薛聯(lián)青，成 誠，汪 露，張 敏，張 開

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.皖江工學(xué)院水利工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243031；3.江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 淮安 223100)

淮河流域位于我國東部，湖泊眾多[1]，較大的湖泊有洪澤湖、高郵湖和邵伯湖等。地處九河下梢的洪澤湖是流域內(nèi)最大的湖泊，為我國四大淡水湖之一，也是我國目前人工修筑的最大平原水庫之一，承接淮河中上游約16萬km2的全部來水[2]，最大入湖流量達(dá)1.98萬m3/s(1931年)[3]，抗洪作用在整個(gè)流域具有舉足輕重的地位。洪澤湖湖面是淮河中游的侵蝕基準(zhǔn)面，由于淤積湖底不斷抬高，湖區(qū)范圍因而不斷沿河上溯，湖面上升引起淮河中游基準(zhǔn)面上升，大部分泥沙特別是推移質(zhì)泥沙淤積在中游河谷，使中游河道坡降變緩。目前淮河下游江蘇省的洪澤湖湖底高程為10～11 m，比淮河中游的蚌埠河底高程高出2 m，從而使得淮河干流中下游河床出現(xiàn)倒比降[4]?；春痈闪魅L約1 000 km,總落差約為200 m[5-6]，淮河干流上游及淮南、淮北支流坡降大、匯流快，產(chǎn)生的洪水峰高歷時(shí)短，但進(jìn)入干流中下游河床后，受倒比降限制，洪水過程變得平緩，一旦流域發(fā)生中小型洪水，洪澤湖處于中低水位下，泄流能力不足，洪水下泄時(shí)間大幅延長，加之流域平原洼地眾多，平緩的洪水過程大幅延長了漫灘的時(shí)間，兩岸澇災(zāi)嚴(yán)重[7]。因此，對(duì)中低水位下洪澤湖的行洪能力進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果制定合理的方案，對(duì)洪澤湖的洪澇治理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

淮河中游(圖1)上起安徽蚌埠，下至洪澤湖出湖口三河閘，地處32°85′N～33°94′N、117°42′E～118°94′E之間,位于亞熱帶季風(fēng)氣候和溫帶季風(fēng)氣候的分界處。洪澤湖位于淮河中游末端，承接淮河中上游約16萬km2的來水，淮河干流入流量占總?cè)肓髁康?0%以上[8]。湖區(qū)年平均降水量為925.5 mm，最大年降水量為1 240.9 mm，最小年降水量為 532.9 mm。降水年內(nèi)分布極不均勻，一般集中在汛期6—9月[9]，多年平均降水量為605.9 mm，占年總降水量的65.5%，集中程度從南向北遞增。年降水量的空間分布從北向南、自西向東逐漸增多。湖區(qū)多年平均蒸發(fā)量為1 592.2 mm，旱澇災(zāi)害的發(fā)生較為頻繁[10]。洪山頭至老子山河段為洪澤湖的入湖河道，阻水灘群較多，主要的灘地如圖1所示。腰東灘位于洪山頭下游1.5 km處，灘地面積約為 20 km2，高程12.2～14.0 m，全灘為圈圩；中港灘位于老子山上游10 km處，灘地面積約為 17 km2，高程10.8～11.6 m，以圈圩為主；附淮灘位于老子山下游 1 km 處，灘地面積約為 11 km2，高程12.2～12.7 m，大部分為圈圩；新灘位于附淮灘以北3 km處，灘地面積約為9 km2，高程11.9～13.3 m，大部分為圈圩。

圖1 研究區(qū)域概況

淮河中游蚌埠至洪山頭河段全長約140 km，河道坡降較緩，部分河段呈倒比降。兩岸洼地眾多，高程一般為15～20 m，低于河道設(shè)計(jì)洪水位4～6 m，低洼地特別是沿河洼地排澇困難[11]。

