基于一维水动力模型和县江堤内河洪水风险分析

单华猛

(连云港市水利建筑安装工程有限公司，江苏 连云港 222000)

1 概 述

城市防洪排涝工程建设对城市安全发展具有重要意义。随着城镇化建设发展，原本的郊野地区已经逐渐成为城市发展的重地，一些低洼地段在洪水期将遭受洪涝灾害，给当地的发展、建设带来不利影响[1-3]。因此，分析洪涝灾害风险范围，为防洪规划建设提供参考是十分必要的。水动力模型是水文工程模拟中常用的方法，具有建模简单、计算精度高等优势[4-6]。结合和县江堤内河片区防洪现状，对规划防洪标准条件下洪水风险进行分析，为防洪规划提供参考。

2 工程概况

和县江堤内河河道主要涉及石跋河、得胜河、太阳河、姥下河。石跋河涉及石跋河及其支流双桥河，全长约34.97 km，其中石跋河上至S206，下至石跋河闸，全长约17.68 km；双桥河上至孙村，在西洲处汇入石跋河，全长约17.29 km。得胜河上至华阳西路，下至金河口闸，全长约35.37 km。太阳河和姥下河以丰山新河相连为相互连通的水系，整个水系全长约48.55 km。

3 水动力模型架构

3.1 一维水动力模型

牛屯河、姥下河、太阳河汇入长江并通过丰山新河水系相连，牛屯河同时也是巢湖入长江的一条分洪道。在内部有较大洪水时，其上游铜城闸关闭，关闭后牛屯河区域洪水较小，且与丰山新河水系有杭河泊闸控制，因此牛屯河可看成为一支独立水系。考虑到牛屯河做为分洪道，河道规模及堤防高度均远远超过流域内洪水的设计要求，本次初设按杭河泊闸关闸，不再搭建牛屯河的一维水动力模型。目前，得胜河与太阳河连接处有八字河闸控制，汛期也是关闸考虑。因此，内河一维水动力模型，根据保护区内的水系情况，分成3个相对独立流域搭建，即石跋河-双桥河流域、得胜河流域、太阳河-姥下河流域。

内河河道断面布置示意图见图1。

图1 石拔河、双桥河、得胜河、太阳河、姥下河、丰山新河断面布置示意图

3.2 二维水动力模型架构

内河洪水溃堤方案中内河流域面积小、洪量小，水位不高，内河一个圩堤溃破后，不会导致相邻圩口溃堤。因此，内河溃堤方案不需考虑洪水破圩后进入另一条内河，其二维模型采用相对简单的内涝模型为基础修改。内河洪水溃堤方案中，内河河道采用一维水动力学模型，内涝方案架构不剖河道，但将圩区内部主要排涝沟单独剖分。

内河洪水溃堤方案二维地形剖分示意见图2。

图2 内河洪水溃堤方案二维地形剖分示意图

根据保护区的风险来源，耦合模型涉及到的一维河道水动力学模型和二维保护区水动力学模型的连接关系为标准连接形式，相应的耦合点为各河道的溃口处。在一维模型的河道溃口处建立虚拟河道，在MIKE FLOOD模型中连接一维、二维模型。需要建立耦合模型有内河洪水3个溃口，20年一遇、50年一遇内河堤防溃破方案。

4 内河洪水风险计算

4.1 计算工况

和县江堤防洪保护区内的主要堤防设计标准为20年一遇(1969年洪水)，堤防等级为4级，内部河道溃口考虑20年一遇(1991年)以及50年一遇(1969年)工况。计算工况见表1。

表1 计算工况

4.2 计算方案边界条件

保护区内内河河道的山丘区洪水通过NAM模型分析的相应时段洪水过程线以点源的形式加载入相应河道的汇入点；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入内河一维河道内。

