基于水动力模型裕溪河干流溃堤风险分析

王 飞

（中水建管国际工程有限公司,江西 九江 332000）

1 引言

洪水暴发在一定程度上会造成河流出现溃堤现象,从而对河道沿线造成一定的威胁[1-2]。裕溪河是巢湖流域洪水入江的主要通道,针对裕溪河进行溃堤风险分析是十分必要的。目前,在河道水文研究中常用的方法是水动力模拟方法,具有计算效率高,结果可靠等优势[3-5]。

2 模型参数选取与率定

裕溪河流域面积3929 km2,干流河道自巢湖闸至裕溪闸河道全长57.7km。根据1954 年、1969 年、1983 年、1991 年、1996 年、1998 年、1999 年、2003 年和2005 年9 个典型年巢湖流域洪水演算成果,裕溪河河道按20 年一遇标准设计（1969 年洪水）,裕溪河分段下泄流量分别为巢湖闸至蟹子口为1350 m3/s,蟹子口至裕溪闸为1170 m3/s。

（1）上边界条件

将巢湖闸下的汛期实测流量过程作为模型的上边界条件。2003 年巢湖闸下的洪水过程见图1。

图1 巢湖闸下2003 年汛期洪水过程

（2）旁侧入流边界条件

将无为站（西河口）、铜城闸及区间来水（或出流）2003 年汛期的实测流量过程作为模型的旁侧入流边界条件。无为站（西河口）、铜城闸洪水过程见图2。

图2 无为站、铜城闸2003 年汛期洪水过程

（3）下边界条件

将裕溪闸上的汛期水位过程（见图3）作为模型的下边界条件。

图3 裕溪闸上2003 年汛期水位过程

（4）参数选取及率定

根据流域水系情况,湖闸下为水网地区,水系复杂,巢湖闸下有裕溪河、牛屯河、西河3 个出口,出口分别设有裕溪闸、黄雒闸、铜城闸,有相应的流量水位资料,为更好地率定裕溪河河道参数,本次建立巢湖闸～裕溪闸～铜城闸～黄雒闸段的河道断面模型。本次裕溪河河道参数率定采用2003 年实测水位流量进行计算。

①河道设置

构建巢湖闸下～裕溪闸下段率定河道模型,全长约57.6 km,118 个断面；三汊河口～铜城闸河道长12.1 km,11 个断面。裕溪闸处以MIKE 11 可控建筑物模块的Control Structure 功能进行概化,铜城闸、黄雒闸根据点源形式对流量进行加载。

②糙率初值选取

裕溪河河道糙率参考《安徽省裕溪河治理工程可行性研究报告》,初始值采用主槽0.0225,滩地0.03。

③工况设置

计算时段设置：裕溪河下游水网复杂,河道承担功能较多（泄洪、排涝、灌溉）,裕溪闸闸门启闭大小均影响河内洪水位,为减小本次糙率率定的各种因素干扰,计算时段尽量选择裕溪闸泄洪量较大可能是裕溪闸全开的工况进行,率定的计算时段选择2003 年6 月21 日～2003 年8 月6 日。

计算参数设置：率定河道糙率,包括主槽和滩地。

计算边界条件设置：巢湖闸（桩号0+000）上游入流采用巢湖闸实测流量过程；铜城闸、黄雒河闸出流采用铜城闸、黄雒闸实测流量以点源形式加载；下游出流断面裕溪闸（桩号57+600）采用闸上实测水位过程。

率定结果：

裕溪河干流糙率主槽最终采用主槽0.024,滩地0.0336,2003 年巢湖闸下实测洪水位与率定计算水位对比图分别见图4。

图4 2003 年洪水巢湖闸下实测水位与率定水位对比图

结合率定结果图和精度评价表可见,实测与模拟计算的水位差相对值均在0.2 m 以内,率定结果总体比较理想,水位峰值及相位等能够得到较好的拟合。

3 裕溪河干流洪水风险计算方案

裕溪河干流发生1991 年实测洪水,计算时段为1991 年7 月10 日～1991 年8 月31 日,裕溪河干流一维水动学模型上游边界提供巢湖闸、铜城闸及无为站实测及区间入流过程线,下游边界提供裕溪闸闸下实测水位。一维模型与二维模型藕合位置为裕溪河干流桩号43+600 附近藏墩段溃口处,圩内地面高程6.5 m,溃口宽度130 m,溃口时机选在该处出现最高洪水位10.9 m 时,溃口方式为瞬间溃决。