2 模型構(gòu)建

2.1 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)建模實(shí)際要求，利用已有的高程點(diǎn)及斷面資料，并參考相關(guān)文獻(xiàn)與衛(wèi)星地圖，收集淮河干流蚌埠至老子山河段34個(gè)斷面數(shù)據(jù)作為一維模型的斷面資料，考慮淮河干流斷面形態(tài)變化，在浮山至洪山頭的倒比降河段設(shè)置18個(gè)斷面，蚌埠至臨淮關(guān)、臨淮關(guān)至浮山河段分別設(shè)置7個(gè)和9個(gè)斷面；二維模型中，由于洪澤湖的地形較為平坦，地形資料選取90 m的DEM數(shù)據(jù)，再根據(jù)洪澤湖實(shí)際湖底高程將湖區(qū)散點(diǎn)重采樣為1 000 m，其余區(qū)域地形資料為 30 m 的DEM數(shù)據(jù)。模擬所需的水文資料包括洪澤湖主要水文站的日尺度出入湖流量和水位；氣象資料來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，包括模擬時(shí)段洪澤湖地區(qū)的逐日降雨和蒸散發(fā)數(shù)據(jù)、日平均溫度、日最高溫度、日最低溫度及平均風(fēng)速與風(fēng)向?；春痈闪鲾嗝嬉话惚容^規(guī)則，因此節(jié)點(diǎn)平灘水位采用斷面寬深比(b/H)曲線最低點(diǎn)時(shí)節(jié)點(diǎn)水位，并考慮沿程水位銜接，由此確定如表1所示的5個(gè)主要斷面的平灘水位，再由內(nèi)插法得到淮河蚌埠以下沿岸的平灘水位。

表1 淮河干流主要斷面平灘水位

2.2 一二維耦合模型構(gòu)建

在進(jìn)行模型構(gòu)建時(shí)，要充分考慮耦合模型的收斂性。影響耦合模型收斂性的因素眾多，包括模型時(shí)間步長、二維模型網(wǎng)格尺寸、地形壞點(diǎn)、耦合邊界地形匹配程度、初始條件、糙率以及耦合邊界連接方式等，需對(duì)上述可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行逐一排除。首先將一維河網(wǎng)模型調(diào)試穩(wěn)定，調(diào)整時(shí)間步長；在二維模型中，需對(duì)部分網(wǎng)格進(jìn)行局部加密并充分平滑過渡，刪除地形壞點(diǎn)，避免局部死水區(qū)導(dǎo)致的計(jì)算發(fā)散；在一維模型和二維模型均調(diào)試穩(wěn)定后，要重點(diǎn)解決耦合邊界處可能導(dǎo)致的發(fā)散問題，耦合邊界應(yīng)設(shè)于地形變化較為平順的區(qū)域，對(duì)子模型耦合界面附近的地形作適當(dāng)修正以避免出現(xiàn)較大的地形突變；最后，適當(dāng)調(diào)整耦合模型各部分的初始條件以及糙率等，盡量避免初始條件與邊界條件相差過大以及倒比降河段糙率過小等情況。

依據(jù)水力學(xué)特性，將一維水動(dòng)力模型的范圍設(shè)置為淮河干流蚌埠至洪山頭河段，起到輸水及流量分配的作用，全長約137 km，沿線控制斷面34個(gè)。一維河網(wǎng)上游邊界為蚌埠，采取流量進(jìn)行控制；下游邊界選取洪山頭，此處為一二維模型耦合斷面，根據(jù)模型模擬原理，將此處邊界條件設(shè)置為名義水位邊界，即給予邊界任意水位值，不影響模型計(jì)算結(jié)果。

洪山頭至老子山河段長約40 km，為洪澤湖的入湖河道，河道分為三汊，各汊之間設(shè)置有可漫頂?shù)纳a(chǎn)圩，流態(tài)復(fù)雜，且該河段呈倒比降，洪山頭河底高程約為8 m，老子山約為10 m，壅水嚴(yán)重。考慮實(shí)際計(jì)算需要與模型穩(wěn)定性，設(shè)定二維模型計(jì)算范圍為洪山頭至洪澤湖出口三河閘段，并包括部分圈圩及行洪區(qū)，起到行洪與調(diào)蓄的作用。格網(wǎng)設(shè)置為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，包含62 319個(gè)網(wǎng)格，32 894個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型除耦合斷面外共有9個(gè)開邊界，其中池河、懷洪新河、新汴河、濉河、徐洪河、老濉河為上邊界，采用流量控制；三河閘、二河閘、高良澗為下邊界，采用水位流量關(guān)系曲線進(jìn)行控制；同時(shí)考慮計(jì)算精度，在入湖河道及各開邊界處網(wǎng)格加密為200 m，其余區(qū)域網(wǎng)格設(shè)置為1 000 m。

一維河網(wǎng)模型中，區(qū)間降雨選取淮河干流小柳巷站實(shí)測降雨資料，二維網(wǎng)格模型氣象條件的設(shè)定采用洪澤湖附近盱眙站實(shí)測資料。由于模擬工況選擇中小型洪水，對(duì)研究區(qū)域其余行蓄洪區(qū)及部分水工建筑物不進(jìn)行特殊設(shè)置，洪澤湖周邊生產(chǎn)圈圩按照堤防建筑物的形式在二維模型中設(shè)置，高程為 16 m，當(dāng)水位超過圩頂時(shí)，按堰流公式計(jì)算水位。

