北京新機(jī)場項目對屈家店樞紐行洪的影響研究及消減措施

劉江俠，齊靜，王佰偉

（1.海河水利委員會科技咨詢中心，天津300170；2.水利部海河水利委員會，天津300170）

北京新機(jī)場項目對屈家店樞紐行洪的影響研究及消減措施

劉江俠1，齊靜1，王佰偉2

（1.海河水利委員會科技咨詢中心，天津300170；2.水利部海河水利委員會，天津300170）

北京新機(jī)場的建設(shè)將占壓永定河的部分泛區(qū)，機(jī)場區(qū)域地面硬化后瀝水流量也將增大，會對永定河行洪造成一定影響。為了定量研究新機(jī)場建設(shè)的影響，以永定河下游控制性工程屈家店樞紐為研究對象，根據(jù)永定河泛區(qū)的測量資料，建立了永定河泛區(qū)二維非恒定流水力學(xué)模型和河道一維非恒定流模型相耦合的水力學(xué)模型。在維持永定河系現(xiàn)有防洪格局基礎(chǔ)上，采取原有的泛區(qū)運用調(diào)度方式，并在保持分區(qū)運用次序和口門啟用順序不變的情況下，模擬計算永定河遇不同標(biāo)準(zhǔn)洪水時的行洪過程，分析新機(jī)場近期建設(shè)情況下屈家店樞紐最高洪水位和最大泄洪流量的變化。

行洪影響；水力學(xué)模型；北京新機(jī)場；屈家店樞紐；永定河泛區(qū)

1　引言

涉河工程項目會改變水流要素，影響汛期行洪過程，必須進(jìn)行洪水影響評價。隨著對洪水運行規(guī)律認(rèn)識的深入和數(shù)值計算在水利工程中應(yīng)用的發(fā)展，數(shù)學(xué)模型已被廣泛應(yīng)用到各種工程的防洪影響計算中［1］，充分發(fā)揮了其較好模擬水流運動規(guī)律、投資少、周期短的優(yōu)勢。長期以來，我國開展了各類工程建設(shè)項目的防洪影響評價，如橋梁建設(shè)［2］、公路建設(shè)［3］、攔河壩工程［4］、護(hù)岸工程［5］、港航工程建設(shè)和復(fù)建［6，7］、航道整治［8］等對行洪的影響，積累了豐富的理論和實踐經(jīng)驗。

北京新機(jī)場是我國“十二五”規(guī)劃重點建設(shè)項目，是一座綜合性超大型國際機(jī)場，將占壓永定河泛區(qū)的部分面積，需要評價其對永定河的防洪影響。本文利用建立的永定河泛區(qū)二維非恒定流和河道一維非恒定流相耦合的模型，以下游關(guān)鍵性水利樞紐屈家店樞紐行洪過程中的主要因素為研究對象，定量分析了不同重現(xiàn)期設(shè)計洪水下新機(jī)場建設(shè)對屈家店樞紐行洪帶來的影響。

2　概況

2.1北京新機(jī)場項目概況

北京新機(jī)場工程選址于北京市大興區(qū)與河北省廊坊市交界處，近期建設(shè)占壓永定河泛區(qū)3.02 km2，在機(jī)場東側(cè)修建防洪堤后，防洪堤西側(cè)區(qū)域占用泛區(qū)面積28.62 km2。北京新機(jī)場工程對永定河防洪的影響，主要表現(xiàn)為兩方面：一是機(jī)場占壓泛區(qū)面積影響了滯洪范圍與滯洪容積，對設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)洪水的調(diào)度產(chǎn)生一定的影響；二是機(jī)場區(qū)域地面硬化后瀝水流量增加，對永定河泛區(qū)中小洪水的調(diào)度產(chǎn)生一定的影響。

