张家口市崇礼区清水河流域行洪河道规划方案探讨

郭中方，潘成忠,2，刘春雷

(1 北京师范大学水科学研究院,北京 100875；2 城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室,北京 100875)

1 河道工程概况

1.1 研究区自然地理概况

崇礼区位于河北省西北部，地处内蒙古高原与华北平原过渡地带，北倚内蒙古草原，南临塞外山城张家口市，城区距离张家口市中心城区50 km，隶属张家口市，距北京220 km。介于北纬40°47′～41°17′，东经114°17′～115°34′之间。总面积2 334 km2，全县耕地面积1.648 万hm2，总人口12.56 万人[1]。

崇礼区属中温带亚干旱大陆性季风型山区气候，常年干旱少雨。春季干旱多风沙，气温回升快；夏季凉爽而短促，雨量集中；秋季秋高气爽[2]，气温下降迅速，初霜出现较早；冬季干燥寒冷，冷空气活动频繁。奥运核心区属于较湿润寒温区和湿润寒温区。

崇礼区东部山地形成年降水量达520 mm以上的多雨中心[3]，崇礼区年降水量极大值甚至达到726.6 mm(1964年三道营)。全区年平均降水量441.6 mm(1980-2017年)，等雨量线为南北向，自东向西雨量递减[4]。全区降水有3个特点：①沿坝头和东部山区的降水量比西部河川区偏多；②年降水量变化不大；③雨热同季：但降水的季节分配极不均匀，春季降水量占全年降水量的11%-16%；夏季降水量占全年的60%-74%；秋季降水量占全年降水量的14%～20%[5]；冬季降水量占全年降水量的2%～4%。年平均蒸发童1 426.7 mm，以春季为最大[6]。

崇礼区冬季平均气温为-12 ℃，全年积雪1.5 m左右，存雪期150多d，雪质参数符合国际滑雪标准，被专家誉为中国发展滑雪产业理想区域[7]。

1.2 行洪河道规划设计讨论的必要性

研究区的河道设计标准低，行洪时存在安全隐患，威胁两岸居民和建筑物的安全。而且，太子城村位于河道的中下游的平坦地带，四周均为高山，主要的4条支流河道，均在本处汇入主沟，大大加深了本区域的洪水隐患[8]。而新的奥运村即建立在此处，按照新的规划，本区域内将新建冬奥会指挥部、奥运村、高铁站、会展中心、文创商街、国宾山庄等多类大型建筑，防洪保护对象的重要性大大加强[9]。因此对规划区内的河道进行重新规划治理是非常有必要的。但目前区域内没有完整的防洪工程体系，各条河道基本是天然状态，因山区洪水陡涨陡落，通过河道或坡水区形成的无序漫流和冲刷[10]，均会对规划区防洪安全形成较大的威胁。为满足规划区总体规划的需要，使规划区内功能分区、产业布局及土地利用规划更加合理，保证未来规划区的防洪安全，对规划区主要河道进行统一规划[11]，为河道综合开发治理提供依据，开展崇礼东奥核心区防洪规划统筹方案研究是必要的[12]。

图1 研究区规划布局及水系图Fig.1 Layout of study area and water system

1.3 设计方案的拟定

防洪规划是该核心区总规的重要组成部分，尤其对于在山区小流域内邻近沟道地带开展各项建设工程。在前期总规、工程规划设计等阶段，各项目业主委托了不同单位开展了区域防洪规划、建设项目防洪评价报告等编制工作，且部分方案已经通过政府部门组织的评审。但由于核心区部分工程，特别是正在筹建的冰雪小镇、颁奖广场、高铁站房等处于原行洪河道或滩地上，往往受到多条小流域洪水综合影响。

由于前期奥运核心区总体规划中较少考虑防洪问题，防洪专项规划对已建和在建工程的防洪方案指导性不强，以及各建设项目的防洪评价方法、标准不统一和缺乏协调性。针对上述问题，本文开展奥运核心区防洪专题研究，根据核心区总体规划的防洪要求，校核各建设项目的防洪评价方案的结果，进而提出核心区防洪规划方案的改进建议和缓解措施。本项目的研究区范围为核心区及以上汇水区(约81 km2)。

