0.   引　言

近年来，随着极端降雨事件频发，洪涝灾害日益严峻，带来了巨大的生命财产损失^[1-3]。为了尽最大可能减少损失，各种应对措施被提出，包括采用新的防洪调度规则、加高行洪河道堤防、重新评估河道对洪水的适应性等^[4-6]。独流减河作为大清河洪水排泄的关键通道，其行洪能力的准确评估对区域防洪减灾工作至关重要^[7-8]。闸门作为跨河构筑物，对河道的过流能力具有重要影响。目前，国内外学者针对水工构筑物对河道行洪能力的影响，通过数值模拟、物理模型及大数据模型等技术手段做了大量研究，取得了丰富成果。在数值模拟方面，荆海晓等^[9]通过三维数值模拟研究桥梁堵塞对河道洪水的影响，发现桥梁堵塞会显著降低河道行洪能力，增加洪水风险。薛海等^[10]基于数值模拟方法，研究了保水堰体型参数对河道过流能力的影响，并提出了最佳堰高区间内保水堰的优化结构。翟明杰等^[11]研究河道糙率与地面沉降对河道行洪能力的影响，并发现河道过洪量越大，滩地糙率变化对河道水深变化影响越明显，区域性地面沉降也可能对河道行洪能力等产生明显影响。Hamidifar等^[12]使用iRIC MFlow_02对伊朗Kor河进行了模拟，研究了设置大坝与未设置大坝对流速、沉积物输送率和河床地形等参数的影响，研究发现大坝显著降低了水流量和相对流速，而对河床形态和沉积物输送的影响相对较小。 Vázquez-Tarrío 等^[13]通过一维模型研究了法国Rhône河沿岸连续堤防和连续顺流水坝对河床输运能力的影响，结果表明进行河床护砌和河道改道之前，河床的输运能力比改造后高出25倍～35倍，顺流水坝对输运能力的影响比河道连续堤防大2倍～3倍。Fairley等^[14]通过使用第3代频波普模型SWAN研究在英国西海岸的Severn河口修建拦河坝对当地海浪状况产生的影响，研究发现拦河坝对水流和水位的改变将影响河口已经存在的潮汐引起的波浪条件调制，主要会导致涨潮时浪高的增加。在物理模型方面，姜宇强等^[15]采用了1∶50正态河道的物理模型，对分洪角31°，堰高1 m的侧堰的过流能力进行了试验研究，发现在侧堰体型确定的情况下，流量系数${C}_{W}$随着主渠水深与堰高比值的增大而减小，随着上游弗劳徳数的增大而增大，并提出相应计算公式。在大数据模型方面，邱勇等^[16]验证了BP神经网络模型在预测直角折线堰过流能力方面的适用性，并给出了直角折线堰的流量系数表，为工程设计提供参考。与物理模型相比，数值模拟避免了构建复杂物理模型所需的高昂费用，同时可以实现对难以通过物理实验再现的极端情景的研究。与大数据模型相比，数值模拟技术实现了可视化功能，可以通过动画直观展示河道水流的流速场、水位演进过程。因此，数值模拟技术以其便捷性和广泛的适用性成为当前河道行洪能力评估的主流技术手段。

本文采用数值模拟方法，以独流减河为研究对象，使用IFMS软件建模，采用“23·7”洪水实测数据进行模型率定，采用2021年洪水实测数据验证模型。通过调整拦腰闸的设置，分析其对独流减河行洪能力的影响，以期为独流减河治理规划与灾害防御策略制定提供决策支持。

1.   研究区域概况

1.1   独流减河

独流减河位于天津市区南侧，是承泄大清河系洪水的主要入海尾闾，西起独流减河进洪闸，流经静海、西青、滨海新区，于防潮闸入渤海，全长67 km，其左堤为天津市城市防洪圈的南部防线，河道设计行洪能力为3 600 m³/s。历史上，1954年老进洪闸最大泄量1 370 m³/s，闸上最高水位6.961 m；1977年实测防潮闸最大泄量1 090 m³/s，闸上最高水位1.45 m。在“23·7”泄洪过程中，进洪闸最大泄量1 354 m³/s^[17]。

