宣城沙河防洪能力提升数值分析研究

宋荣华，牛先玄

（长江勘测规划设计研究有限责任公司上海分公司，上海 200439）

沙河位于宣城市境内，流域面积218km2。沙河上游属峡谷地区，已建有塘埂头水库；中游为低山丘陵区，为皖南山区与沿江平原的过渡地带；下游为平原圩区，河口处为南漪湖。因此沙河下游段既受上游洪水影响，也受南漪湖高水位顶托影响。

图1 现状流域水系图

随着科学技术的发展，数值模拟被应用于河道整治中。常用软件主要有MIKE，Delft3D 等等[1]。水动力学模型是河流运动规律的模拟，可以预测各种降雨标准、控制条件下的河网水位和流量变化。前人应用MIKE 等软件对章水流域南康区河道防洪工程、靖安北河小湾至上洋螺段防洪工程等通过水动力数值模型进行河道水面线求解或者不同防洪标准特征水位等计算，评价河流防洪能力，准确判定薄弱河段，为河道治理规划决策和防汛调度提供一定的技术支撑[2-4]。

本文根据沙河现状防洪能力拟定不同的方案措施，通过Mike11 建立沙河流域水动力数值模型，模拟计算不同工况下不同方案对河道防洪能力提升的作用和影响，得出防洪能力提升的最佳方案。

图2 现状现有堤防布置图（红实线）

1 数值模型

1.1 控制方程

MIKE11 数学模型水动力模块采用的是6 点Abbott-Ionescu 有限差分格式，对圣维南方程组求解，同时还可对闸、泵等各种水工建筑物进行模拟。数学模型的基本方程为圣维南方程组：

1.2 方程离散

圣维南方程中的连续型方程和动量方程通过有限差分法进行离散，计算网格由流量点和水位点组成，其中流量点和水位点在同一时间步长下分别进行计算。本次主要计算范围为沙河流域范围，上起塘埂头水库，下至南漪湖。

1.3 模型验证

计算的上游边界采用塘埂头水库下泄流量，下游边界采用《南漪湖流域治理规划》综合确定的水位。计算结果与已批复实施项目《宣城市宣州区沙河系统治理工程》等的计算成果一致，因此河网的计算结果是可靠的。

2 方案设计与分析

本次方案拟定以沙河流域防洪为主，根据洪林镇的地形特点，结合镇区、村居集中点等城镇防洪和农业圩区防洪的要求，按照“撇洪、自排、蓄滞相结合”的原则，对防洪工程进行布局。沙河干流通过已实施的宣城市宣州区沙河系统治理工程和宣城市宣州区沙河上游段综合治理工程，洪林集镇1.9km 干流及东侧支流达到20 年一遇防洪标准、干流新318 国道以上至十里大坝9.35km河段两岸、镇区4.20km 支流西岔河、西支流达到10 年一遇防洪标准，见图1-2。因洪林镇国家级现代农业示范区建设和区域经济社会发展的需要，干流河段提升到30 年一遇防洪标准。

2.1 方案设计

根据洪林镇现状实际情况，拟定沙河30 年一遇洪水标准加高堤防、水库为主+沙河相应堤防、新开河道+沙河相应堤防及新开河道+水库+沙河相应堤防四个防洪能力提升工程方案：

2.1.1 方案一：沙河30 年一遇防洪标准加高堤防

沙河镇区段堤防已进行20 年一遇达标加固，沙河新318 国道以上至十里大坝处9.35km 河段两岸、镇区支流已按10 年一遇防洪标准进行达标建设，为评估30年一遇防洪标准对堤防的影响，对上游10 年一遇流量（Q10%）组合南漪湖10 年一遇水位、上游20 年一遇流量（Q5%）组合南漪湖10 年一遇水位及上游30 年一遇流量（Q3.3%）组合南漪湖10 年一遇水位沙河洪水位进行对比，结果详见表1。

