淮河中游洪水出路與河道治理研究進(jìn)展

　　摘要：淮河中游洪澇災(zāi)害的主要問(wèn)題是中游河道泄洪能力偏小、洪澤湖頂托阻水及出湖通道不暢。自 20 世界 80 年代以來(lái)，圍繞如何擴(kuò)大中游洪水出路、充分發(fā)揮行蓄洪區(qū)功能、優(yōu)化行蓄洪區(qū)布局、改善淮河與洪澤湖的關(guān)系等重大工程與關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院采用大型實(shí)體模型試驗(yàn)、一維、二維耦合水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型、原型資料分析和理論研究相結(jié)合的方法，分析了淮河流域水沙特性、河床湖床演變、河相關(guān)系、挾沙能力、造床流量等河道湖泊演變基本規(guī)律，優(yōu)化了淮河干流河道整治及行蓄洪區(qū)調(diào)整工程方案，提供了行蓄洪區(qū)優(yōu)化調(diào)度方案及馮鐵營(yíng)引河論證成果，探討了新時(shí)期淮河中游洪澇綜合治理需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

　　本文源自虞邦義; 呂列民; 楊興菊; 倪晉， 泥沙研究 發(fā)表時(shí)間：2021-07-19

　　關(guān)鍵詞：淮河中游;洪水出路;實(shí)體模型;數(shù)學(xué)模型;河道治理

　　淮河流域洪澇災(zāi)害頻繁，損失巨大。1991 年洪水淹沒(méi)農(nóng)田 551.6 萬(wàn) hm2 (其中澇災(zāi)占 79%)，受災(zāi)人口為 5 423 萬(wàn)人，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá) 340 億元。進(jìn)入 21 世紀(jì)，淮河防洪除澇體系基本建成，防洪區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)和抗災(zāi)能力有了很大的提高，但 2003 年和 2007 年洪水依然造成了嚴(yán)重的損失。從流域范圍來(lái)看，災(zāi)情最為嚴(yán)重的當(dāng)屬中游。主要原因在于淮河上游多為山區(qū)河道，且經(jīng)過(guò)多年整治，洪水來(lái)勢(shì)加快;中游自王家壩以下河道比降平緩，沿淮河的洼地眾多，行蓄洪區(qū)和生產(chǎn)圩密布，河道灘槽狹窄，泄流能力嚴(yán)重不足，且受洪澤湖的強(qiáng)烈頂托及浮山以下倒比降的影響，中游洪水難以順利排泄。在上游影響、洪澤湖制約和中游河道行洪不暢等因素的交互作用下，洪水在中游地區(qū)長(zhǎng)久滯留，形成了小流量、高水位、長(zhǎng)歷時(shí)、淹沒(méi)面積廣、損失嚴(yán)重的困難局面。為減輕中游洪澇損失， 1980 年以來(lái)圍繞如何提高河道泄流能力、充分發(fā)揮行蓄洪區(qū)的功能、優(yōu)化行蓄洪區(qū)布局、改善淮河與洪澤湖的關(guān)系及擴(kuò)大中游洪水出路等重大工程與關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，開(kāi)展了大量的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究，在探索淮河基本規(guī)律、優(yōu)化整治工程方案、探討河道治理方向上都取得了顯著的進(jìn)展，體現(xiàn)了基礎(chǔ)理論與工程關(guān)鍵技術(shù)并重的特色。

　　1 實(shí)體模型試驗(yàn)研究進(jìn)展

　　系列大型實(shí)體模型試驗(yàn)研究為治淮骨干工程提供了優(yōu)化方案與技術(shù)支撐。陳先樸[1-3]主持了淮河干流首個(gè)大型非恒定流河工模型——淮濱至正陽(yáng)關(guān)段防洪河工模型。通過(guò)聯(lián)圩靠崗工程、行洪區(qū)廢棄工程、行洪退堤工程等綜合措施，將淮河中游洪河口至正陽(yáng)關(guān)段治理出 1.5~2.0 km 寬的排洪通道，顯著提高了該河段的行洪能力。試驗(yàn)確定了臨淮崗工程在不同調(diào)度條件下的回水淹沒(méi)范圍。