保护区内发生1991年(20年一遇)实测降雨，计算时段为1991年6月30日至7月6日，时段内降雨量为436.45 mm，蒸发量为16.1 mm，相应马鞍山站长江实测水位6.1～7.43 m，内河洪水1991年计算时段净雨分布过程见图3(a)。

保护区内发生1969年实测降雨，计算时段为1969年7月11-17日，时段内降雨量为448.65 mm，蒸发量为8.54 mm，相应马鞍山站长江实测水位6.64～7.51 m，内河洪水1969年计算时段净雨分布过程见图3(b)。

图3 圩区净雨分布过程

1) 内洪溃口方案，20年一遇(1991年)降雨，丰山新河老西圩耿华段溃堤方案。按现状调度运用条件，计算时段内内河均可自排，河道外江出口的石跋河闸、金河口闸、姥下河闸、太阳河闸、新桥闸均开闸。当长江水位高于内河水位时关闸，因破圩后，内河水位低，相应的石跋河站、金河口站、姥下河站等出口泵站均不考虑开机。

本方案河道溃口位置选择在丰山新河桩号16+700附近老西圩耿华段，圩内地面高程5.5 m，溃口宽度70 m。溃口时机选在丰山新河桩号16+700出现最高洪水位8.88 m时，溃口方式为瞬间溃决。

2) 内洪溃口方案，20年一遇(1991年)降雨，得胜河杨大圩齐庄段溃堤方案。按现状调度运用条件，计算时段内内河均可自排，河道外江出口的石跋河闸、金河口闸、姥下河闸、太阳河闸、新桥闸均开闸。当长江水位高于内河水位时关闸，同方案(1)，相应的石跋河站、金河口站、姥下河站均不考虑开机。

本方案河道溃口位置选择在得胜河桩号6+740附近杨大圩齐庄段，圩内地面高程6.5 m，溃口宽度80 m。溃口时机选在得胜河桩号6+740出现最高洪水位8.6 m时，溃口方式为瞬间溃决。

3) 内洪溃口方案，20年一遇(1991年)降雨，石跋河新石圩小山段溃堤方案。按现状调度运用条件，计算时段内内河均可自排，河道外江出口的石跋河闸、金河口闸、姥下河闸、太阳河闸、新桥闸均开闸。当长江水位高于内河水位时关闸，同方案(1)，相应的石跋河站、金河口站、姥下河站均不考虑开机。

本方案河道溃口位置选择在石跋河桩号9+460附近新石圩小山段，圩内地面高程6.5 m，溃口宽度80 m。溃口时机选在石跋河桩号9+460出现最高洪水位7.5 m时，溃口方式为瞬间溃决。

4) 内洪溃口方案，50年一遇(1969年)降雨，丰山新河老西圩耿华段溃堤方案。按现状调度运用条件，计算时段内内河均可自排，河道外江出口的石跋河闸、金河口闸、姥下河闸、太阳河闸、新桥闸均开闸。当长江水位高于内河水位时关闸，同方案(1)，相应的石跋河站、金河口站、姥下河站均不考虑开机。

本方案河道溃口位置选择在丰山新河桩号16+700附近老西圩耿华段，圩内地面高程5.5 m，溃口宽度70 m。溃口时机选在丰山新河桩号16+700出现最高洪水位9.6 m(平堤顶高程)时，溃口方式为瞬间溃决。

5) 内洪溃口方案，50年一遇(1969年)降雨，得胜河杨大圩齐庄段溃堤方案。按现状调度运用条件，计算时段内内河均可自排，河道外江出口的石跋河闸、金河口闸、姥下河闸、太阳河闸、新桥闸均开闸。当长江水位高于内河水位时关闸，同方案(1)，相应的石跋河站、金河口站、姥下河站均不考虑开机。

本方案河道溃口位置选择在得胜河桩号6+740附近杨大圩齐庄段，圩内地面高程6.5 m，溃口宽度80 m。溃口时机选在得胜河桩号6+740出现最高洪水位9.5 m时，溃口方式为瞬间溃决。

