，拟在原暗渠段前修建长约800 m的支涌二，将社工坑上中游洪水引入铁山河。

4.2 河道整治断面

河道两岸可结合绿化、公共用地形成生态河道或城镇景观，但占地面积大，需结合实际考虑征地难度和费用，同时还必须考虑节约用地，因此，社工坑的河道断面形式采用直斜结合的复式断面(图8)，上下坡间设置1.5 m宽的亲水平台。亲水平台高程以2年一遇的水位来设计，亲水平台以上斜坡完全采取天然植被或人工植草皮的方式护坡，坡度为1∶2，平台以下的直墙采用砌石护坡。

4.3 方案比选

通过MIKE11模拟分析，当遭遇20年一遇设计洪水时，方案一和方案二的洪水水面线见图9，方案均不会对铁山河造成洪水威胁。

(a)方案一 (b)方案二

图8 规划整治的社工坑河道断面形式

图9 社工坑20年一遇设计洪水水面线成果

由图9可见，方案一在原暗渠段的设计洪水位较方案二平均低约0.4 m，但在其下游段由于流量较大，设计洪水位高于方案二，因为方案二修建的支涌二能够有效减轻下游河道洪水压力，在20年一遇洪水工况下能够分流26 m3/s至铁山河。方案二修建800 m长支涌二能够有效降低社工坑SG4+200～SG5+600桩号断面之间1.4 km长河段的洪水位以及支涌一的洪水位，降低水位0.10～0.44 m，效果显著。因此，尽管方案二修建长约800 m的支涌二，但方案一由于无支涌二分流，暗渠下游段流量大，其河道断面相较于方案二需进一步拓宽，所以方案二的工程量仅略大于方案一。

关于征地拆迁补偿方面，方案一对400 m暗渠进行揭盖拓宽，拟拓宽地为建筑用地，下游段河道也需适度拓宽，拟拓宽地也多为建筑用地；方案二拟修建的支涌二征地范围现多为农田。两个方案具体的征地拆迁补偿情况见表4。由表4可见，方案一因占用较多的建筑用地而导致征地拆迁费用较高。

表4 征地拆迁费用统计结果

注：建筑用地单价为0.17万元/m2;农业用地单价为0.03万元/m2。

由此可见，尽管方案二工程量略大于方案一，但方案二征地拆迁费用低于方案一。综合考虑工程量及征地拆迁费用，确定采取方案二作为社工坑河道整治方案，即修建支涌一和支涌二将社工坑中上游的洪水引入铁山河下游。

5 结 语

采用MIKEFLOOD耦合一维MIKE11和二维MIKE21水动力模型，模拟流域遭遇不同重现期洪水时的淹没状况，当分别遭遇2年一遇、5年一遇、10年一遇和20年一遇洪水时，社工坑流域的淹没面积分别达0.93 km2、2.47 km2、3.12 km2和4.03 km2，最大淹没水深分别达0.33 m、0.59 m、0.70 m和0.93 m，淹没区域位于开发强度较大的中下游地区，而铁山河下游段尚有一定行洪能力。依据洪水淹没模拟成果，结合土地开发情况，拟定可能的社工坑整治方案，采用MIKE11模拟各方案结果，并综合考虑工程量、征地补偿费用以及环境协调性等，优化确定方案。

中小河流整治必须纳入流域防洪体系中统筹考虑，充分考虑下游河段和干流洪水承受能力，且结合洪水危险分析成果才能合理确定整治方案。