1.2   拦腰闸

独流减河尾闾的拦腰闸分为南腰闸、北腰闸，位于独流减河下游北深槽大港电厂段，在独流减河的洪水控制和排水方面发挥着重要作用。南腰闸、北腰闸设计流量均为500 m³/s，各4孔，宽10 m，高6.4 m，闸底原高程均为-1.829 m，根据《大清河系中下游地区防洪标准及东淀、文安洼、贾口洼特征水位研究专题报告》^[18]防潮闸每年沉降8.9 mm估算，南腰闸闸底高程修正为-2.238 m，北腰闸闸底高程修正为-2.256 m，南腰闸长期处于开启状态^[17]，北腰闸通过调节河道水流，保证大港电厂的正常运行及周边地区的防洪安全。独流减河概况如图1所示。

图  1  独流减河概况

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2.   水动力模型构建

2.1   模型原理

采用洪水分析软件IFMS中的河道一维水动力学模型进行模拟，控制方程为一维圣维南方程组：

式中：q为旁侧入流流量，m³/s；${\bf\textit{Q}}$为流量，m³/s；B为水面宽度，m；Z为水位，m；A为过水面积，m²；t为时间，s；x为位移，m；α为动量校正系数；${S}_{f}$为摩阻比降。

采用基于有限体积法的Godunov格式对上述一维圣维南方程组进行离散^[19]。

2.2   模型构建

2.2.1   数据来源

本文使用的数据主要包括河道及闸门数据、水文数据两大类别。数据坐标系采用了2000国家大地坐标系，高程基准采用1985国家高程基准，具体数据信息及来源如表1所示。

表  1  数据信息来源

数据类型	数据来源
河道及周边地形高程数据、涉水工程尺寸	天津市水务局
独流减河各水文（位）站数据

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2.2.2   建模范围

本次建模以独流减河进洪闸闸下断面为模型起点，独流减河防潮闸为模型终点，共计64个断面（河道断面数据采用2019年最新测量数据），总长67 km。

2.2.3   糙率设置

根据《大清河系中下游地区防洪标准及东淀、文安洼、贾口洼特征水位研究专题报告》^[18]设置独流减河糙率初始值，并依据“23·7”洪水过程中独流减河实测洪水数据（2023年8月1—31日）对糙率进行率定调整，最终糙率设置如表2所示。

表  2  独流减河糙率设置表

河段	主槽	滩地
进洪闸—陈台子	0.025	0.027
陈台子—西千米桥	0.025	0.040
西千米桥—东千米桥	0.025	0.110
东千米桥—防潮闸	0.030	0.062

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2.2.4   水工构筑物设置

拦腰闸与独流减河防潮闸采用考虑沉降后的相关参数。在一维模型中，拦腰闸以断面的形式设置，行洪滩地采用平均高程设置在南腰闸、北腰闸之间。独流减河防潮闸调度规则设置为闸上水位大于闸下水位时开启，其他时刻关闭。独流减河水工构筑物现状参数如表3所示。

表  3  独流减河水工构筑物参数

闸门名称	宽×高/（m×m）	闸门底高程/m	闸门孔数
独流减河防潮闸	中孔9.8×6.3 边孔9.8×5.85 边外孔9.8×3.68	中孔-3.13 边孔-2.65 边外孔-0.46	26（22孔过流）
北腰闸	10×6.4	-2.256	4
南腰闸	10×6.4	-2.238	4

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2.3   模型率定

采用“23·7”洪水过程独流减河进洪闸下泄流量作为上游边界，独流减河防潮闸闸下水位过程作为下游边界，基于万家码头实测水位及模拟结果对独流减河模型进行率定。图2显示了万家码头模拟与实测水位过程，模型对洪水涨、落趋势模拟情况较好，水位、峰现时间与实测数据基本一致，结果显示万家码头洪峰水位比实测水位低0.06 m，峰现时间提前0.5 h，表明模型精度较高。

图  2  “23·7”洪水过程万家码头水位过程线

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2.4   模型验证

采用2021年7月26日至8月12日洪水过程实测数据对率定模型进行验证，上游边界为独流减河进洪闸实测下泄流量，下游边界为独流减河防潮闸闸下实测水位，结果显示模型能够较好地反映实际的水位变化趋势，水位误差在0.19 m范围内，表明模型具有较高精度（图3）。

