（水利工程专业论文）北运河杨洼闸下至土门楼闸河段综合治理规划研究.pdf

摘要 北运河是海河北系四大河流之一，北运河干流是北运河水系的主要行洪排涝 河道，是著名的京杭大运河的一部分。历史上，水旱灾害频繁发生。建国以来， 国家按照2 0 年一遇洪水标准先后对北运河进行了治理，使北运河在防洪除涝方面 发挥了重要作用。但经过多年运用，河道淤积、堤防失修，加之投入不足，河道 行洪能力下降，致使河道达不到原设计标准。随着经济社会的不断发展，对防洪 保安提出了越来越高的要求，尤其是北京城市化区域的不断扩展，汛期排水量日 益增加，要求下游河道相应提高行洪能力。近年连续干旱，水资源供需矛盾突出， 水资源的减少以及水质严重污染，导致河道生态环境破坏，加之上、下游对水资 源的无序开发和管理方面的诸多问题，迫切需要制定北运河综合治理规划。 北运河综合治理规划的主要内容：一是根据北运河杨洼闸下至土门楼闸1 4 5 公里河段存在的河道防洪标准低，原有堤线不尽合理，河道滩地内村庄无防护措 施，以及防洪工程老化失修等问题，提出了防洪工程规划措施。二是根据北运河 杨洼闸下至土门楼闸河段生态环境恶化的实际情况，提出了进行生态修复的规划 措施。三是根据北运河水资源短缺和京津冀三省市无序开发的实际情况，提出了 合理开发分配利用水资源的规划措施。四是根据北运河水质污染严重的实际情况， 提出了京津冀共同治理水污染的规划措施。五是根据北运河管理不完善的实际情 况，提出了流域机构、京、津、冀联合从管理体制机制到各方面加强管理的规划 措施。 通过上述综合规划治理措施，提高了防洪标准、修复了河流生态、改善了河 道水质，使古老的运河重新焕发生机，造福两岸人民，达到人水和谐。 关键词：综合治理规划北运河防洪生态修复水资源分配水质保护 a b s t r a c t t h eb e i y t mr i v e ri so n eo ft h ef o u rb i gr i v e r si nt h en o r t ho fh a i h er i v e rs y s t e m t h em a i nc u r r e n to ft h eb e i y u nr i v e ri st h eb e i y u nr i v e rs y s t e mm a i nl i n eo ff l o o d p r e v e n t i o na n ds t o r md r a i n a g e ，i sap a r to fw e l l - k n o w nb e i j i n g h a n g z h o ug r a n d c a n a l i nh i s t o r y , t h ef l o o da n dd r o u g h td i s a s t e ro c c u r f r e q u e n t l y s i n c et h ef o u n d i n go f c h i n a t h eg o v e m m e n th a sm a n a g e dt h eb e i y u nr i v e ri na c c o r d a n c ew i t ht h e2 0 y e a r f l o o ds t a n d a r d t h eb e i y u nr i v e rp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nf l o o dc o n t r o la n d w a t e r l o g g i n gp r e v e n t i o n b u ta f t e ry e a r so fu s i n g ，f i v e rs e d i m e n t a t i o n ，d i k el a c k i n g r e p a i r , c o m b i n e dw i t hi n a d e q u a t ei n v e s t m e n t , d e c l i n ei nf l o o dc a r r y i n gc a p a c i t y , r e s u l t e di nt h er i v e rl e s st h a nt h eo r i g i n a ld e s i g ns t a n d a r d s w i t ht h ec o n t i n u o u s d e v e l o p m e n to fe c o n o m i ca n ds o c i a l ，t h es e c u r i t yo ff l o o dc o n t r o li sg e e i n gh i g h e r , e s p e c i a l l yi nt h eu r b a n i z e dr e g i o no fb e i j i n gc o