一维水动力模型在航道工程洪水影响评价中的应用研究
——以大藤峡来桂2 000 t级航道工程为例

谢天云，韦露斯，李 艺，周舜轩，林芯伊

(1.珠江水文水资源勘测中心，广东 广州 510630；2.广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司，广西 桂平 537200)

洪水影响评价制度作为水行政主管部门为保障防洪安全而设置的一项水行政审批制度，对于洪水管理、避免或降低建设项目对防洪的影响和洪水对建设项目的影响，起着非常重要的作用[1-2]。航道整治建设工程具有建设范围大、工程类型多、影响范围长、影响所涉及对象类型复杂等特点，因此做好洪水影响评价工作对于水行政主管部门审查(审批)管理，对所产生的不利影响及时予以消除补救有重要意义。采用一维水动力模型进行洪水风险、蓄水调度、水质影响等方面的分析，在工程规划、设计及研究领域得到了广阔的应用[3-5]。根据工程经验及相关文献研究，一维水动力模型在洪水影响评价的应用主要在于对桥梁、穿河管线、码头等点状、线状工程的评估上运用较多[6-8]，评估所采用的表征因素主要为河道水位值。航道工程这类类型较为复杂、建设长度较长、所涉及影响对象较多样的鲜有文献研究参照。在洪水影响评价工作中，率定验证、计算工况的合理选取为工作难点及重点，也是评价分析的基础。

本文基于一维水动力模拟分析方法，同时结合水文站水文监测、历史洪水监测资料，按照大藤峡枢纽分布，分段构建来宾—桂平2 000 t级航道工程(以下简称“来桂航道”)坝上、坝下水动力模型并进行合理率定验证。以此为基础，结合防洪标准、通航标准及评价对象的日常不利运行工况，以洪水期、径流期分别进行评估。计算结果可为航道整治建设对河道行洪、水文测站观测、桥梁运行、取水口等方面的影响提供定量数据支撑，从而为洪水影响评价提供评价支撑，为水行政部门审批及管理提供依据。本文提出的论证分析方法可为类似工程项目的评价分析提供一定参考。

1 项目概况

大藤峡枢纽位于珠江流域西江干流的黔江，下距广西桂平市区约6 km，是红水河水电基地规划梯级电站的最末一级[9]，是一座以防洪、航运为主，发电与水资源配置并重，兼顾灌溉的综合利用工程，目前正在建设中，于2022年9月28日顺利通过水利部主持的二期蓄水(61 m高程)验收，标志着工程将可蓄水至61 m正常蓄水位[10]。

“来桂航道”作为珠江水运发展规划的重要工程，对于珠江-西江经济带的发展、广西内河航道建设以及沿线资源开发、产业发展具有十分重要的意义。工程起点位于红水河段，来宾港兴宾港区宾港作业区，终点位于桂平两江汇流口段。航道长度为193.876 km，按照内河2 000 t级双线航道标准建设，通航保证率为98%。其中红水河来宾宾港作业区至黔江大藤峡枢纽上游段182.713 km 航道的设计航道尺度为3.5 m×80 m×550 m(2 000 t级)；黔江大藤峡枢纽下游至桂平两江汇流口11.163 km 航道的设计航道尺度为4.1 m×80 m×550 m(3 000 t级)[11-12]，主要建设内容包括陆上炸石、炸礁工程、疏浚工程、护岸工程、航标及配套工程等多种类型。随着大藤峡枢纽的建设及蓄水，来宾至桂平的通航情况将会得到大幅改善，为来桂Ⅱ级航道的建设提供了有利外部条件。

工程起点所在红水河，于石龙三江口汇入柳江后称为黔江。黔江流经武宣至桂平，至桂平两江汇合口汇入郁江后称为浔江。其中来宾港兴宾港区宾港作业区至石龙三江口河段(红水河段)全长72.255 km；石龙三江口至桂平两江汇流口河段(黔江段)全长121.621 km，工程涉来宾、贵港两市。工程评价范围向工程整治范围上下游延伸20 km，控制线水文测站主要有迁江站、武宣(二)站、大湟江口(二)站等多处。与大藤峡枢纽设计、来桂航道设计报告一致，评价选用迁江作为红水河，武宣(二)站作为黔江、大湟江口(二)站作为黔江下游浔江的水文控制站点。工程所在位置河流水系分布、水利枢纽位置、水文控制站点示意见图1。

