北京市大中型水库下游河道行洪能力分析——以怀柔水库为例

刘一平，田景环

（华北水利水电大学，河南 郑州 450046）

随着全球气候变化和拉尼娜效应，我国极端降雨天气频发，带来了较大风险，严重威胁人民的生命财产安全。面对暴雨洪水灾害日益扩大的影响，利用相关洪水风险分析技术对大中型水库下游河道行洪能力进行风险分析评估工作，对补齐水库影响水安全问题的短板、实现洪水风险精细化管理具有十分重要的意义。河道上一般都存在橡胶坝等阻水建筑物，这些阻水物会对河道行洪造成一定的影响，为了下游保护区安全，需要对其进行风险分析，以改善行洪情况，保障两岸安全。本文所采用的洪水风险分析技术是基于水动力学原理的数值模型法[1-5]。数值模型法可模拟河道水位、淹没面积等风险要素的具体情况，但计算耗时较长，可利用简化水动力学模型[6，7]、并行求解技术[8，9]等手段解决计算速度的问题，也可在保证模拟精度的前提上通过控制二维网格数量实现快速计算。本文通过构建水动力数值模型来分析河道行洪能力及有无阻水建筑物对河道行洪状态的影响。

大中型水库的拦洪调蓄作用，为下游河道争取了更大的防洪安全保障，因而进一步促进了下游河道两岸保护区的经济活动。两岸经济活动又进一步导致跨河工程和建筑物增多，极易形成河道障碍物，改变河道设计行洪能力。同时，众所周知，大中型水库的防洪标准是有限度的，一旦水库发生超标准洪水，下游河道及两岸保护区依然面临巨大的洪水风险。因此，大中型水库下游河道行洪能力一直是水库和河道洪水风险管理关注的重点，有必要分析河道阻水建筑物对河道行洪能力的影响，为防洪工作提供参考。

目前，比较常用的河道行洪能力分析技术为MIKE11、InfoWorks ICM、HEC-RAS等水动力模型，对目标河道建立一维分析模型，分析主要断面的过流能力。目前的河道行洪能力研究主要针对河道断面形状及两岸堤防进行分析，而对河道上阻水建筑物的影响研究较少，本文在河道行洪能力分析中加入了对橡胶坝、桥梁等阻水建筑物的考虑，通过模型计算分析阻水建筑物对河道行洪的具体影响。

1 研究区与数据资料

怀柔水库于1958年7月建成，是一座防洪灌溉等综合利用的大型水库，控制流域面积525 km2，总库容1.44亿m3，防洪标准按100 a一遇洪水设计，设计洪水位64.16 m，2000 a一遇洪水校核，校核洪水位67.73 m，最大下泄量3036 m3/s。

怀河为潮白河支流，上游由怀九河、怀沙河两大支流汇合后入怀柔水库，在史家口村入潮白河。怀河总长71.77 km，流域面积1012.4 km2，河道防洪标准为20 a一遇洪水设计，利用堤防超高可抵御50 a一遇洪水。怀河干流上已建成庙城橡胶坝、创业桥橡胶坝与三号橡胶坝共3座拦河橡胶坝以及若干桥梁。

怀柔区位于北京市东北部，总面积2122.6 km2，2022年末全区常住人口42.2万人。怀柔市区位于怀柔水库下方，怀河从市区中央穿过，怀柔水库及怀河位置如图1所示。若爆发洪水，将对市区造成极大影响，因此必须做好防备预案，及时应对汛情。

图1 怀柔水库及怀河位置示意

怀柔水库建库以来，共发生41场较大洪水（洪峰流量＞100 m3/s），其中最大一场流域平均降雨量242 mm，最大站点降雨量达451.4 mm，入库洪峰流量3860 m3/s，3 d洪水总量4930万m3。暴雨历时短、强度大，水位上涨十分迅猛。为保障人民生命财产安全，必须重视怀柔水库洪水风险，明确怀河下游河道过流能力。