2.2永定河泛區(qū)及屈家店樞紐概況

永定河防洪體系按100年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防，現(xiàn)今的永定河泛區(qū)是1939年洪水時永定河改道后形成的，上自梁各莊，下至屈家店樞紐，承擔(dān)“緩洪、沉沙、削峰”任務(wù)。泛區(qū)周邊南側(cè)建有永定河故道左堤、北遙堤、增產(chǎn)堤等，北側(cè)建有新北堤、護(hù)河堤、北運河左堤等。泛區(qū)圍堤內(nèi)的各小埝將泛區(qū)分隔成4個區(qū)域共計9個部分，各分區(qū)控制口門及位置如圖1所示。

屈家店樞紐位于永定河下游，由北運河節(jié)制閘、新引河進(jìn)洪閘和永定新河進(jìn)洪閘組成，是控制永定河水泄入永定新河的水閘樞紐。該樞紐工程以防洪為主，擔(dān)負(fù)著北運河、永定新河泄洪任務(wù)，直接保護(hù)天津市和京津公路、京山鐵路安全，是永定河下游至關(guān)重要的防洪工程。

圖1　各分區(qū)控制口門及位置

3　永定河泛區(qū)洪水模擬模型

3.1河道一維非恒定流水力學(xué)模型

運用主河道199個實測斷面，建立從永定河上游梁各莊以上14.5 km處斷面到下游西張務(wù)樞紐的河道一維非恒定流模擬模型。描述明渠非恒定流方程為：

式中：Z為水位（m）；t為時間坐標(biāo)（s）；B為?；瘜挾龋╩）；Q為流量（m3/s）；x為沿程斷面坐標(biāo)；q為旁側(cè)出流單寬流量（m3/s）；g為重力加速度（m/s2）；A為過流面積（m2）；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑（m）。

方程離散選擇三點隱式差分格式，用追趕法求解離散線性方程組。河道入流邊界有永定河上游來水過程、天堂河入流過程（分為有機(jī)場排水和無機(jī)場排水兩種情況）和龍河入流過程。模型出流邊界為屈家店樞紐的水位流量關(guān)系和河道上的泛區(qū)分洪口門。

3.2泛區(qū)二維非恒定流水力學(xué)模型

泛區(qū)二維非恒定流，采用下式模擬。連續(xù)方程為：

動量方程為：

式中：H為水深（m）；t為時間坐標(biāo)（s）；Z0為底高程（m）；q為源匯項（m3/s）；M，N分別為x，y方向上的單寬流量（m3/s），且M=Hu，N=Hv；u，v分別為x，y方向的平均流速（m/s）；n為糙率；x，y為x，y方向沿程斷面坐標(biāo)；g為重力加速度（m/s2）。

方程采用有限體積離散法求其數(shù)值解。

3.3一二維銜接模式

一二維模型銜接模式采用一維旁側(cè)出流流量等于二維模型邊界流量，一二維水位差確定堰流流量、方向的方法交替疊代計算，達(dá)到一二維銜接模型聯(lián)解的目的。銜接口門條件為：

式中：Qj為一維旁側(cè)出流流量（m3/s）；QΓ為二維模型邊界流量（m3/s）；Hj為銜接斷面上游的堰上水頭（m）；σc為側(cè)收縮系數(shù)；σs為淹沒系數(shù)；m為流量系數(shù)；g為重力加速度（m/s2）。

一維模型截取原河道199個斷面的上游河道105個斷面，在西張務(wù)處與二維泛區(qū)河道銜接。一維河道還包括南前衛(wèi)埝與南小埝間的從池口分洪口門到南石口門上游19個斷面；朱莊至西張務(wù)的堤外斷面13個。河道與二維泛區(qū)銜接位置為池口口門、天堂河旁的低堤、王瑪口門、南石口門、西孟村口門、茨平口門、朱莊前衛(wèi)埝。二維模型中潘莊口門控制南小埝兩側(cè)的銜接，龍河扒口聯(lián)通龍河兩側(cè)的滯洪區(qū)，屈家店樞紐根據(jù)水位流量關(guān)系控制，龍河來水采用通道來流過程控制，其他隔堤選擇低堤位置進(jìn)行退水扒口。河道上游控制邊界為梁各莊斷面入流，下游出流控制邊界為西張務(wù)的水位流量關(guān)系；泛區(qū)入流邊界為天堂河入流（包括機(jī)場排水河）、龍河入流以及一維河道與二維泛區(qū)銜接的各口門的入流，下游控制邊界為屈家店樞紐的水位流量關(guān)系。永定河泛區(qū)網(wǎng)格和地形走勢變化如圖2所示，一二維銜接模型及口門分布如圖3所示。