6) 内洪溃口方案，50年一遇(1969年)降雨，石跋河新石圩小山段溃堤方案。按现状调度运用条件，计算时段内内河均可自排，河道外江出口的石跋河闸、金河口闸、姥下河闸、太阳河闸、新桥闸均开闸。当长江水位高于内河水位时关闸，同方案(1)，相应的石跋河站、金河口站、姥下河站均不考虑开机。

本方案河道溃口位置选择在石跋河桩号9+460附近新石圩小山段，圩内地面高程6.5 m，溃口宽度80 m。溃口时机选在石跋河桩号9+460出现最高洪水位8.6 m时，溃口方式为瞬间溃决。

4.3 洪水风险计算结果

1) 内河溃堤方案，1991年降雨，丰山新河老西圩耿华段、得胜河杨大圩齐庄段、石跋河新石圩小山段溃堤方案成果。

①淹没范围。淹没范围为芜湖市鸠山区的沈巷镇(十四联圩、练纲圩)、香泉镇、乌江镇、西埠镇、历阳镇、姥桥镇、白桥镇、功桥镇、环峰镇、陶厂镇和铜闸镇共11个乡镇，最高蓄洪水位新石圩8.07 m、杨大圩8.87 m、老西圩7.21 m。溃堤后保护区内水位线详见图4。

②淹没水深。防洪保护区内大部分区域淹没水深在1 m以上，最大淹没水深4.52 m。区内最大淹没水深分布见示意图5。

图5 区内淹没水深分布示意图(单位：m)

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。区内洪水最大流速分布见示意图6。

图6 区内洪水流速分布示意图(单位：m)

④洪水前锋达到时间。区内洪水前锋到达时间分布见示意图7。

图7 区内洪水前锋到达时间分布示意图(单位：m)

⑤洪水成果分析。内河洪水自排溃口工况(20年一遇)，所有的乡镇均有影响，淹没总人口约9.75万人，姥桥镇受影响最大，影响人口1.84万人。总淹没面积202.65 km2，总淹没农田面积6 447.17 hm2，受影响公路长度30.64 km，受影响铁路长度0.54 km，受影响GDP达250 569万元。

2) 内河溃堤方案，1969年降雨，丰山新河老西圩耿华段、得胜河杨大圩齐庄段、石跋河新石圩小山段溃堤方案成果。

①淹没范围。淹没范围为芜湖市鸠山区的沈巷镇(十四联圩、练纲圩)、香泉镇、乌江镇、西埠镇、历阳镇、姥桥镇、白桥镇、功桥镇、环峰镇、陶厂镇和铜闸镇共11个乡镇，最高蓄洪水位新石圩8.22 m、杨大圩9.06 m、老西圩7.42 m。溃堤后保护区内水位线详见图8。

图8 1969年洪水过程

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。区内最大淹没水深分布见示意图9。

图9 区内淹没水深分布示意图(单位：m)

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。区内洪水最大流速分布见示意图10。

图10 区内洪水流速分布示意图(单位：m)

④洪水前锋达到时间。区内洪水前锋到达时间分布见示意图11。

图11 区内洪水前锋到达时间分布示意图(单位：m)

⑤洪水成果分析。内河洪水自排溃口工况(50年一遇)，所有的乡镇均有影响，淹没总人口约12.68万人，姥桥镇受影响最大，影响人口2.50万人。总淹没面积259.62 km2，总淹没农田面积8 338.84 hm2，受影响公路长度41.7 km，受影响铁路长度1.51 km，受影响GDP达332 361万元。

5 结 论

1) 内涝洪水主要对相应溃堤圩口产生一定淹没，对相应圩口有较高风险，但对其他圩口风险较小；内涝淹没主要是对圩内低洼地产生较大风险。

2) 洪水会在内河河道寻找堤防薄弱段溢漫或溃破，建议在制定防汛预案中应优先考虑堤防等级薄弱圩区的人员撤离。