（1）1991 年实测洪水,藏墩段溃堤,巢湖闸不控制方案

圩区涝水通过P+Pa～R 模型分析的相应时段净雨,面雨量平铺入圩区,再通过虚拟河道概化泵站排出；十四连圩、练纲圩因考虑裕溪河干流溃堤,溃堤后两圩泵站不考虑抽排。

（2）1991 年实测洪水,藏墩段溃堤,巢湖闸关闸方案

圩区涝水通过P+Pa～R 模型分析的相应时段净雨,面雨量平铺入圩区,再通过虚拟河道概化泵站排出；十四连圩、练纲圩因考虑裕溪河干流溃堤,溃堤后两圩泵站不考虑抽排。

（3）1991 年型放大100 年一遇洪水,藏墩段溃堤,巢湖闸不控制方案

圩区涝水通过P+Pa～R 模型分析的相应时段净雨,面雨量平铺入圩区,再通过虚拟河道概化泵站排出；十四连圩、练纲圩因考虑裕溪河干流溃堤,溃堤后两圩泵站不考虑抽排。

（4）1991 年型放大100 年一遇洪水,藏墩段溃堤,巢湖闸关闸方案

瞬间溃决发生后,第二天巢湖闸、铜城闸及黄雒闸关闸,为防止江水倒灌,裕溪闸也关闸。

圩区涝水通过P+Pa～R 模型分析的相应时段净雨,面雨量平铺入圩区,再通过虚拟河道概化泵站排出；十四连圩、练纲圩因考虑裕溪河干流溃堤,溃堤后两圩泵站不考虑抽排。

4 裕溪河干流洪水风险计算成果

（1）1991 年实测洪水,藏墩段溃堤,巢湖闸不控制方案成果

①淹没范围。裕溪河溃堤淹没范围为芜湖市鸠山区的沈巷镇（十四联圩、练纲圩）、铜闸镇共2 个乡镇,最高蓄洪水位为10.03 m。溃堤后保护区内水位线见图5。

图5 1991 年洪水巢湖闸不控制-裕溪河干流藏墩段溃口洪水过程

②淹没水深。防洪保护区内大部分区域淹没水深在2 m以上,最大淹没水深4.88 m。最大淹没水深分布见图6（a）。

③流速分布。局部区域流速较大,超过1.0 m/s；大部分区域流速在0～1 m/s 之间。洪水最大流速分布见图6（b）。

④洪水前锋达到时间。洪水前锋到达时间见图6（c）。

图6 洪水计算成果

⑤洪水成果分析

裕溪河干流藏墩段溃口工况设计标准（1991 年开闸）洪水,遭遇内部降雨,所有的乡镇均有影响,淹没总人口约15.72 万人,沈巷镇受影响最大,影响人口11.65 万人。总淹没面积293.03 km2,总淹没农田面积9155.72 hm2,受影响公路、铁路长度137.43 km、15.63 km,受影响GDP 达666802 万元。

（2）1991 年实测洪水,藏墩段溃堤,巢湖闸关闸方案成果

①淹没范围。裕溪河溃堤淹没范围为芜湖市鸠山区的沈巷镇（十四联圩、练纲圩）、铜闸镇共2 个乡镇,最高蓄洪水位为8.16 m。溃堤后保护区内水位线见图7。

图7 1991 年洪水巢湖闸关闸-裕溪河干流藏墩段溃口洪水过程

②淹没水深。防洪保护区内大部分区域淹没水深在2 m以上,最大淹没水深3.3 m。最大淹没水深见图8（a）。

③流速分布。局部区域流速较大,超过1.0 m/s；大部分区域流速在0～1 m/s 之间。洪水最大流速见图8（b）。

④洪水前锋达到时间。洪水前锋到达时间见图8（c）。

图8 洪水计算成果

⑤洪水成果分析

裕溪河干流藏墩段溃口工况设计标准（1991 年关闸）洪水,遭遇内部降雨,所有的乡镇均有影响,淹没总人口约14.36 万人,沈巷镇受影响最大,影响人口10.75 万人。总淹没面积265.46 km2,总淹没农田面积8405 hm2,受影响公路、铁路长度113.63 km、9.35 km,受影响GDP 达611785 万元。