4　影響分析

4.1洪水調(diào)度方式及洪水組合

永定河泛區(qū)各小埝分洪口門分洪運用按照現(xiàn)行的《永定河洪水調(diào)度方案》（2004年方案）進(jìn)行控制。洪水組合為：永定河小于10年一遇洪水按與5年一遇天堂河、龍河和機(jī)場的瀝澇水組合考慮；10～50年一遇及其以上洪水與瀝澇水組合按錯級相加考慮，即10年一遇洪水與5年一遇瀝澇水組合、20年一遇洪水與10年一遇瀝澇水組合、50年一遇洪水與20年一遇瀝澇水組合；考慮到瀝澇水的排水條件，大于50年一遇洪水均與20年一遇瀝澇水組合。

圖2　永定河泛區(qū)二維網(wǎng)格及地形

圖3　一二維銜接模型及主要控制口門分布

新機(jī)場近期建成后，瀝水量將有所增加。永定河泛區(qū)內(nèi)河道承納的瀝水流量增加，將會對下游屈家店樞紐泄洪形成一定壓力。運用建立的水力學(xué)模型，針對新機(jī)場建設(shè)前后的情況，在現(xiàn)有洪水調(diào)度方式下，對永定河遭遇不同重現(xiàn)期設(shè)計洪水情況下屈家店樞紐的行洪過程進(jìn)行了模擬，得到了關(guān)鍵性要素。模擬計算時，選取了10、20、50、100、200年一遇永定河設(shè)計洪水。

4.2新機(jī)場項目近期建設(shè)對屈家店樞紐水位和泄量的影響

通過模擬計算，得到不同量級洪水時新機(jī)場項目近期建設(shè)下屈家店樞紐泄洪過程中達(dá)到的最高水位、最大泄流量以及2個要素在近期建設(shè)前后的變化情況，見表1。

表1　新機(jī)場項目近期建設(shè)前后行洪要素及其變化

新機(jī)場項目近期建設(shè)前后，隨著洪水量級的增大，最高水位和最大泄流量的變化越來越大。100年一遇洪水情況下，新機(jī)場建設(shè)前屈家店樞紐前最高水位為6.03m，建設(shè)后為6.04m，雍高0.01m，約上升0.2%；新機(jī)場建設(shè)前后最大泄量分別為1 725、 1 738m3/s，相差13m3/s，約上升0.8%。