2 方法及原理

本文采用一二维水动力耦合模型展开河道水动力分析，模型计算原理如下。

2.1 河道一维模型

模型采用有限差分和有限体积联合求解算法，连续方程和动量方程离散形式分别表示为：

式中：A为过流面积（m2）；x为河长（m）；t为时间（s）；z为断面水位（m）；v为流速（m/s）；||V为流速的模；α为动量修正系数；Q为断面流量（m3/s），且Q=Av；q为源项（m2/s）；g为重力加速度（m/s2）；n为曼宁糙率系数；R为水力半径（m）。

跨河建筑物一般收窄河道宽度或抬高河道底高程，从而减小河道过流断面，影响行洪能力，其主要形式如图2所示。模型采用堰流公式计算，即：

图2 跨河阻水建筑物示意

式中：Q为流量（m3/s）；B为过流宽度（m）；H0为堰上水头（m）；m为流量系数；σ为淹没出流系数；g为重力加速度（m/s2）。

怀河河道上对行洪影响较大的跨河建筑物为3座橡胶坝及2座桥梁，共5处阻水建筑物，可将其在模型中统一概化为橡胶坝型阻水建筑物，以方便计算与分析。经过实地观测与分析，将橡胶坝在模型工况中设为底高抬高0.5 m的正常河道断面，对于模型中桥的处理，同样将桥处断面底高抬高0.5 m，考虑到桥墩阻水效应，应将河道过水断面收窄20%。

2.2 保护区二维模型

怀柔水库下游淹没区地势平坦，水流运动相对平缓，为提高计算速度，模型采用省略对流项的二维浅水方程组，控制方程分别为：

式中：t为时刻（s）；h为水深（m）；u、v分别为x、y方向上的流速分量（m/s）；||V为流速的模；n为糙率系数；g为重力加速度（m/s2）。

2.3 一二维侧向耦合

河道一维模型与保护区二维模型，通过堤防进行耦合。下游河道堤顶溢流的流量按宽顶堰流公式计算，即：

式中：Q j为溃口流量（m3）；σ为淹没出流系数；m为流量系数；H为堰顶水深（m）；B为漫溢堤段长度（m）。

3 模型构建及分析

为了分析怀柔水库非常规泄洪对下游怀河两岸保护区影响，应基于中国水利水电科学研究院自主研发的洪水分析模型展开分析计算。

3.1 构建范围

本文构建怀河干流及左右保护区一二维耦合的水动力模型，分析怀河干流行洪能力，以及怀河左右堤防可能发生的漫溢及造成的淹没风险。保护区内小泉河、雁西河以及下游潮白河均纳入一维模型构建范围。怀河干支流断面数据基于北京市2016年2 m分辨率DEM提取，断面间距200 m。怀柔水库库区范围地表二维模型总面积约3 km2，剖分网格约3892个；怀河干流左右保护区地表二维模型总面积约285 km2，网格尺度50～100 m，并考虑阻水道路、堤防、河道的分布，总网格33128个。地表网格单元高程根据北京市现有5 m DEM数据取值。

将怀河干流及支流一维模型与左右保护区地表模型进行耦合，其一二维模型示意如图3所示，使沿河道的二维网格边与最近的河道断面耦合，共建立一二维耦合连接点81个，通过怀河干流一二维耦合连接点，一维和二维模型在运行计算中联合为一体，怀河干流洪水一旦发生漫溢，洪水将由左右堤漫溢进入保护区，通过模型工具的程序计算模拟洪水在保护区网格的淹没流动情况。漫溢洪水采用堰流公式实时计算。下游河道中添加5处阻水建筑物，作为修改后的断面加入一维模型，本文分析中假定橡胶坝保持升起状态，橡胶坝处断面抬高，桥梁也保持缩窄断面的阻水效果。

图3 一二维模型示意

从怀柔水库洪水来源及本文研究要求出发，根据《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL44-2006）与《北京市水文手册》等标准规范和怀柔降雨资料推算怀柔水库设计洪水，考虑到稍小洪水更能凸显有无阻水建筑物时河道行洪的差别，因此选取50 a一遇设计洪水作为研究方案，为防范较大洪水，为洪水灾害做好预案准备，再选取1000 a一遇设计洪水进行研究，洪水泄流过程线如图4所示。为了保障下游安全，在怀柔水库的控制下，50 a一遇洪水下泄时最大流量控制为800 m3/s，1000 a一遇洪水敞泄。怀河起点为怀柔水库泄洪闸，设计洪水以此处为起点进入河道。根据防汛应急处置的需求，应通过水动力数值模型模拟分析以下问题：在该洪水条件下，有无河道阻水建筑物对河道水位及出流后淹没面积的差别影响。