图1 工程所在位置水系、水文站点分布示意

2 模型构建

2.1 一维水动力模型基本控制方程与解法

2.1.1控制方程

一维河网水流数学模型采用圣维南方程组[13]，方程如下：

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

式中Q——断面流量，m3/s；Z——断面平均水位，m；B——水面宽度，m；A——过水面积，m2；x——距离，m；t——时间，s；q——旁侧入流，负值表示流出，m3/(s·m)；β——动量校正系数，无单位；g——重力加速度，9.81 m/s2；Sf——摩阻坡降，采用曼宁公式计算，Sf=g/C2，无单位；C——谢才系数，m1/2/s；ul——单位流程上的侧向流出流速在主流方向的分量，m/s。

2.1.2数值计算方法

方程组采用四点加权Pressimann固定网格隐式差分格式进行离散，采用一维河网三级联解算法进行求解。

2.2 模型计算范围及断面布设

2.2.1计算范围

本次模型计算范围基于河段控制性建筑物位置及模型特点，以大藤峡水利枢纽为界分为两段，包含整个来桂航道范围193.876 km并向上下游进行一定扩展，至上下游控制性水文站，模型研究范围总长240.73 km。其中，大藤峡枢纽上，以大藤峡枢纽坝址处为下边界，上边界为迁江水文站，计算河段长约207.11 km，相较整治起点向上游延伸24.40 km；大藤峡枢纽下，以大湟江水文站为下边界，上边界为大藤峡枢纽溢洪道以下1.6 km，计算河段长约33.62 km，相较航道整治终点向下游延伸25.32 km。

2.2.2断面布设

河段横断面基于最新实测地形图剖分，断面变化不大的地方布置较稀疏，断面变化较大(比如河段的弯曲段、炸礁段等)的地方及拟研究的工程段布置较密。

其中大藤峡枢纽上段共布设212个断面，模拟河道长度约207.11 km，断面距离约100～2 200 m不等。大藤峡枢纽下段共布设64个断面，模拟河道长度约33.62 km，断面距离约50～1 000 m不等。航道整治建设后断面基于现状及航道设计方案确定。

2.3 模型率定验证

2.3.1历史洪水调查

根据历史洪水调查成果，大藤峡枢纽以上有1949、1976、1983、1994、1996、1998、2005年等多条历史洪水监测水面线[14]，同时，2022年组织对当年西江2号洪水武宣至坝址段约60 km河段进行了实测。历史洪水洪峰流量监测情况见表1。

表1 大藤峡库区各河段历史洪水洪峰流量监测情况 单位：m3 /s

其中，1994年为历次调查最高峰值，黔江段洪峰超20年一遇，红水河洪峰近10年一遇。2022年2号洪水期间武宣站监测洪峰为25 700 m3/s，近2年一遇。

2.3.2模型率定

本次大藤峡枢纽上河段以1994年洪水(历史洪水历次调查最大值，黔江段超20年一遇，红水河段近10年一遇)、1998年洪水实测值(历史洪水历次调查最小值，黔江段近10年一遇，红水河段近2年一遇)进行模型率定。大藤峡枢纽下河段研究范围内实测水位、流量资料较缺乏，本模型以《来宾至桂平2 000吨级航道工程初步设计报告(报批稿)》中大藤峡枢纽下河段P=10%设计水面线进行模型率定。

模型率定上边界采用流量入流条件，同时考虑沿程支流汇水作为旁侧入流加入模型，下边界采用实测水位或控制性水文站所确定的水位边界条件，模型所选用水位流量等控制性边界条件见表2、3。率定水面线与实测、设计水面线对比见图2、3。

