常规与二维水面线推算方法在潮白河香河段生态整治中的应用

徐 磊，刘 钦，张静静

（河北省水利规划设计研究院有限公司，石家庄 050021）

1 项目概况

潮白河位于海河流域北部，西界永定河，北依蒙古高原，东界滦河，南临渤海，由潮河、白河两大支流组成，分别发源于河北省的沽源县和丰宁县，在密云县城南汇合始称潮白河，经苏庄至香河吴村闸，吴村闸以下称潮白新河，干流总长182km，流域面积19354km2，行政区划分属北京、天津、河北3省（市），如图1。

图1 北三河系流域示意图

潮白河作为贯穿香河县的主要河流，经过多年运用现状行洪能力远达不到原设计防洪标准的要求。随着京津冀协同发展战略的出台和毗邻的通州区的北京城市副中心的启用，给未来的香河县带来了更多的机遇和挑战。近些年，上游的北京通州段已按50年一遇标准治理，也对潮白河的防洪设计标准提出了更高要求。

项目是通过加固堤防和扩挖主槽，使治理后的河道的防洪标准由20年一遇提高到50年一遇，并通过对滩地生态景观的塑造和点源、面源污染的治理与净化，打造综合滨水生态带。整治范围为潮白河香河县域，河道全长26.48km，主要包括防洪工程、生态景观工程和水质提升工程。治理后该河段防洪标准可提高到50年一遇，相应吴村闸上游、下游河道设计流量为3660m3/s和3300m3/s。

2 河流现状及存在问题

整治范围内，吴村节制闸以上为潮白河，现状堤距2.2～4.8km，滩地较宽；吴村闸以下为潮白新河，其中吴村闸至下游焦康庄段，堤距在1.0～2.2km，焦康庄以下为1950年新开挖的河道，河槽断面规整，堤距460m左右。

焦康庄以上河道多年未经彻底治理，部分河段淤积严重，堤内滩地上分布有村庄和若干家村办企业等，局部区域种植有高秆作物和树木。吴村闸上游右堤与大香公路桥上游左堤现状堤顶高程不满足50年一遇设计防洪标准。潮白河内滩地现有村庄13个，均分布于吴村闸上游。

3 工程布置

防洪工程采用加固堤防与扩挖主槽相结合的方案，其中主槽工程清淤疏浚段长为17.3km，设计河底纵坡1/3600～1/5600，设计河底宽度为80～160m，设计内边坡不陡于1∶4；生态景观工程在两侧滩地上营建兼具水质净化和科普观览功能的湿地公园等沿河生态景观，绿化总面积约2900万m2；水质提升工程包括生态田埂、生态拦截带和人工湿地。

4 常规方法水面线推求

4.1 基本资料和方法

河道断面资料数据采用2017年测量成果，上游段潮白河主槽因采砂等局部存在深坑，不参与行洪，对河底纵断及相应横断面进行了修正。潮白新河为人工开挖河道潮白新河，河道顺直，堤防间距在450～550m之间，以左、右堤为行洪边界；其他段以两侧堤防为行洪边界。本次起推断面位于工程终点处冀津界位置。50年一遇设计流量为3300m3/s，对应推水位为10.80m。

现状水面线计算方法主要理论依据为伯努利能量守恒方程式。

4.2 糙率分析

由于本河段主槽未进行系统的治理，糙率按《北三河系防洪规划》成果和以往工程主槽糙率取值，取0.0225。由于近些年滩地内开发建设较多，本次根据滩地现状特点，以吴村闸和1号橡胶坝为界，分段选取了典型横断面，对滩地内各地类情况进行统计，参照《水力计算手册》中给出的糙率经验值，本次耕地糙率取0.05，林地和村庄取0.1，潮白新河两岸现状地被水生植物等取0.03。对滩地糙率采用综合糙率计算公式分段进行计算。式中 nmax，nmin为断面周界各部分糙率中的最大值和最小值；n1，n2为断面周界各部分的糙率；χ1，χ2为断面周界各部分的湿周。

根据表1中数据可见，吴村闸以上潮白河香河县域内滩地上分布有村庄7座，以耕地为主，右岸的北京市通州界内有村庄6座，滩地内高杆作物较多，滩地内林地与村庄的约占总滩地的65%～85%，综合糙率取0.09；吴村闸至1号橡胶坝段现状滩地内以耕地为主，约占总滩地的50%～80%，局部密植高杆作物并分布有少量村组副业设施和小型公园，综合糙率取0.07；1号橡胶坝下游潮白新河两岸滩地以耕地、林地和地被水生植物为主，综合糙率取0.05。

