淮河中游洪水出路與河道治理研究進展

　　摘要：淮河中游洪澇災(zāi)害的主要問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，圍繞如何擴大中游洪水出路、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)問題，淮河水利委員會水利科學(xué)研究院采用大型實體模型試驗、一維、二維耦合水動力數(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)度方案及馮鐵營引河論證成果，探討了新時期淮河中游洪澇綜合治理需要進一步研究的問題。

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

　　關(guān)鍵詞：淮河中游;洪水出路;實體模型;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 年洪水淹沒農(nóng)田 551.6 萬 hm2 (其中澇災(zāi)占 79%)，受災(zāi)人口為 5 423 萬人，直接經(jīng)濟損失達 340 億元。進入 21 世紀，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重的損失。從流域范圍來看，災(zāi)情最為嚴重的當(dāng)屬中游。主要原因在于淮河上游多為山區(qū)河道，且經(jīng)過多年整治，洪水來勢加快;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，泄流能力嚴重不足，且受洪澤湖的強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)長久滯留，形成了小流量、高水位、長歷時、淹沒面積廣、損失嚴重的困難局面。為減輕中游洪澇損失， 1980 年以來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)系及擴大中游洪水出路等重大工程與關(guān)鍵技術(shù)問題，開展了大量的基礎(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 實體模型試驗研究進展

　　系列大型實體模型試驗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大型非恒定流河工模型——淮濱至正陽關(guān)段防洪河工模型。通過聯(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。試驗確定了臨淮崗工程在不同調(diào)度條件下的回水淹沒范圍。

　　為研究淮河干流正陽關(guān)至浮山段的行洪區(qū)調(diào)整問題，1997 年以來先后在蚌埠淮河試驗研究中心與合肥淮河模型基地完成了淮河干流正陽關(guān)至淮南段[4,5]、淮南至蚌埠段[6]、正陽關(guān)至渦河口段[7]、蚌埠至方邱湖段[8]等 4 個大型河工模型，其中在合肥基地開展的正渦段模型平面比尺 1:300，垂直比尺 1:60，模型長 500 多米，是迄今淮河干流最大的非恒定流河工模型，模型采用先進的量測控制系統(tǒng)，能實現(xiàn)模型內(nèi)、外邊界的自動控制和水力參數(shù)的自動檢測。利用上述模型開展了大量的試驗研究，成果已應(yīng)用于方邱湖、臨北段、荊山湖、平圩、洛河洼等 5 個行洪區(qū)調(diào)整建設(shè)，并且已實施完成;正峽段壽西湖、董峰湖兩個行洪區(qū)調(diào)整方案已批準(zhǔn)，正在實施;受土地紅線等因素制約，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展進一步優(yōu)化研究。

　　圍繞治淮 19 項骨干工程，完成了淮河干流控制樞紐水工模型試驗。通過蚌埠閘樞紐整體水工模型試驗，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)合運用提供了調(diào)度方案[9]。針對臨淮崗洪水控制工程，開展了 7 個不同類型的水工模型試驗[10]，對深孔閘、船閘、上下引河布置等工程進行了多方案優(yōu)化，對原布置方案進行重大調(diào)整。

　　此輪行蓄洪區(qū)調(diào)整建設(shè)，為保證進退洪水效果，將口門調(diào)整為進洪閘和退洪閘。先后完成了城西湖退洪閘、姜唐湖退洪閘、荊山湖進、退洪閘等 10 余座行蓄洪區(qū)進、退洪控制樞紐工程模型試驗 [11]。懷洪新河續(xù)建工程是擴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[12]。經(jīng)過 2003 年和 2007 年洪水運用表明，已建樞紐運行安全，布置合理。

　　2 水動力數(shù)學(xué)模型研究進展

　　基于河道、行蓄洪區(qū)、湖泊等水流運動特性，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)域水流運動特性。此外，還建立了重點河段二維水動力數(shù)學(xué)模型，能夠提供更加詳細的水力要素信息，為實體模型試驗提供邊界范圍，并相互驗證，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)泄流能力評估、馮鐵營引河方案論證、河湖關(guān)系和洪水調(diào)度，為淮河進一步治理和保護提供了重要的技術(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]。對馮鐵營引河規(guī)模、斷面形式、運用方式進行了深入系統(tǒng)的研究[10]，探明了推薦方案的主要效益及影響，并對工程的進一步優(yōu)化進行了方向性的探討[23]。

　　采用典型年洪水過程，分析了行蓄洪區(qū)啟用標(biāo)準(zhǔn)、時機和方式對淮河干支流洪水的影響范圍和程度，揭示了行洪區(qū)從開啟到關(guān)閉運用過程中 5 個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)劃工程實施后洪澤湖上下游洪水的安排，分析了馮鐵營引河、溧河洼疏浚、湖區(qū)開槽及擴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、提前運用入海水道工程帶來的效益及影響[23]。上述研究，為正確認識和處理好河湖關(guān)系，進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)律開展了研究。毛世民等[26-29]開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]開展了水利部現(xiàn)代水利科技創(chuàng)新項目“淮河干流河相關(guān)系和整治方向研究”;韓其為等[23]開展了安徽省水利科技創(chuàng)新項目“淮河干流蚌埠以下河道治理研究”;虞邦義等[31]開展了國家重點研發(fā)計劃“淮河干流河道與洪澤湖演變及治理”;虞邦義等[32]開展了安徽省水利重大前期項目“淮河中游洪澇災(zāi)害機理與對策研究”。淮河水利委員會水利科學(xué)研究院作為主持單位或主要完成單位，參加了上述研究項目。研究成果已在治淮的規(guī)劃設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用，并為淮河干流的進一步治理提供科學(xué)理論支撐。

　　3.1 水沙特性研究

　　近年來受人類活動和氣候變化等因素的影響，淮河中游的來水來沙特性發(fā)生了顯著的變化[33]。基于淮河干流主要站點長系列水沙原型資料，采用多種水文統(tǒng)計方法對淮河干流徑流量和輸沙量的演變特征進行系統(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，但淮河干流來沙量則表現(xiàn)出明顯的減小趨勢，2000 年后來沙量趨于穩(wěn)定，如魯臺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-少兩個階段的變化過程，發(fā)生突變的年份在 1980-1984 年之間，未來一段時間來沙量整體將繼續(xù)呈現(xiàn)減小的趨勢，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重要基礎(chǔ)，也是河道變形計算中不可缺少的組成部分。選取淮河中游觀測資料系列較長的王家壩、潤河集、魯臺子、吳家渡和小柳巷等 5 個測站，基本控制了中游入?yún)R水量變化較大的幾個河段，討論淮河中游的河相關(guān)系特點和變化。

　　采用淮河中游 5 個水文站 1950-2007 年的實測資料，點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]：