模型通過Mike Flood軟件實(shí)現(xiàn)耦合[12-13]，Mike Flood采用動(dòng)態(tài)解法，通過定義一維水流計(jì)算節(jié)點(diǎn)和二維計(jì)算網(wǎng)格的連接方式，可以實(shí)現(xiàn)不同情景的模擬，其中標(biāo)準(zhǔn)連接多用于模擬河湖連通水量交換，將多個(gè)Mike21網(wǎng)格與Mike11河段底端相連，Mike11計(jì)算模型的流量傳遞給Mike21，Mike21將耦合邊界水位返回到Mike11中，兩者結(jié)合進(jìn)行模擬。因此，本文選擇標(biāo)準(zhǔn)連接進(jìn)行模型的耦合。

3 模型率定與驗(yàn)證

為研究中低水位下洪澤湖的行洪能力，根據(jù)1951—2017年實(shí)測流量資料，對(duì)淮河干流洪峰流量及最大洪量進(jìn)行頻率分析，繪制淮河干流蚌埠站、小柳巷站洪峰流量的頻率曲線，確定蚌埠站5年一遇洪峰流量為6 300 m3/s，小柳巷站5年一遇洪峰流量為6 000 m3/s。由于淮河中下游的洪水過程較為平緩，一次洪水過程可長達(dá)30 d甚至更長時(shí)間，在此情況下，對(duì)蚌埠站和小柳巷站最大30 d洪量進(jìn)行頻率分析，確定兩水文站5年一遇30 d最大洪量分別為156億m3與144億m3。同時(shí)因?yàn)榛春恿饔蚍篮橐?guī)劃的不斷推進(jìn)，選取較新的洪水過程進(jìn)行率定驗(yàn)證。綜合考慮，選擇率定時(shí)間為2015年6月26至8月22日，蚌埠站實(shí)測洪峰流量為5 700 m3/s，小柳巷站實(shí)測洪峰流量為5 500 m3/s，30 d最大洪量為120億m3；驗(yàn)證期為2017年9月1日至11月1日，蚌埠站實(shí)測洪峰流量為5 000 m3/s，小柳巷站實(shí)測洪峰流量為 4 600 m3/s，30 d最大洪量為128億m3。

水動(dòng)力模型率定的關(guān)鍵參數(shù)為模擬區(qū)域的糙率[14-18]，由于模型范圍較大、影響因素復(fù)雜，考慮到模型包括河網(wǎng)與湖泊，故率定水文站選取淮河干流蚌埠站和小柳巷站、洪澤湖入湖口老子山站及洪澤湖出湖口三河閘站。率定方式采用整體與局部相結(jié)合的方法，首先對(duì)一維河網(wǎng)和二維網(wǎng)格模型分別進(jìn)行率定，在確定子模型的糙率后將模型進(jìn)行耦合，依據(jù)耦合結(jié)果對(duì)各部分糙率進(jìn)行調(diào)整。本次率定對(duì)不同區(qū)域賦值不同的糙率，通過對(duì)糙率的反復(fù)率定，確定淮河干流蚌埠至臨淮關(guān)、臨淮關(guān)至浮山、浮山至洪山頭河段的糙率分別為0.024、0.029和0.027，洪澤湖灘地圈圩的糙率為0.033，湖區(qū)為0.02。

為對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行定量化評(píng)價(jià)，選用納什效率系數(shù)(NSE)作為模擬的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。率定期和驗(yàn)證期兩場洪水模擬結(jié)果如圖2和圖3所示，率定期小柳巷站流量模擬的納什效率系數(shù)達(dá)到了0.98，蚌埠站、老子山站、三河閘站的水位模擬的納什效率系數(shù)分別達(dá)到了0.96、0.91和0.94；驗(yàn)證期小柳巷站流量納什效率系數(shù)為0.99，蚌埠站、老子山站、三河閘站的水位模擬納什效率系數(shù)分別為0.92、0.97和0.94，說明模型可以很好地模擬中低水位下洪澤湖的行洪過程。

(a)小柳巷站流量

(a)小柳巷站流量

4 模型模擬結(jié)果與分析

4.1 現(xiàn)狀條件下泄流能力

根據(jù)實(shí)測資料，2012年蚌埠站洪峰流量為 6 800 m3/s(7月5日)，30 d最大洪量為156億m3，與5年一遇洪水過程最為接近，故選取2012年洪水過程進(jìn)行模擬。各入湖河道流量過程如圖4所示。