表1 沙河10 年、20 年及30 年一遇洪水主要节点计算结果对比

由表可知，沙河集镇段30 年一遇洪水位比20 年一遇高0.6～0.8m 左右，比10 年一遇洪水位高1.8m 左右。

2.1.2 方案二：新开河道分洪+沙河相应堤防

综合管廊主要是指市政公用管线，如电力、通信、给排水以及燃气等管线，集中敷设在同一地下隧道空间内，对地下城市空间进行综合开发利用，进而实现节约城市建设用地和美化城市景观的目的[2]。综合管廊监控管理系统主要是指对管廊内环境、设备以及安全等情况进行监控，进而实现对管廊内部设备远程监控和控制的目的。

考虑到沙河集镇段已达标20 年一遇防洪标准，为降低沙河洪水位，根据洪林镇地形，拟在沪渝高速下游200m 处（桩号K9+158）新开河道分洪。为确定新开河道的最佳规模，拟定一系列的河底宽，河道边坡采用1：2。以沙河桩号12+803 为例，水位计算结果见图3。当新开河道底宽为48m 时，沙河洪水位可降至20 年一遇14.21m。

图3 新开河不同底宽下沙河洪水位变化曲线

2.1.3 方案三：水库为主+沙河相应堤防

拟对现状沟塘改扩建为水库及对现有水库进行扩容改造，经分析，可将月亮湾、青隐山、大冯村、庙山岗分别改扩建为水库。月亮湾、青隐山、杜家湾均位于流域南部的上游。

支流山丘区，库容分别为26.6 万、36.76 万、55.51万m3，均为小（2）型水库；大冯村水库为小（2）型水库，库容为87.99 万m3；庙山岗水库为小（1）型水库，库容为105.36 万m3。新改建各水库流域面积及洪峰流量见表。

通过水库所在流域削峰后，将流量过程加入模型计算洪水位，通过模型计算，得出方案三的沙河洪水位计算成果，见表3。

表3 方案三沙河洪水位主要节点计算成果

由表可知，在30 年一遇防洪标准下，改扩建水库对集镇段洪水位影响在0.27—0.39m 之间。

2.1.4 方案四：新开河道+水库+沙河相应堤防

为降低新开河征占地规模，拟采用新开河道+水库+沙河相应堤防方案，月亮湾、青隐山、大冯村、庙山岗、杜家湾水库等各水库流域面积同方案三相同，见表3-2。

通过水库所在流域削峰后，将流量过程加入模型来计算沙河洪水位，通过模型计算分析：当新开河底宽30m 时，集镇段洪水位可降至20 年一遇14.21m。该方案沙河不同河段30 年一遇水位计算成果见表4。

表4 方案4 沙河洪水位主要节点计算成果

表5 方案比选表

同时根据方案一、方案二中新开河30m 底宽、方案三和方案四的沙河洪水位纵断面对比图（见图4）可知，沙河水位逐渐降低，符合实际。

图4 四种方案的水位变化纵断面图

2.2 方案比选分析

根据沙河堤防和流域现状，从方案合理性、土方量、投资估算费用等方面对上述4 种方案进行比选。

根据以上方案比选可知，方案4 能够兼顾沙河集镇段已达标20 年一遇防洪标准堤防，避免集镇段征地，能够发挥整个沙河流域的防洪、水库削峰蓄水，灌溉、排水等综合效益，满足区域长治久安发展需要。因此，推荐采用新开河道+水库+沙河相应堤防方案，新开河道底宽30m。

3 结论

综合以上分析可知，随着洪林镇国家级现代农业示范区建设和区域经济社会发展的需要，沙河集镇段防洪标准需进一步提高至30 年一遇，以保障经济社会稳定快速发展、保护人民群众的生命和财产安全。根据沙河现状防洪能力，通过Mike11 建立沙河流域水动力数值模型，模拟计算拟定的4 种不同的方案措施对河道防洪能力提升的作用和影响，比选分析得出防洪能力提升方案。拟推荐的方案四为新开河道+水库+沙河相应堤防组合方案，虽然新开河道和改扩建水库占地较大，但是整体工程的挖填方量相对较小，同时避免集镇段大规模征地，降低了工程实施的难度。