根据《冰雪小镇控规》方案[13]，考虑规划区内建筑物布置，针对2号沟的特点，从有利于土地利用、可行性和减少投资等角度出发，拟定了两个河道走势方案进行比选。

方案一：单条排洪河道方案[14]。根据《冰雪小镇控规》的用地方案，2号沟布置在会展中心、文创商街和4号路之间，采用一条排洪河道排洪导流，如图2所示。

图2 方案一河道走向图Fig.2 Scheme 1 River strike map

方案二：两条排洪河道方案。根据《冰雪小镇控规》的用地方案，利用会展中心下游的景观湖，将2号沟分流后分别沿下游文创商街的两侧布置。方案如图3所示。

图3 方案二河道走向图Fig.3 Scheme 2 River strike map

方案一和方案二优缺点对比如下。

方案一：优点包括：仅设置一条较大河道，总体的直接工程投资节省，总体的占地面积较少，对规划区的总体影响较小。缺点包括：设置一条排洪河道过水断面较大，设计河宽和设计槽深较大，在文创商街和4号路之间占地较多。

方案二：优点包括：设置两条较小的河道，分别在文创商街两侧占地，总体的占地面积虽然增加，但是空地的利用率增大；且两条水系环绕文创商街，景观效果比方案一好。缺点包括：总体的占地面积虽然增加，总体投资较大。受规划区其他因素影响大，最主要的是高铁站建立后，接客平台与水系占地有冲突。

2 模型运行方案

2.1 推理公式计算设计洪水

流域特征值是对河道进行设计洪水计算最基本也是最重要的基础数据[15]，量算的正确性直接关系计算结果的合理性。流域特征值主要包括流域面积、河道长度和河道坡度[16]。

采用业主单位提供地形资料确定流域范围，进行流域特征值的量算[17]。利用Arcgis软件提取项目区并根据流域的分布划为5个子流域[18,19]。各河道现状流域特征值成果见表1。

表1 流域特征值成果表Tab.1 Watershed eigenvalue results table

设计暴雨即推求设计暴雨历时内的面暴雨过程[20]，包括设计暴雨历时确定，设计暴雨历时内不同时段的设计暴雨量，设计雨型选择和设计面暴雨过程推求几个环节[21,22]。

设计暴雨总历时采用24 h，对于流域面积较小的河流，汇流计算考虑了30 min和10 min暴雨。由于项目区缺乏实测降雨资料，本次设计暴雨采用“查图法”，根据各河流流域所在的位置，从河北省张家口水文水资源勘测局1998年5月编制的《河北省张家口市水文水资源手册》查取10 min、30 min、1 h、6 h及24 h的暴雨等值线图，以P-Ⅲ型分布考虑，计算不同频率设计暴雨[23,24]。

项目区各历时暴雨的均值H及参数见《河北省张家口市水文水资源手册》。根据暴雨统计参数分别对项目区小流域各时段100年一遇、50年一遇、20年一遇、10年一遇、5年一遇5个频率的设计暴雨值进行计算，求得不同频率不同时段的设计点暴雨值。计算结果如表2所示。

表2 皮尔逊Ⅲ型曲线模比系数表Tab 2 Model ratio coefficient table of Pearson Ⅲ curve

表3 项目区不同频率设计点暴雨计算成果表Tab 3 calculation results of rainstorm at different frequency design points in project area

由于点暴雨统计参数等值线图系根据定点统计参数绘制的，而工程所需的设计暴雨是指定范围内的面平均暴雨量，属于面概念。因此在使用已有点暴雨统计参数等值线图查取点暴雨推求设计面暴雨量时，以用定点定面法分析暴雨点面关系。限于资料条件，《河北省张家口市水文水资源手册》只给出24 h、12 h、6 h、1 h的点面折减系数，对于居于其中历时的降雨可以内差求点面折减系数值，对于小于1 h的降雨先按1 h的点面折减系数计算，设计面暴雨计算成果如表4所示。

表4 项目区不同频率设计面暴雨计算成果表Tab.4 calculation results of rainstorm in different frequency design surfaces in project area

在进行山丘地区中小流域洪水计算时，推理公式以其概念明晰、计算便捷且有一定精度等特性得到了广泛的使用。本研究应用成因推理与经验相关相结合的方法，确定流域汇流历时与河长、比降的经验公式，并考虑径流系数的相关关系，以推求设计洪峰流量。经验公式如下[25]：

(1)

(2)

(3)

式中：Qm为洪峰流量，m3/s;τ为流域汇流历时，h；Rτ为相当于τ时段的最大净雨深，mm；F为流域面积，km2；J为主河道坡度(用小数表示)；L为主河道长度，km；m为经验汇流参数；0.278为单位换算系数。

为了推求小流域设计洪峰流量值，首先需要根据流域地形图,确定流域的几何特征值F、L、J;然后根据地区有关图集查算24 h设计暴雨的统计参数(均值、Cv、Cs) 及暴雨公式中的参数n(或n1、n2), 并确定雨力Sp;最后根据地区损失参数μ及汇流参数m的地理分布规律确定参数μ和m。