圖4 2012年5年一遇洪水洪澤湖各入湖河流流量過程

模擬結(jié)果顯示，在蚌埠站洪峰流量 6 800 m3/s的情況下，淮河干流的水位普遍較高，隨著河道斷面與蚌埠閘距離的增加，漫灘時(shí)間逐漸加長，此時(shí)洪澤湖水位較低，泄流能力差?；春痈闪鞲魉恼救站挥?月5日到達(dá)最大值，蚌埠站最高水位為20.10 m，高出平灘水位1.87 m，漫灘時(shí)間17 d；臨淮關(guān)站最高水位為19.51 m，高出平灘水位1.98 m，漫灘時(shí)間26 d；香廟站最高水位為18.02 m，高出平灘水位1.43 m，漫灘時(shí)間25 d；浮山站最高水位為17.28 m，高出平灘水位1.82 m，漫灘時(shí)間34 d；洪山頭站最高水位為16.08 m，高出平灘水位0.97 m，漫灘時(shí)間33 d。模擬的水位與漫灘時(shí)間表明，淮河干流洪水在流域中下游過程變得平緩，下泄不暢，漫灘時(shí)間加長，為流域的排澇帶來困難。洪澤湖在應(yīng)對(duì)中小洪水時(shí)存在行洪能力不足的情況，因此，通過整治提高洪澤湖的行洪能力十分關(guān)鍵。

4.2 擬定切灘方案下研究區(qū)域泄流能力復(fù)核

導(dǎo)致洪澤湖泄流能力不足的主要原因是湖區(qū)水位偏低，此時(shí)洪澤湖下泄流量小，難以達(dá)到下泄要求的水位，加之洪澤湖入湖河道沿程灘地圈圩眾多，增大了阻水面積與糙率，更加大了洪澤湖泄洪的困難。根據(jù)《洪澤湖保護(hù)規(guī)劃報(bào)告》[19]，洪澤湖入湖河段為規(guī)劃保護(hù)的重點(diǎn)片區(qū)，部分灘地需要實(shí)行切灘還湖。因此，結(jié)合實(shí)際要求，本文設(shè)置切除洪澤湖入湖河道腰東灘、中港灘、附淮灘、新灘方案，對(duì)比切灘前后研究區(qū)域水動(dòng)力過程。

考慮入湖河道的河床變化情況，上游洪山頭處河底高程約為8 m，下游老子山處河底高程約為 10 m，現(xiàn)將切灘方案設(shè)定為腰東灘、中港灘、附淮灘及新灘的高程分別切灘至9 m、9 m、10 m和10 m。

對(duì)于切灘后的糙率確定，參考相關(guān)研究[20]，將切灘等同于河道水位上升的情況，此時(shí)切灘導(dǎo)致的下墊面形狀的改變對(duì)糙率的變化影響較小，故糙率可參考切灘前的灘地糙率進(jìn)行賦值，同時(shí)考慮到切灘對(duì)于灘地植物的生長抑制，最終設(shè)置灘地糙率高于河道糙率0.01。因此，切灘后，腰東灘和中港灘的糙率為0.028，附淮灘和新灘的糙率為0.021。

切灘前后模型的計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖5所示，切灘后淮河干流的水位整體下降，越靠近湖區(qū)下降的幅度越大，如7月5日淮河干流洪峰時(shí)刻，蚌埠、臨淮關(guān)、香廟、浮山、洪山頭站水位分別下降0.02 m、0.07 m、0.21 m、0.55 m和0.70 m，河道漫灘時(shí)間分別減少1 d、4 d、9 d、9 d和17 d，河道整體漫灘時(shí)間明顯縮短。

(a)洪峰時(shí)刻沿程水位線

圖6為三河閘站水位最高時(shí)刻(7月13日)洪澤湖水位與流速變化，切灘后，湖區(qū)水位較切灘前整體升高0～0.08 m，入湖河道水位較切灘前下降0～0.07 m;切灘后，入湖河道與湖區(qū)流速明顯增大。從二維模型水位變化來看，切灘后湖區(qū)水位整體上升，河道水位下降，有效減輕了河道的洪澇災(zāi)害;從流速變化來看，二維模型流速整體增大，洪水下泄速度加快。