图4 50 a一遇及1000 a一遇洪水泄流过程线

3.2 河道行洪能力

3.2.1 断面满溢流量

利用构建的怀柔水库下游怀河一维模型，对水库—怀河潮白河汇合口段进行了行洪能力分析。分别以水库恒定流泄流40、100、320、500，600、700与800、900、1000 m3/s，分析下游河道过洪能力，记录洪水漫堤河段，怀河左右堤漫溢临界流量情况详见表1。根据模型计算结果分析，怀柔水库泄流320 m3/s洪水时，下游能顺利行洪过流，当上游漫溢行洪后下游河道堤防基本无问题。其中，最易溢洪处为河段14断面5，其右堤在行洪流量为470 m3/s时就开始漫溢。

表1 怀河左右堤漫溢临界流量情况

3.2.2 有无阻水断面水位

选取怀河河段中橡胶坝上游断面，比较该断面在有阻水和无阻水情况下河道按50 a一遇及1000 a一遇洪水行洪时水位的变化，有无阻水断面水位变化情况分别如图5—6所示。在洪水到达洪峰后，由于下游阻水建筑物的阻拦作用，有阻水断面的水位明显比无阻水断面要高，这是因为下游橡胶坝壅高了水位。查看50 a一遇及1000 a一遇洪水其他阻水建筑物上游断面的水位情况，结果和河段3的2号断面同样是有阻水时断面水位更高。由此可以确定，河道行洪过程中阻水建筑物确实会造成影响，导致上游河段壅高水位，进而可能导致河水漫堤，淹没保护区，加大洪水风险。

图5 50 a一遇洪水有无阻水断面水位变化

图6 1000 a一遇洪水有无阻水断面水位变化

3.3 淹没范围

模型计算可得洪水淹没范围，因为河道行洪条件不同，有阻水建筑物情况下的淹没范围和无阻水建筑物情况下的淹没范围也有不同，具体情况如图7—8所示。对于50 a一遇洪水，无阻水建筑物下总淹没面积为10.6 km2，而有阻水建筑物下总淹没面积为12 km2；对于1000 a一遇洪水，无阻水建筑物下总淹没面积为32.8 km2，而有阻水建筑物下总淹阻水建筑物的情况下，阻水建筑物对洪水有一定的阻拦作用，壅高了水位，导致出流水量增加，则河道出流后对于下游保护区的淹没范围会更大。河道北岸淹没范围较小，因此受阻水建筑物影响也较小，有无阻水建筑物淹没范围变化不大；南岸区域高程较低，因此淹没范围较大，受阻水建筑物影响也较大，扩大的淹没范围基本集中在南岸。

图7 有无阻水建筑物下50 a一遇洪水淹没范围

4 结论

本文以北京市怀柔水库为例，建立了以怀柔地区数据为基础的数值模型，阐述了洪水风险分析技术在河道行洪能力分析中的应用，结果表明基于水动力数值模型法可高效准确地模拟河道行洪、出流及淹没状况。文中所述数值模型构建、堤防出流区域、洪水淹没状况等过程，可为类似事件的防洪决策及科学研究提供借鉴。

本文根据模型计算结果对怀河进行河道行洪能力分析，确认了河段各范围满溢的临界流量，分析了50 a一遇洪水的河流纵剖面图，通过这些内容确定了怀河干流的行洪能力，并设计了有无阻水建筑物2种状况下的水动力数值模型，分析了阻水建筑物对河道行洪能力的影响，结果表明，阻水建筑物对河道行洪过程中的水位变化、出流时间、淹没范围均有没面积为33.8 km2。在有影响，如壅高水位、增大淹没范围，在防洪抗险及相关科学研究中应考虑河道中阻水建筑物的作用。

图8 有无阻水建筑物下1000 a一遇洪水淹没范围