表1 现状滩地综合糙率统计

根据生态景观工程植被布置情况，按现状滩地综合糙率计算方法，对设计糙率进行分析。生态景观工程滩地上布置的以乔木、灌木、地被植物为主。生态景观布置在不影响行洪的前提下，结合当地植物生长特性，按照疏林草地的原则进行布置，并对滩地和堤防内坡现有部分密植高秆作物进行改造，滩地内设计洪水位均在乔木树枝以下。

根据《水力计算手册》内容，从防洪安全角度考虑，本次对乔木、灌木间种范围滩地糙率取0.10，灌木范围糙率取0.06，地被植物糙率取0.03，行洪通道范围滩地糙率取0.03。各类分布情况如表2。

表2 设计滩地综合糙率统计

5 二维方法水面线推求

洪水演进模拟采用丹麦水动力学研究所开发的MIKE 21FM软件，建立二维非恒定流洪水演进数学模型。模型可以基于笛卡尔坐标系或球面坐标系，数值计算方法采用基于非结构网格的有限体积法。

5.1 模型范围

根据数学模型的研究任务，交叉工程附近河段的河道平面形态，河道地形及洪痕调查情况，并充分考虑上、下游边界的水流条件，确定模型范围。建模范围自X017县道潮白河大桥（友谊大桥）以下约250m起，至冀津界下游1000m止，河道长度约41.9km，以潮白河现状左、右堤堤线为界，模型计算面积约49.6km2。

5.2 模型边界条件

模型上游边界为入流边界，边界条件为潮白河河道入流洪水，潮白河河道入流过程按照苏庄站设计洪水和运潮减河设计洪水同时段叠加过程，在潮白河友谊大桥以下位置加入模型；模型下游边界为出流边界，边界条件以冀津界以下1000m水位流量关系为控制。侧边界为闭合边界，边界条件为潮白河现状左、右堤。

5.3 网格剖分

本次模型采用非结构化三角网格进行剖分，模型计算区域网格剖分共计48150个，网格单元最大面积为3423m2，计算节点25086个。

5.4 参数选取与率定

根据滩地内现状村庄、植被及地面附着物情况，各类型糙率取值与常规水面线推求中的糙率取值一致，其中耕地糙率取0.05，林地和村庄取0.1，潮白新河两岸现状地被水生植物等取0.03。总模拟时间设置为30d，时间步长取30s。

5.5 成果取值

现状水位与常规方法、二维方法设计水位差值不大，考虑到本工程实施周期较长，从工程安全的角度出发，潮白河及潮白新河50年一遇设计洪水位成果采用现状、二维分析和常规水面线推算成果的外包线。不同方法水面线计算成果和采用值如表3，计算成果对比示意图详见图2。

表3 不同方法水面线计算成果对比分析 单位：m

图2 不同方法水面线计算成果对比示意图

6 水面线成果分析

6.1 常规及二维数值模拟水面线成果对比

根据常规水面线成果与二维数值模拟成果对比，焦康庄以上河段常规成果与二维数值模拟成果相差不大，最大偏差值-0.12～0.11m；焦康庄下游潮白新河常规方法水面线成果略高于二维数值模拟成果，最大差值位于焦康庄以上约1km范围内，该范围二维数值模拟成果高于常规成果约0.31m，考虑到焦康庄以下潮白新河段堤距较小，断面较上游河段规整，常规水面线计算成果基本可以反映实际情况。

6.2 水面线成果分析

通过对上述常规方法和二维数值模拟方法水面线计算成果的分析，潮白新河段由于现状堤距相对较小，主槽的清淤扩挖对降低洪水位作用相对较明显；焦康庄以上河道由于现状滩地较宽，除京哈高速上、下游段较现状水位略有下降外，其他河段水位变化较小。与流域规划相比，工程起点和工程范围内控制点设计水位略有降低，但差别不大。通过对现状主槽的清淤扩挖，除焦康庄下游段潮白新河由于滩地高程较低外，其他河段左、右滩地高程基本高于10年一遇设计洪水位。

7 结语

通过利用综合糙率的计算方法去模拟现状滩地的糙率值，其推算的水面线成果与二维非恒定流洪水演进数学模型基本相同，继而验证了其综合糙率的取值基本反映了滩地的真实糙率。采用该方法基础工作量相对较少，但在典型河段确定和计算断面的间距的选取方面，要结合上、下游地面附着物分布情况综合考虑，最大程度还原滩地的实际情况，使水面线成果更加真实可靠。