由于目前崇礼区中小河流大都缺乏实测的流量资料，降雨量资料也比较少。由于无资料小流域的特征参数面积F、长度L、坡度J可以通过地形图量算得到，而暴雨参数n(或n1、n2) 、产流损失参数μ及汇流参数m的选取对设计洪峰流量的计算结果影响较大,因此本文将根据有资料流域建立产汇流参数的地理分布规律,将暴雨参数用Arcgis空间分析模块和地统计模块进行空间插值,获得暴雨参数空间分布规律,最后将其应用于无资料地区，从而解决无资料流域设计洪峰流量的计算问题。因此，根据流域特征值、设计暴雨参数、流域位置以及所处分区等资料，采用推理公式法计算在雪道等旅游开发项目建设前后不同流域、不同断面、不同标准的洪峰流量。按照《河北省张家口市水文水资源手册》(1998年)的产流分区，本项目位于Ⅰ区。产流Ⅰ区的径流系数比其他4个分区要小多。考虑到太舞和云顶滑雪场建成后，下垫面产生了很大的变化。滑雪场的喷雪区域冰雪融水增多，土壤含水量也将随之上涨，与此同时滑雪场破坏了区域原有植被，降雨径流系数也将随之改变。为保证工程安全，因此本次计算时，适当的提高了降雨径流系数。洪峰流量成果见表5。

表5 推理公式法设计洪水成果表Tab.5 Design of flood achievement table by reasoning formula method

2.2 基于EFDC模型的模拟情景设置

(1)网格剖分。根据业主方提供《20180918冰雪小镇排洪河道平面图》，运用CVLgrid1.1软件对图件进行拼图、坐标投影，并对规划河道进行网格剖分，每个网格按长20 m宽2 m剖分。

(2)初始条件设置。按照《北京2022年冬奥会张家口赛区太子城冰雪小镇防洪规划报告》，高程选用防洪规划中桩号的高程，相邻桩号之间网格根据桩号网格插值获取；起推水位按照明渠均匀流规定计算；河道糙率取0.025。

(3)入流边界条件设置。模型的入流边界输入采用本地区50年一遇设计暴雨径流过程。一号沟在主沟桩号A0+300附近汇入，二号沟在主沟桩号A0+000附近汇入，三号沟在主沟桩号A2+700附近汇入，四号沟在主沟桩号A3+000附近汇入，五号沟在主沟桩号A2+700附近汇入。

(4)合理性分析。在全渠段选取具有代表性的典型4个站点进行实测，通过4个点位水位的实测值和模拟值比较可知，A1+450会展中心站点的水位平均误差、平均绝对误差分别为0.137 m、0.105 m；A1+700文创商街站点的水位平均误差、平均绝对误差分别为-0.073 m、0.193 m；A2+500太子城遗迹站点的水位平均误差、平均绝对误差分别为-0.013 m、0.107 m；古杨树站点的水位平均误差、平均绝对误差分别为-0.272 m、0.934 m，具体如表3所示。结果表明，模拟水位与崇礼4个监测点的实测值吻合较好，这4个站点的平均误差都较小，平均绝对误差小于1 m，说明模型的模拟结果能够比较好反映渠道的水位变化。

表6 崇礼渠道水位分析统计表 m

2.3 右侧单排洪河道方案(方案一)

模型模拟规划区上起古杨树赛区的造雪湖，下至冬奥会赛区的入口停车场，主河道全长6.2 km，其中模拟主要5条水系河道入口，仅考虑河道的汇流作用。模拟主体为二号河道及其下游核心区，河道宽度由原来的50～250 m压缩到约9 m。

本规划从糙率与河道规格两方面对研究区进行防洪规划，河道规格可以人为设计，在实际施工中相比其他因素更容易控制，天然河道的糙率是衡量河床及边壁现状不规则和粗糙度对水流阻力影响的一个综合性系数，因河床、岸壁的粗糙程度，河道断面的形状、水位、床面、岸壁地质特征，水流流态及含沙量的不同而不同。由于影响糙率的因素众多,复杂多变，很难准确求得。本方案根据河道实际情况可设为钢筋混凝土或者人工衬砌的浆砌石渠道，在设置为钢筋混凝土材质渠道时根据查阅文献的经验推荐值及模型率定初步选择0.017。