表2 坝上段率定所取用控制性边界条件

表3 坝下段率定所取用控制性边界条件

a)“94洪水”实测水面线率定成果对比

图3 大藤峡坝下段水面线率定成果对比

根据模型率定，本次计算水位与实测(设计)水位值差距基本在±0.2 m以内，大藤峡枢纽上河段糙率n在0.03～0.13 s/m1/3，其中大部分在0.04～0.07 s/m1/3；大藤峡枢纽下河段糙率n在0.03～0.06 s/m1/3，其中大部分在0.035～0.050 s/m1/3，符合一般天然河道糙率值合理范围；个别断面糙率值偏大，经调查踏勘及河道地形测量分析，现状工程河段河道内蔓生杂草、河道床面深槽浅滩交替、江心洲发育、突石险滩众多，这些因素影响下均会造成局部糙率增加，根据中国、苏联、美国相关糙率研究，天然河道糙率较大值可达0.18～0.24 s/m1/3[15]，因此，本工程率定糙率仍在合理区间内。

《大藤峡水利枢纽水库回水计算糙率率定》中多场洪水率定红水河天然河道糙率n在0.017～0.090 s/m1/3，《来宾至桂平2000吨级航道工程通航水位计算与分析》[16]率定94洪水水面线糙率n在0.01～0.14 s/m1/3，大藤峡枢纽下河段糙率n取用0.030～0.075 s/m1/3，与本次所率定糙率较为接近。因此，本次分析的河段糙率是基本合理的。

2.3.3模型验证

基于率定模型，以2022年2号洪水水位实测值作为模型验证，其验证成果见表4。

表4 2022年2号洪水计算成果与实测成果误差 单位：m

由验证成果来看，所建一维模型计算水位成果与实测值差值在±0.2 m以内，验证成果合理，因此模型较为可靠，可供进行设计典型频率的水面线计算。

3 设计典型工况选择

本次基于率定验证后的一维水动力模型，根据评估对象及其运行的不利工况，选用多种典型频率设计洪水、多种典型工况径流流量的运行遭遇工况，计算航道建设前后水面线变化，以期全面评估工程建设影响。工程包含丫罗坪、牛眼泡、吊狗笪、马滩、铜鼓滩等多个炸礁疏浚段，选取工程整治前后断面示意见图4。

a)丫罗坪炸礁疏浚段典型断面(坝上段)

3.1 洪水工况(多种典型频率设计洪水遭遇相应洪水位)

水面线洪水频率主要根据设计最高通航水位标准和堤防防洪标准确定。工程航道最高通航水位的洪水重现期采用10年一遇洪水；工程河段现有堤防防洪标准为20～50年一遇，规划防洪标准根据防护对象划分为10、20、50年一遇3种标准，因此采用P=10%、P=5%、P=2%三种典型洪水频率对应的工况进行评价分析。坝上各工况水位流量边界条件见表5。

表5 坝上各计算方案及计算水位流量边界情况

航道工程整治起点位于红水河段，距上边界迁江水文站24.40 km，柳江于整治起点以下71.27 km石龙三江口汇入后为黔江，柳江汇入流量取黔江段及红水河流量差值，作为点源入流加入。坝下各工况水位流量边界条件见表6。

表6 坝下各计算方案及计算水位流量边界情况

航道工程整治终点位于浔江段，郁江汇入后以下0.67 km，距下游大湟江水文站25.32 km，郁江汇入流量取浔江段及大藤峡下泄流量差值，作为点源入流加入。

3.2 径流工况(多种典型径流流量遭遇相应运行水位)

本工程大藤峡枢纽以上有35个取水口，以下有2个取水口，枢纽以上受枢纽运行调度蓄水及炸礁疏浚等工程综合影响，以下则主要受炸礁疏浚等工程影响。为评估对取水口的影响，需结合大藤峡枢纽运行调度规则，合理选取径流流量较小、河道水位较低的不利工况组合，对比工程前后的水位变化。

坝上计算工况基于大藤峡水利枢纽调度方式，选取非汛期(4 月)、非汛期(10月至次年3月)、汛期(5、9月)和汛期(6—8月)等4个大时段中的14组特征水位-流量组合工况，并最终选取4组能代表下包线变化作为对取水口影响分析的依据。选定4组工况水位流量边界条件见表7。

表7 大藤峡坝址上游最低运行水面线计算典型工况

坝下计算工况选取为大藤峡枢纽最小下泄流量700 m3/s(P=98%)，遭遇桂平至梧州 II 级航道工程后的桂平三江口处设计最低通航水位 20.16 m。

4 计算结果及分析

4.1 计算结果

根据计算成果分析，洪水各工况下受影响河段范围基本一致，坝上自二塘渡口位置(武宣大桥上游约11 km)至整治起点以上7 km九槽洲附近，总长约115 km。坝下自整治终点浔江汇入处至上游大藤峡坝下溢洪道出口处，总长7.22 km。各工况影响基本情况见表8、9。