(a)水位差

由于三河閘站是洪澤湖重要的水位控制站，對(duì)其進(jìn)行水位變化與流速變化(圖7)的單獨(dú)分析。從全洪水過程來看，切灘前后三河閘站水位變化趨勢一致，時(shí)間上也基本吻合，這是由于只對(duì)洪澤湖入湖河道進(jìn)行了切灘處理，使得洪水在入湖河道下泄順暢，并不影響洪水在淮河干流的演進(jìn)，對(duì)整體洪水過程影響較小。在開始時(shí)刻，因?yàn)楹樗牒枰獣r(shí)間，切灘前后三河閘站水位均處于下降狀態(tài)，但由于入湖較為順暢，洪水流量較大，切灘后三河閘站水位的下降幅度小于切灘前。隨著入湖流量的增大，切灘前后三河閘站水位均在不斷上升，切灘后的水位始終高于切灘前，兩者在7月13日同時(shí)達(dá)到最大值，切灘前三河閘站水位最高值為13.26 m，此時(shí)洪澤湖對(duì)應(yīng)的下泄流量為7 500 m3/s；切灘后水位最高值為13.33 m，相比切灘前升高0.07 m，此時(shí)洪澤湖對(duì)應(yīng)的下泄流量為8 300 m3/s，較切灘前增大 800 m3/s，行洪能力提高11%。隨著入湖流量的降低，三河閘站水位開始降低，在8月5日后，由于入湖流量較小，切灘前入湖河道的行洪能力已滿足過水需求，切灘前后的水位趨于一致。切灘后三河閘站的流速整體增大，增加值在0.03～0.48 m3/s之間，這說明洪水下泄速度加快，洪澤湖的行洪能力有所提升。

(a)水位

洪澤湖切灘前后日均下泄流量的變化如圖8所示，總體過程與水位相似，與入湖流量變化呈正相關(guān)關(guān)系，不同點(diǎn)在于7月7—16日由于切灘后湖區(qū)水位升高至13.30 m以上，二河閘開閘泄流，洪澤湖下泄流量增大較為明顯。

圖8 切灘前后洪澤湖日均下泄流量

圖5～8的模擬結(jié)果表明，隨著河道與湖區(qū)距離的增加，河道水位對(duì)切灘工程的敏感度逐漸降低，蚌埠站水位下降僅0.02 m，洪峰時(shí)刻淮河干流主要水文站水位高于平灘水位，在發(fā)生中小洪水時(shí)仍有漫灘風(fēng)險(xiǎn)，這可能與淮河干流浮山至洪山頭河段河道狹窄、坡降為負(fù)有關(guān)。但對(duì)洪澤湖入湖河道的部分灘地進(jìn)行切灘，可在流域發(fā)生中小洪水時(shí)有效降低淮河干流水位，減少河道漫灘時(shí)間，增強(qiáng)洪澤湖泄流能力。因此，將洪澤湖入湖河道的切灘工程與浮山至洪山頭河段的河道疏浚相結(jié)合對(duì)淮河中下游洪澇災(zāi)害的治理至關(guān)重要。

5 結(jié) 論

a.基于Mike Flood軟件，將一維模型Mike11和二維模型Mike21耦合，建立淮河中下游蚌埠至洪澤湖出湖口三河閘段一二維耦合模型，選取2015年與2017年實(shí)測洪水過程對(duì)模型進(jìn)行了率定與驗(yàn)證，模擬結(jié)果較為精確，模型適用性好。選用2012年5年一遇洪水過程對(duì)洪澤湖行洪過程進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果顯示，淮河干流的水位普遍較高，隨著河道斷面與蚌埠閘距離的增加，漫灘時(shí)間逐漸加長，此時(shí)洪澤湖水位較低，泄流能力差，在應(yīng)對(duì)中小洪水時(shí)存在泄流能力不足的情況。

b.為增強(qiáng)洪澤湖的泄流能力，減少淮河中下游漫灘時(shí)間，減輕沿淮洼地的排澇困難，對(duì)洪澤湖入湖河道腰東灘、中港灘、附淮灘、新灘分別切灘至9 m、9 m、10 m和10 m，運(yùn)用耦合模型重新對(duì)2012年洪水過程進(jìn)行切灘后的行洪分析。結(jié)果表明，切灘后洪峰時(shí)刻淮河干流各水文站的水位明顯下降，越靠近湖區(qū)下降的幅度越大，沿程漫灘時(shí)間顯著減少；洪澤湖水位明顯升高，湖泊下泄能力增強(qiáng)；二維模型區(qū)域流速整體加快，洪水下泄通暢。

c.隨著河道與湖區(qū)距離的增加，河道水位對(duì)切灘工程的敏感度逐漸降低，切灘后淮河干流主要水文站洪峰時(shí)刻水位仍高于平灘水位，淮河干流在流域發(fā)生中小洪水時(shí)仍有漫灘風(fēng)險(xiǎn)。因此，為進(jìn)一步減輕淮河中下游的洪澇災(zāi)害，需要將洪澤湖入湖河道的切灘工程與浮山至洪山頭河段的河道疏浚相結(jié)合。