(1)钢筋混凝土。根据《冰雪小镇控规》得用地方案，2号河道布置在会展中心、文创商街和4号路之间，采用一条排洪河道排洪导流。模型模拟无消能坎，糙率为0.017，

由表7、表8可知关键节点最大水深范围在1.25～4.5 m内波动，对应流速在1.5～5.25 m/s范围内波动，流速在A5+200处第8 h达到最大8.7 m/s，水深在A1+300景观湖处第9 h达到最大5.84 m。由于该情景下不设置消能坎危险断面多达15个，险工段长度也极长，故建议后续钢筋混凝土方案都设置消能坎来增大糙率使得工程尽可能达到安全标准，不再考虑无消能坎情景。

表7 方案一(钢筋混凝土材质)流速>5 m/s分布表Tab.7 Scheme 1 reinforced concrete velocity > 5 m/s distribution Table

表8 方案一(钢筋混凝土材质)水深>4.5 m分布表 m

(2)浆砌石。根据《冰雪小镇控规》的用地方案，2号河道布置在会展中心、文创商街和4号路之间，采用一条浆砌石排洪河道排洪导流。模型模拟无消能坎，根据查阅文献的经验推荐值及模型率定初步选择糙率为0.025。

由表9、表10可知流速在A5+300处第8 h达到最大8.21 m/s，水深在A1+400景观湖处第9小时达到最大5.68 m。由于糙率在0.025时水深流速较大，危险断面长度与个数较多，由于该情景下不设置消能坎危险断面多达15个，险工段长度也极长，故建议后续浆砌石方案都设置消能坎来增大糙率使得工程尽可能达到安全标准，不再考虑无消能坎情景。

(3)钢混+消能坎。参考钢筋混凝土情景结论，现在其基础上再隔50 m加一个消能坎，消能坎高30 cm，材质为钢筋混凝土，查阅文献及对模型率定后对应糙率增大为0.035，其余在条件不变情况下进行模拟。

由表11、表12可知流速在A5+200处第8小时达到最大7.62 m/s，水深在A1+300景观湖处第9小时达到最大6.02 m。

表9 方案一(浆砌石材质)河道流速>5 m/s分布表Tab.9 Scheme 1 2 masonry velocity > 5 m/s distribution table

表10 方案一(浆砌石材质)河道水深>4.5 m分布表 m

表11 方案一(钢混+消能坎材质)河道流速>5 m/s分布表Tab.11 Scheme 1. 3 flow rate of steel concrete energy dissipation can > 5m/s distribution table

表12 方案一(钢混+消能坎材质)河道水深>4.5 m分布表 m

但该条件下仍不满足安全规划，危险断面长度与个数下降不明显，推断即使再增加消能坎个数与规格也对模型结果限制程度有限，水深与流速降低情况也达不到预计的安全情景，故考虑设计方案二两条排洪河道进行模拟。

2.4 两侧排洪方案(方案二)

由于分析了方案一的情景，单沟排洪效果并不理想，水深流速达不到预期效果，现考虑布设两条排洪河道。新开挖左侧河道规格8×4 m，两条排洪河道根据《冰雪小镇控规》的用地方案，利用会展中心下游的景观湖，将2号河道分流后分别沿下游文创商街的两侧布置。考虑将上游分岔口设置在桩号A0+750沙坑处并适当拓宽河道，以期结果能达到设计安全标准。

(1)钢混+消能坎。考虑到方案一右侧河道在糙率为0.035时还达不到安全标准，故采取布设两条排洪河道的方式，河道材质为钢筋混凝土并加装消能坎糙率仍取0.025进行模拟。

表13 方案二(钢混+消能坎材质)河道流速>5 m/s分布表Tab.13 Scheme II 1 steel concrete energy dissipation flow rate >5 m / s distribution table

观察表13可知流速已有明显下降，在交叉口左沟分流60 m2/s，右沟分流105 m2/s，可认为符合实际情况。水深此时已达正常标准，流速在第8 h在桩号A5+250达到最大流速7.91 m/s。虽已无危险水深断面，但流速还有较大的地段，可能造成局部冲刷使河道失稳，故现尝试增大糙率来减少危险流速断面的个数。

(2)浆砌石+消能坎。在拓宽左侧河道后仍有部分地段未到达安全标准，现考虑将钢筋混凝土替换为浆砌石材质并加装消能坎从而增大糙率，消能坎高度为30 cm，糙率相应变为0.035，计算如下。

表14 方案二(钢混+消能坎材质)河道>5 m/s分布表Tab.14 Scheme 2 velocity > 5 m/s distribution table

由表14知水深最大仅4.02 m已达正常标准，流速在关键区域内无险工段，需要在下游局部加固渠道断面，其余已达安全标准，故推荐采用拓宽左侧河道为8×4 m来分洪，此时分流河道口位置在桩号A0+750沙坑处。