　　為研究淮河干流正陽(yáng)關(guān)至浮山段的行洪區(qū)調(diào)整問(wèn)題，1997 年以來(lái)先后在蚌埠淮河試驗(yàn)研究中心與合肥淮河模型基地完成了淮河干流正陽(yáng)關(guān)至淮南段[4,5]、淮南至蚌埠段[6]、正陽(yáng)關(guān)至渦河口段[7]、蚌埠至方邱湖段[8]等 4 個(gè)大型河工模型，其中在合肥基地開(kāi)展的正渦段模型平面比尺 1:300，垂直比尺 1:60，模型長(zhǎng) 500 多米，是迄今淮河干流最大的非恒定流河工模型，模型采用先進(jìn)的量測(cè)控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)模型內(nèi)、外邊界的自動(dòng)控制和水力參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)。利用上述模型開(kāi)展了大量的試驗(yàn)研究，成果已應(yīng)用于方邱湖、臨北段、荊山湖、平圩、洛河洼等 5 個(gè)行洪區(qū)調(diào)整建設(shè)，并且已實(shí)施完成;正峽段壽西湖、董峰湖兩個(gè)行洪區(qū)調(diào)整方案已批準(zhǔn)，正在實(shí)施;受土地紅線(xiàn)等因素制約，上、下六坊堤和湯漁湖行洪區(qū)調(diào)整方案正在合肥基地開(kāi)展進(jìn)一步優(yōu)化研究。

　　圍繞治淮 19 項(xiàng)骨干工程，完成了淮河干流控制樞紐水工模型試驗(yàn)。通過(guò)蚌埠閘樞紐整體水工模型試驗(yàn)，優(yōu)化了新閘樞紐規(guī)模、平面布置與消能防沖布置，為各建筑物聯(lián)合運(yùn)用提供了調(diào)度方案[9]。針對(duì)臨淮崗洪水控制工程，開(kāi)展了 7 個(gè)不同類(lèi)型的水工模型試驗(yàn)[10]，對(duì)深孔閘、船閘、上下引河布置等工程進(jìn)行了多方案優(yōu)化，對(duì)原布置方案進(jìn)行重大調(diào)整。

　　此輪行蓄洪區(qū)調(diào)整建設(shè)，為保證進(jìn)退洪水效果，將口門(mén)調(diào)整為進(jìn)洪閘和退洪閘。先后完成了城西湖退洪閘、姜唐湖退洪閘、荊山湖進(jìn)、退洪閘等 10 余座行蓄洪區(qū)進(jìn)、退洪控制樞紐工程模型試驗(yàn) [11]。懷洪新河續(xù)建工程是擴(kuò)大中游洪水出路的重要工程，我院完成了何巷閘、胡洼閘、西壩口閘及香澗湖段河道整治等工程水工河工模型試驗(yàn)[12]。經(jīng)過(guò) 2003 年和 2007 年洪水運(yùn)用表明，已建樞紐運(yùn)行安全，布置合理。

　　2 水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型研究進(jìn)展

　　基于河道、行蓄洪區(qū)、湖泊等水流運(yùn)動(dòng)特性，構(gòu)建了自息縣至洪澤湖出口段淮河干支流一、二維耦合水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型[13-16]，較好地模擬了淮河干支流、行蓄洪區(qū)、生產(chǎn)圩、洪澤湖等區(qū)域水流運(yùn)動(dòng)特性。此外，還建立了重點(diǎn)河段二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，能夠提供更加詳細(xì)的水力要素信息，為實(shí)體模型試驗(yàn)提供邊界范圍，并相互驗(yàn)證，提高了模型的精度和效率。目前，上述模型已應(yīng)用于淮河中游河道整治及行洪區(qū)調(diào)整工程方案研究、行洪區(qū)泄流能力評(píng)估、馮鐵營(yíng)引河方案論證、河湖關(guān)系和洪水調(diào)度，為淮河進(jìn)一步治理和保護(hù)提供了重要的技術(shù)支持手段。

　　圍繞淮河中游行洪區(qū)布局和調(diào)整建設(shè)，開(kāi)展了河道和行洪區(qū)泄流能力研究[17]，優(yōu)化了河道疏浚規(guī)模、堤防退建距離、建筑物布置等[17-22]。對(duì)馮鐵營(yíng)引河規(guī)模、斷面形式、運(yùn)用方式進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究[10]，探明了推薦方案的主要效益及影響，并對(duì)工程的進(jìn)一步優(yōu)化進(jìn)行了方向性的探討[23]。