图  3  2021年7月26日至8月12日洪水过程万家码头水位过程线

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3.   独流减河行洪能力分析

3.1   计算工况

为充分评估拦腰闸对独流减河行洪能力的影响，通过调整南腰闸、北腰闸启闭及拆除情景，设置4种工况。其中，工况1设置北腰闸开启，南腰闸未拆除（全开）；工况2设置北腰闸关闭，南腰闸未拆除（全开）；工况3设置北腰闸开启，南腰闸拆除；工况4设置北腰闸关闭，南腰闸拆除。4种工况均采用“23·7”实测洪水过程进行计算。模拟工况设置见表4。

表  4  模拟工况设置

工况	拦腰闸设置	上游边界	下游边界
工况1	北腰闸开启，南腰闸未拆除（全开）	“23·7”独流减河进洪闸下泄流量	“23·7”独流减河防潮闸闸下水位
工况2	北腰闸关闭，南腰闸未拆除（全开）
工况3	北腰闸开启，南腰闸拆除
工况4	北腰闸关闭，南腰闸拆除

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3.2   模拟结果分析

计算结果显示，工况2较工况1闸上水位总体偏高，最高可达0.373 m（图4（a））；工况4与工况3闸上水位大致相同，最高水位差值为0.092 m（图4（b））。以上结果表明，独流减河南腰闸拆除后，南腰闸河段行洪能力较北腰闸河段更大，且在一定流量范围内为主要泄洪通道。在北腰闸开启情景下，南腰闸的拆除会促进闸上水位下降，同一时刻最大下降水位为0.418 m（图4（c））；在北腰闸关闭情景下，南腰闸拆除同样会促使闸上水位下降，最大下降水位为0.711 m，水位差异较为明显（图4（d））。以上结果表明，在一定流量范围内，南腰闸拆除可以降低闸上断面的壅水效应，提高独流减河的行洪能力。

图  4  “23·7”洪水过程4种工况模拟水位对比

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考虑到独流减河拦腰闸河段有较宽行洪滩地，不同洪水流量下独流减河的行洪通道存在差异，会造成拦腰闸对河道行洪能力的影响不同。因此，对独流减河进洪闸下泄流量与各工况之间的水位差进行对比分析。结果显示（图5），在涨洪阶段下泄流量达到826 m³/s之前及退洪阶段下泄流量低于541 m³/s之后，北腰闸开启与南腰闸拆除均会显著降低河道水位，加快行洪速度，提高行洪效率；大于上述两个流量阈值的洪峰阶段，北腰闸的开启与南腰闸的拆除对降低河道水位影响较小，对提高行洪效率影响有限。主要原因在于当流量较小时，独流减河主要通过河道主槽行洪，滩地未参与行洪泄流，因此北腰闸开启与南腰闸拆除均显著增大了过流断面，提高了行洪能力；当洪水流量较大时，独流减河的主要行洪通道转变为滩地，北腰闸开启与南腰闸拆除增大的过流断面较滩地断面十分有限，因此对独流减河行洪效率影响较小。

图  5  独流减河进洪闸下泄流量与各工况的水位差对比图

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4.   结　论

独流减河是承泄大清河洪水的重要通道，本研究基于IFMS软件构建一维水动力模型，开展了拦腰闸对独流减河过流能力的影响分析，主要研究结论如下。

（1）构建了独流减河一维水动力数值模型。率定及验证结果显示，洪峰水位与实测数据之间的误差小于0.19 m，峰现时间误差在0.5 h内，表明模型具有较高精度。

（2）在“23·7”洪水模拟情景中，北腰闸的开启与南腰闸的拆除能够有效降低河道水位，延长防潮闸开启时间，提高泄洪效率，当进洪流量达到826 m³/s之前、退洪流量低于541 m³/s之后，效果较为明显。

（3）拦腰闸对独流减河行洪能力的影响取决于拦腰闸之间的滩地是否行洪，滩地行洪情景下北腰闸的开启与南腰闸的拆除对河道行洪能力影响较小，滩地未行洪情景下北腰闸开启与南腰闸拆除均能有效提高独流减河行洪效率。