由此可見，新機(jī)場建設(shè)對屈家店樞紐的水位和泄量影響較小。新機(jī)場建設(shè)前后不同頻率屈家店樞紐前水位和泄量變化過程，如圖4—5所示。

圖4　屈家店樞紐前不同頻率水位變化

圖5　屈家店樞紐不同頻率洪水泄量變化

4.3補救措施

新機(jī)場建設(shè)對屈家店樞紐水位影響較小，可采取自行消化緩滯瀝水、緩滯瀝水外排及建設(shè)滯蓄工程3個方案。

（1）自行消化緩滯瀝水。在建設(shè)新機(jī)場前，洪水自梁各莊進(jìn)入永定河泛區(qū)，區(qū)間有天堂河和龍河的瀝水進(jìn)入，無其他的洪瀝水。新機(jī)場建設(shè)后，除上述洪水外，還有新機(jī)場的瀝水會排入永定河泛區(qū)，這樣必將對屈家店樞紐的防洪風(fēng)險產(chǎn)生影響。自行消化緩滯瀝水方案是將新機(jī)場區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的瀝水自行解決，且返還占用的天堂河和龍河區(qū)域，即永定河泛區(qū)和天堂河、龍河的產(chǎn)流區(qū)域不變，向永定河排入的流量過程不變。該方案與不建機(jī)場時的防洪工程及洪水過程一致，對永定河防洪沒有影響。若將新機(jī)場建設(shè)后的影響減小到零，需采取相應(yīng)的工程和非工程措施。新機(jī)場近期占用滯洪容積160萬m3左右，按照占一還一的原則對泛區(qū)容積進(jìn)行補償。

（2）緩滯瀝水外排。按照新機(jī)場建設(shè)的可行性研究，新機(jī)場近期建設(shè)規(guī)模內(nèi)部滯蓄水量160萬m3左右，需外排流量為30～45m3/s。外排水量將對永定河防洪產(chǎn)生一些影響，這就要求新機(jī)場按照瀝水增量自行消化的原則增加瀝水調(diào)蓄措施，洪水期外排流量等于為建設(shè)機(jī)場前該區(qū)的排水流量。為此，建議修建相應(yīng)的滯蓄水庫，使新機(jī)場排出的水量緩滯，然后排入永定河；另外，加固新機(jī)場周邊的防洪工程。防洪工程包括新機(jī)場周邊的永定河左堤、東側(cè)新建的防洪堤工程、改道后新填筑的天堂河右堤工程。其中，新機(jī)場南側(cè)永定河左堤為險工段，應(yīng)按新機(jī)場防洪要求做好險工防護(hù)工程。

5　結(jié)語

通過水力學(xué)模擬方法，針對永定河泛區(qū)建立了洪水模擬模型，并應(yīng)用于模擬分析北京新機(jī)場建設(shè)對下游屈家店樞紐行洪的影響。結(jié)果表明，新機(jī)場建設(shè)不會對屈家店樞紐的行洪造成顯著影響。但同時應(yīng)注意，由于新機(jī)場建設(shè)對大洪水情況下屈家店樞紐的行洪情況更為明顯，還應(yīng)關(guān)注和研究大洪水或不同洪水組合情況下屈家店樞紐行洪要素的變化，并適當(dāng)修訂大洪水情況下永定河防洪方案。

［1］Akanb IA A，Katopodes N D.Models for flood propagation on initially dry land［J］.Journal of Hydrologic Engineering，1987，114（15）：689-706.

［2］王俊，肖俊.淺談擬建橋梁對河道行洪和河勢穩(wěn)定的影響——以孔雀河復(fù)線大橋工程為例［J］.水資源與水工程學(xué)報，2012，23（2）：126-131.

［3］袁晶，張小峰，謝作濤.公路建設(shè)對分洪區(qū)內(nèi)洪水演進(jìn)影響的數(shù)值模擬［J］.武漢大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2005，38（1）：64-68.

［4］董耀華.葛洲壩工程對壩下游河道行洪影響的計算分析［J］.水利學(xué)報，1997（9）：48-54.

［5］麻榮永，梁紅飛，梁軍賢.護(hù)岸工程對河道行洪的影響研究［J］.廣西大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2000，25（3）：220-224.

［6］馬克俊.珠江電廠1 000 t級碼頭工程行洪影響論證［J］.甘肅水利水電技術(shù)，2011，47（7）：3-7.

［7］楊勝發(fā)，楊斌，許光祥.豐都港復(fù)建工程對長江行洪能力影響研究［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報，2001，20（4）：105-109.

［8］谷利華，岳紅艷，張杰.長江石首段航道整治工程行洪影響研究［J］.人民長江，2010，41（8）：5-8.

TV877

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1004-7328（2016）05-0027-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2016.05.009

2016—07—15

劉江俠（1981—），女，碩士，高級工程師，主要從事水資源與防洪研究工作。