n t i n u e st oe x p a n da n dd i s p l a c e m e n t i n c r e a s ec o n t i n u o u s l yi nf l o o dp e r i o d i tr e q u i r e sa l lc o r r e s p o n d i n gi n c r e a s ei nt h e l o w e rf i v e r sf l p o dc a r r y i n gc a p a c i t y d u et oc o n t i n u o u sd r o u g h ti nr e c e n ty e a r s o b v i o u sc o n t r a d i c t i o nb e t w e e nw a t e rs u p p l ya n dd e m a n d , r e d u c t i o no fw a t e rr e s o u r c e s a n ds e r i o u sw a t e rp o l l u t i o n t h er i v e re c o l o g i c a le n v i r o n m e n th a sb e e nd a m a g e d i n a d d i t i o nt ot h ed i s o r d e rd e v e l o p m e n ta n dm a n a g e m e n ti s s u e sf o rt h eu p s t r e a ma n d d o w n s t r e a m ，t h e r ei sa nu r g e n tn e e df o rd r a w i n gu pt h ec o m p r e h e n s i v em a n a g e m e n t p l a n n i n go ft h eb e i y u nr i v e n t h em a i nc o n t e n to ft h eb e i y u nr i v e r sc o m p r e h e n s i v em a n a g e m e n tp l a n n i n g i s ：f i r s t p u tf o r w a r df l o o dc o n t r o lp r o j e c t sp l a na c c o r d i n gt ot h eb e i y u nr i v e r sl o w s t a n d a r do ff l o o dp r e v e n t i o nf r o mu n d e ry a n g 肠s l u i c et ot u m e n l o us l u i c ea b o u t 14 5k i l o m e t e r s ap a r to fo r i g i n a le m b a n k m e n ti su n r e a s o n a b l e ，s o m ev i l l a g e si nr i v e r b e a c hw i t h o u tt h ep r o t e c t i v e ，t h ea g e dw i t h o u tr e p a i r i n go ff l o o dc o n t r o lp r o j e c t sa s w e l la sf l o o dc o n t r o lp r o j e c t sp u tf o r w a r dp l a n n i n gm e a s u r e s s e c o n d ，p u tf o r w a r d e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o np l a nb a s i n go nt h ed e t e r i o r a t i o no ft h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t f r o mu n d e ry a n g w as l u i c et ot u m e n l o us l u i c ei na c t u a l t 】1 i r d p u tf o r w a r dt h ep l a n o fr a t i o n a ld e v e l o p m e n t 。