　　采用典型年洪水過(guò)程，分析了行蓄洪區(qū)啟用標(biāo)準(zhǔn)、時(shí)機(jī)和方式對(duì)淮河干支流洪水的影響范圍和程度，揭示了行洪區(qū)從開(kāi)啟到關(guān)閉運(yùn)用過(guò)程中 5 個(gè)典型階段的洪水傳播規(guī)律[24]，分析了臨淮崗洪水控制工程運(yùn)用方式的影響，提出了典型年淮河中游行蓄洪區(qū)洪水調(diào)度預(yù)案[25]。

　　為改善河湖關(guān)系，優(yōu)化規(guī)劃工程實(shí)施后洪澤湖上下游洪水的安排，分析了馮鐵營(yíng)引河、溧河洼疏浚、湖區(qū)開(kāi)槽及擴(kuò)大入海水道二期等工程措施的組合效益，研究了降低蔣壩水位對(duì)淮干水位的影響范圍及幅度，探索了洪澤湖增大入海比例、提前運(yùn)用入海水道工程帶來(lái)的效益及影響[23]。上述研究，為正確認(rèn)識(shí)和處理好河湖關(guān)系，進(jìn)一步改善中游防洪除澇條件起到了關(guān)鍵的支撐作用。

　　3 淮河中游水沙特性與河道演變規(guī)律研究進(jìn)展

　　1991 年淮河大水以后，淮委十分重視淮河基本規(guī)律的研究。陸續(xù)對(duì)淮河流域水沙特性、河床湖床演變、河相關(guān)系、挾沙能力、造床流量等河道湖泊演變規(guī)律開(kāi)展了研究。毛世民等[26-29]開(kāi)展了第一輪淮河流域水沙特性和河床演變的研究;劉玉年等[30]開(kāi)展了水利部現(xiàn)代水利科技創(chuàng)新項(xiàng)目“淮河干流河相關(guān)系和整治方向研究”;韓其為等[23]開(kāi)展了安徽省水利科技創(chuàng)新項(xiàng)目“淮河干流蚌埠以下河道治理研究”;虞邦義等[31]開(kāi)展了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“淮河干流河道與洪澤湖演變及治理”;虞邦義等[32]開(kāi)展了安徽省水利重大前期項(xiàng)目“淮河中游洪澇災(zāi)害機(jī)理與對(duì)策研究”。淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院作為主持單位或主要完成單位，參加了上述研究項(xiàng)目。研究成果已在治淮的規(guī)劃設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用，并為淮河干流的進(jìn)一步治理提供科學(xué)理論支撐。

　　3.1 水沙特性研究

　　近年來(lái)受人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化等因素的影響，淮河中游的來(lái)水來(lái)沙特性發(fā)生了顯著的變化[33]。基于淮河干流主要站點(diǎn)長(zhǎng)系列水沙原型資料，采用多種水文統(tǒng)計(jì)方法對(duì)淮河干流徑流量和輸沙量的演變特征進(jìn)行系統(tǒng)分析得出[18,33,34]：整體上淮河干流年徑流量未呈現(xiàn)系統(tǒng)的增減趨勢(shì)，但淮河干流來(lái)沙量則表現(xiàn)出明顯的減小趨勢(shì)，2000 年后來(lái)沙量趨于穩(wěn)定，如魯臺(tái)子站和吳家渡站含沙量基本穩(wěn)定在 0. 1 kg/m3 和 0. 2 kg/m3 以下[29,35]。淮河干流來(lái)沙變化具有較明顯的階段性特征，整體上呈現(xiàn)出多-少兩個(gè)階段的變化過(guò)程，發(fā)生突變的年份在 1980-1984 年之間，未來(lái)一段時(shí)間來(lái)沙量整體將繼續(xù)呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，并將繼續(xù)保持少沙期。

　　3.2 河相關(guān)系

　　河相關(guān)系的研究是河道整治工作中的一個(gè)重要基礎(chǔ)，也是河道變形計(jì)算中不可缺少的組成部分。選取淮河中游觀(guān)測(cè)資料系列較長(zhǎng)的王家壩、潤(rùn)河集、魯臺(tái)子、吳家渡和小柳巷等 5 個(gè)測(cè)站，基本控制了中游入?yún)R水量變化較大的幾個(gè)河段，討論淮河中游的河相關(guān)系特點(diǎn)和變化。

　　采用淮河中游 5 個(gè)水文站 1950-2007 年的實(shí)測(cè)資料，點(diǎn)繪分析了干流河道的斷面河相關(guān)系;根據(jù)確定的造床流量[36]，建立了淮河中游沿程河相關(guān)系[37]：