（3）1991 年型放大100 年一遇洪水,藏墩段溃堤,巢湖闸不控制方案成果

①淹没范围。裕溪河溃堤淹没范围为芜湖市鸠山区的沈巷镇（十四联圩、练纲圩）、铜闸镇共2 个乡镇,最高蓄洪水位为10.11 m。溃堤后裕溪河干流及保护区内水位线见图9。

图9 1991 年放大100 年一遇洪水裕溪河干流藏墩段溃口洪水过程

②淹没水深。防洪保护区内大部分区域淹没水深在2 m以上,最大淹没水深4.95 m。最大淹没水深见图10（a）。

③流速分布。局部区域流速较大,超过1.0 m/s；大部分区域流速在0～1 m/s 之间。洪水最大流速见图10（b）。

④洪水前锋达到时间。洪水前锋到达时间见图10（c）。

⑤洪水成果分析

裕溪河干流藏墩段溃口工况设计标准（100 年开闸）洪水,遭遇内部降雨,所有的乡镇均有影响,淹没总人口约15.83 万人,沈巷镇受影响最大,影响人口11.69 万人。总淹没面积294.60 km2,总淹没农田面积9207.73 hm2,受影响公路、铁路长度137.93 km、15.63 km,受影响GDP 达668764 万元。

（4）1991 年型放大100 年一遇洪水,藏墩段溃堤,巢湖闸关闸方案成果

①淹没范围。裕溪河溃堤淹没范围为芜湖市鸠山区的沈巷镇（十四联圩、练纲圩）、铜闸镇共2 个乡镇,最高蓄洪水位为8.19 m。溃堤后保护区内水位线见图11。

图11 1991 年放大100 年一遇洪水巢湖闸关-裕溪河干流藏墩段

②淹没水深。防洪保护区内大部分区域淹没水深在2 m以上,最大淹没水深3.4 m。最大淹没水深见图12（a）。

③流速分布。局部区域流速较大,超过1.0 m/s；大部分区域流速在0～1 m/s 之间。洪水最大流速见图12（b）。

④洪水前锋达到时间。洪水前锋到达时间见图12（c）。

图12 洪水计算成果

⑤洪水成果分析

裕溪河干流藏墩段溃口工况设计标准（100 年关闸）洪水,遭遇内部降雨,所有的乡镇均有影响,淹没总人口约14.48 万人,沈巷镇受影响最大,影响人口10.86 万人。总淹没面积267.54 km2,总淹没农田面积8436.1 hm2,受影响公路、铁路长度116.93 km、10.15 km,受影响GDP 达617079 万元。

5 结语

（1）裕溪河干流洪水计算方案选用的标准为91 年型和91 年型放大100 年一遇两种工况。因裕溪河洪水来源为上游的巢湖流域,巢湖调蓄水面大,调蓄能力强,出口有巢湖闸控制下泄,因此,两种标准洪水形成的水位和流量相差不大,破圩后,造成的对练纲圩及十四连圩的淹没面积、范围及水深均相差不大。

（2）裕溪河干流91 年型洪水藏墩段发生溃堤后,巢湖闸不控制工况下,最大进洪量为7.52 亿m3,圩内最高蓄水位为10.03 m；巢湖闸关闸工况下,最大进洪量为3.15 亿m3,其中巢湖闸上游来量1.98 亿m3,区间来量1.48 亿m3；从巢湖闸控制与不控制进洪效果看,巢湖闸不控制时大部分圩内淹没水深达到3 m,而巢湖闸关闸后圩内淹没水深大部分在2 m 以下,效果较明显。主要原因是,裕溪河主要来水量是巢湖闸来量,区间汇水面积较小,洪量不大。此外巢湖闸关闸方案中巢湖闸上游来量与关闸时间有密切关系,如若溃口后,立马可关巢湖闸,则圩内蓄水量还将大大降低,淹没范围及水深也将进一步减小。

（3）裕溪河干流91 年放大100 年型洪水藏墩段发生溃堤后,巢湖闸不控制工况为进洪量最大,进洪量为7.7 亿m3,圩内最高蓄水位为10.11 m。