a l l o c a t i o na n du t i l i z a t i o no fw a t e rr e s o u r c e s ，a c c o r d i n gt ot h e a c t u a ls i t u a t i o no ft h eb e i y u nr i v e r sw a t e rs h o r t a g e sa n db e i j i n g ，t i a n j i n ，h e b e i d i s o r d e r l yd e v e l o p m e n to fw a t e rr e s o u r c e s f o u r t h , p u tf o r w a r dt h ew a t e rp o l l u t i o n c o n t r o lp l a nw h i c hb yb e i j i n g ，t i a n j i na n dh e b e ii nc o m m o n ，a c c o r d i n gt ot h eb e i y u n r i v e r ss e r i o u sw a t e rp o l l u t i o ni na c t u a l f i f t h ，p u tf o r w a r dt h ep l a nt os t r e n g t h e n m a n a g e m e n tw i t hb a s i na g e n c i e s ，b e i j i n g ，t i a n j i na n dh e b e ip a r t i c i p a t i o nj o i n t l yf r o m t h em a n a g e m e n ts y s t e mt oa l la s p e c t so ft h em e c h a n i s m ，a c c o r d i n gt ot h eb e i y u n r i v e r sp o o rm a n a g e m e n t t h r o u g ha b o v ec o m p r e h e n s i v em a n a g e m e n tp l a n s ，i m p r o v et h ef l o o dc o n t r o l s t a n d a r d s ，r e s t o r et h er i v e re c o s y s t e m ，i m p r o v et h ew a t e rq u a l i t y , a n dr e v i t a l i z et h e a n c i e n tc a n a ll i f e ，b e n e f i tp e o p l eo nb e t hs i d e s w a t e ra n dp e o p l er e a c hi nh a r m o n y k e yw o r d s ：c o m p r e h e n s i v em a n a g e m e n tp l a n ，t h eb e i y u nr i v e r , f l o o dc o n t r o l ， e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o n ，a l l o c a t i o no fw a t e rr e s o u r c e s ，w a t e rq u a l i t y p r o t e c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 答字醐：砷年9 月笋日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期： 巧年7 月乒日 导师签名： 签字日期： j 戒蓝 口口尸年尸月尹日 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 北运河是海河北系四大河流之一，北运河干流是北运河水系的主要行洪排涝 河道，是著名的京杭大运河的一部分。历史上，水旱灾害频繁发生。建国以来， 国家按照2 0 年一遇洪水标准先后对北运河进行了治理，使北运河在防洪除涝方面 发挥了重要作用。但经过多年运用，河道淤积、堤防失修，加之投入不足，河道 行洪能力下降，致使河道达不到原设计标准。随着经济社会的不断发展，对防洪 保安提出了越来越高的要求，尤其是北京城市化区域的不断扩展，汛期排水量日 益增加，要求下游河道相应提高行洪能力。 近年连续干旱，水资源供需矛盾突出，水资源的减少以及水质严重污染( 北 运河水质目前是劣v 类) ，导致河道生态环境破坏，河道自然形态多样性和水景多 样性丧失，加之上、下游对水资源的无序开发和管理方面的诸多问题，迫切需要 制定北运河综合治理规划。 规划治理好北运河，对提高北运河的防洪能力、改善河流生态环境、合理开 发利用和保护水资源，促进沿岸社会、经济全面协调可持续发展以及京杭大运河 申遗等工作，都具有十分重要的意义。 1 2 目前国内外河道综合治理发展情况 国外对河道的治理主要是对河流生态环境进行治理。