3 方案分析比选

查阅文献及结合实际工程经验定义危险断面与特危断面，危险断面：钢筋混凝土危险流速为大于8 m/s或水深大于(断面深-0.5)m，浆砌石危险流速为大于5 m/s或水深大于(断面深-0.5)m；特别危险：钢筋混凝土流速大于10 m/s，水深大于断面高5 m(右侧排洪沟)，浆砌石流速大于8 m/s，水深大于断面高5 m(右侧排洪沟)。

表15 两种方案流速水深超标统计Tab.15 Statistics of flow velocity and water depth exceeding the standard in the two schemes

从模型结果可以看出，在桩号A3+000太子城遗址公园以下，不论采用何种方案，均存在流速大于5 m/s或水深大于4.5 m。说明下游30 m宽的断面均难以满足50年一遇的排洪要求，因此建议对于奥运核心区的防洪而言，建议太子城河道防洪应上下游统筹考虑，适当增加太子城遗址公园以下断面尺寸或在较为合适区域保留或新建滞洪湿地，调蓄洪水径流。

按50年一遇的暴雨洪水过程基础，针对目前奥运核心区冰雪小镇和高铁站排洪沟总体规划方案，利用EFDC模型分别对不同的规划方案进行校核。并通过方案比选给出优选建议。

对于右侧9 m×5 m单排洪沟(方案一)方案，模型计算结果表明当前采用的2号沟右侧排洪沟9 m×5 m的断面尺寸不能满足50年一遇过洪要求，存在较多的险工断面。虽然采用消能坎能起到较缓流速的作用，但对于9 m×5 m的断面而言，采用改变消能坎数量或高度或水流阻力(糙率)难以完全消除流速、水深的险工断面。

由于右侧排洪沟为在原沟道右侧新开挖的地面沟道，在地面相对较高区域开挖沟道必然导致沟深较大，水景观效果较差。因此，虽然单侧排洪沟直接工程投资节省，总体占地面积较少，但由于只有一条排洪河道，设计渠宽和渠深均不满足实际模拟结果，危险断面较多，危险长度较大不论从2号主沟、4号沟的行洪安全考虑，还是从该区域整体水景观和生态保护而言，均不建议采用右侧单排洪沟方案。

针对两侧排洪方案(方案二)，右侧保留9 m×5 m断面，左侧设置8 m×4 m排洪断面。在排水沟糙率和两侧排洪沟分水较为理想情况下，基本能实现行洪安全。同时可避免在4号沟流域新开挖排洪沟，减少对4号沟流域的坡面土壤、植被等破坏。4号沟排洪仍按原通道经过该沟道预留箱涵下泄，但由于4号沟道整体坡陡水急，如不采用消能措施，极易造成沟道构筑物损坏，因此建议在4号沟出口处增加消力池，减缓流速后汇入左侧主沟。同时，采取两侧排洪沟方案左侧水系可穿过会展中心和文创商街，通过工程、调度等技术手段打造该核心区的循环水系景观，增加该区域的整体品味。

虽然方案二在较控制糙率和分流流量较为理想情况下可基本达到50年一遇的过洪要断面要求，两侧排洪沟的流速基本可以控制在5 m/s以下，但在两侧排洪沟汇合处(太子城遗址公园)附近，两侧排洪沟的水深仍然偏大，部分断面达到4.3 m，因此建议太子城遗址公园以下断面尺寸适当增大。

本文推荐方案二利用左右两侧沟道排洪，各方案的优缺点见表16。

表16 两种方案优缺点汇总表Tab.16 Summary of the advantages and disadvantages of the two schemes

4 结 语

(1)由于核心区沟道比降整体较大，水流速度很大，易冲毁河道，影响排洪沟安全，建议河道采用钢筋混凝土护砌等强化措施，保障河道行洪安全，尤其针对改变流向的新开挖的河道。

(2)目前设计的2号沟、3号沟采用消能坎的方式消能，消能坎在排洪沟内形成凸起，易造成局部水位升高，建议采用跌水消能。2号沟行洪沟道的宽深比太小，建议考虑该山区小流域行洪沟道局部易堵塞的特点，增大行洪断面的宽深比。

(3)人工衬砌的渠道可以在做一定工程保障措施的基础上代替天然行洪河道，在一定程度上这是一种可取的河道改造措施.故本文推荐方案二利用左右两侧沟道排洪，以避免在4号沟流域新开挖排洪沟。由于部分工程已经开工建设，在建设空间不足的情况下可以采用单条河道排洪，需适当增大单条排洪河道过流断面，保障河道行洪安全。

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