表8 大藤峡坝上各洪水工况影响基本情况(工程前-工程后) 单位：cm

表9 大藤峡坝下各洪水工况影响基本情况(工程前-工程后) 单位：cm

径流工况下坝上黔江段位于库区，受蓄水影响最低运行水位不受影响，上游红水河段受到一定影响，水位平均下降0.25 m，最大下降0.84 m。坝下段由于工程实施会造成坝下段最低水位的一定下降，水位平均下降0.32 m，最大下降1.47 m。

4.2 对行洪影响分析

工程实施后，由于炸礁疏浚使河道行洪断面增大，过流能力增强，根据一维洪水水面线计算成果，水面线呈现小幅度的下降，并且总体呈现出近疏浚炸礁段下降幅度较大，随距离增大而水位下降幅度变小的变化趋势，连续炸礁段水位变幅具有累积效应呈现水位下降幅度不断增大，符合正常规律，部分陆上炸礁，或炸礁量炸礁范围较小的河段对水位基本不造成影响，不存在壅水段。以坝上段20年一遇工况为例，洪水期水位整治前后水位变幅(整治后-整治前)影响见图5。

图5 坝上段20年一遇工况下水位变幅(整治后-整治前)影响示意

根据图5所示，坝上段水位影响自坝上里程102.92 km思流滩大角炸礁段起，水位开始有一定下降，而后在丫罗坪、牛眼泡、吊狗笪、磨东流角、崩步角、高书洲等(坝上里程170～182 km)受连续且较大规模的炸礁疏浚工程影响，其水位变幅总体呈较大幅度下降趋势，在工程整治起点处(坝上里程182.71 km)达到最大，工程整治起点以上仍受一定影响，但影响逐渐减小直至尖灭为0，其他工况下其趋势基本一致。

4.3 其他影响

工程建设会对水文站、桥梁、取水口、周边排涝灌溉等水利设施运行、第三方利益人产生不同程度的影响，一维水动力模型的表征指标主要为水位及流速等。

以对水文站影响分析为例，工程程实施后，在P=2%、5%、10%洪水工况下，武宣水文站、大藤峡水文站(坝上)附近水位变化为0；来宾水文站附近水位分别降低了0.13、0.16、0.17 m，大藤峡水文站(坝下)附近水位分别降低了0.02、0.02、0.05 m，桂平水文站附近水位分别降低了0.07、0.02、0.03 m。因此，工程实施导致的水位变化不会对武宣水文站、大藤峡水文站(坝上)运行造成不利影响，但已超过来宾水文站、大藤峡水文站(坝下)和桂平水文站水位观测设施的观测精度。根据《水文监测环境和设施保护办法》：建设单位应当采取相应补充监测措施，在征得对该水文测站有管理权限的水行政主管部门同意后方可建设。

对桥梁、取水口、灌溉方面的影响，类似水文站影响的分析方法，同时结合各自运行特点及需求，得到航道整治造成运行水位的小幅下降，但不会对其产生不利影响，对行洪排涝因洪水水位下降还会有一定有利。此外，宜结合二维水沙水动力模型、经验公式[17-18]等技术手段进行局部河势影响、冲淤影响等方面的细化分析，增加评价分析的可靠性及全面性，本文限于篇幅及论述主题，不再赘述。

5 结语

基于一维水动力模型计算分析，聚焦河道运行水位变化，对来桂航道及其上下游影响范围共207.11 km河道进行了系统性评估。通过分析结论，航道建设后水面线呈现了不同程度的下降，因此就运行水位角度对两岸防洪排涝、桥梁安全等角度无不利影响；对水文站观测精度造成了一定不利影响，对取水口因大藤峡蓄水抬高水位影响不大。

此外宜充分结合二维水动力模型、堤防岸坡有限元分析、经验公式、遥感影像等定量定性方法，系统准确评估航道建设对流速流态、河势冲淤、岸坡稳定等多方面的影响，进而为水行政审批及管理提供技术支撑和决策依据。