河流生态环境的研究和 实践已有一百多年的历史，取得了显著的效果。通常的做法是基于河流生态系统 的管理和维持生物多样性的河流流量研究，通过改善河流水质、重建和恢复生态 等内容的实践来改善生态环境n ，。 建国以来，我国对河道的规划治理，主要是以防止洪水泛滥为目标，工程措 施以挖河筑堤，配套必要的闸涵建筑物为主。近年来，随着国内外治河理念发展 及治河方向的转变，以及科学发展观的提出，人们越来越认识到，在河道规划治 理方面，不能单一考虑防洪，而要在进行防洪规划的同时，进行河流生态修复、 水资源合理配置、水质保护等综合规划治理。 第一章绪论 1 3 本课题研究的主要内容 本文根据北运河防洪工程现状和北运河目前存在的问题，对北运河提出了综 合治理的规划方案。对北运河进行综合治理的主要措施如下： 是根据北运河杨洼闸下至土门楼闸1 4 5 公里河段存在的河道防洪标准低， 原有堤线不尽合理，河道滩地内村庄无防护措施，以及防洪工程老化失修等问题， 提出了防洪工程规划措施。 二是根据北运河杨洼闸下至土门楼闸河段生态环境恶化的实际情况，提出了 进行生态修复的规划措施。 三是根据北运河水资源短缺和京津冀三省市无序开发的实际情况，提出了合 理开发分配利用水资源的规划措施。 四是根据北运河水质污染严重( 已是劣v 类水) 的实际情况，提出了京津冀 共同治理水污染的规划措施。 五是根据北运河管理不完善的实际情况，提出了流域机构、京、津、冀联合 从管理体制机制到各方面加强管理的规划措施。 2 第二章工程简介 2 1 概况 2 1 1 地形地貌 第二章工程简介 北运河流域地势自西北倾向东南，西北部为燕山和太行山，东南部为广阔平 原。山区海拔高约5 0 0 - - - 1 5 0 0 m ( 8 5 国家高程系统) 。山地以下丘陵地带较短，山 地与平原几乎直接接壤。整个平原大体分为山麓平原、中部冲积平原和滨海平原 三部分。山麓平原地带由冲积扇及洪积锥连接而成，地面坡度一般在1 1 0 0 0 - - 1 2 0 0 0 ，属平原的较高地带；中部冲积平原主要由各河冲积而成，占平原地区的 绝大部分，地面坡度一般在1 5 0 0 0 - 1 15 0 0 0 ；滨海平原多为海退地，地势低洼， 区域内堤埝纵横交错，地下水位较高。 2 1 2 河流水系 北运河位于永定、潮白两河之间，为海河流域主要水系之一。北运河在北京 市通州区北关闸以上称温榆河，北关闸以下为北运河干流。流域面积6 1 6 6 k m 2 ，其 中山区面积9 5 2k m 2 。 通州区北关闸以下北运河干流历史上是京杭大运河首段。北运河在通州区牛 牧屯村附近流出北京市界，入河北省香河县，在双街村流出省界入天津市武清区。 沿河右岸有通惠河、凉水河、凤港减河等平原排沥河道汇入，左岸有运潮减河( 北 关闸上) 、青龙湾减河等，至屈家店汇入永定河泛区，过泛区后进入天津市区汇入 海河，河道干流总长1 4 2 7 k m 。 2 1 3 社会经济 北运河在河北省流域面积为2 8 2k f f ，涉及香河县的9 个乡镇。香河县地理位 置得天独厚，位于环渤海经济圈腹地，地处京津之间，素有“京畿明珠”之美誉， 距北京市区4 5 k m ，距首都国际机场6 0k m ：距天津机场7 0k m ，距天津新港1 1 0k m ： 距曹妃甸港1 8 0k i n 。境内及周边交通网络密集。2 0 0 1 年，香河县进入全国百强县 之列，2 0 0 8 年全县国民生产总值超过百亿元，财政收入完成6 3 亿元，综合经济 实力名列河北省前茅。 3 第二章工程简介 2 2 水文 2 2 1 暴雨洪水 ( 1 ) 暴雨 北运河水系地处温带大陆性季风气候区，冬春两季受西北季风控制，多风少 雨，气候干燥寒冷；6 - - - - 9 月由于海陆间气团活动剧烈，影响本区形成降雨。多年 平均降雨量约6 0 0 r a m 。受气候和地形的影响，降雨量的地区分布存在着明显的地 区性差异，总趋势是由多雨的燕山迎风区向东南平原区逐渐减少；降雨量在年内 分配上很不均匀，6 9 月份降雨量约占全年降水量的8 0 ；降水量在年际上变化 亦很悬殊，且存在着连丰、连枯现象。 汛期降雨主要以暴雨形式出现，暴雨中心常出现在燕山迎风区的丘陵地带， 具有雨区范围小、历时短、雨强度大的特点。 ( 2 ) 洪水 北运河洪水主要来源于暴雨中心活动频繁的山前区，具有源短流急、骤涨骤 落的特点。历年最大一次洪水出现时间多为7 月下旬至8 月上旬，仅有个别年份 出现在6 月或9 月。洪水在年际变化上与降雨基本相同，具有年际变化悬殊的特 点。 燕山迎风区为大暴雨的集中地带，且地势陡峻，土层覆盖较薄，极易形成大 洪水。背风区产生大面积降雨的机率很少，且土层覆盖较厚，不易造成有灾害性 的洪水。 汛期内洪量较为集中，一般为一、两场大洪水所控制，最大洪水3 0 天洪量一 般占汛期( 6 - 9 月) 洪水总量的7 5 左右，而7 天洪量可占3 0 天洪量的5 0 左右。 2 2 2 设计洪水 2 0 0 8 年2 月，国务院以国函( 2 0 0 8 ) 1 1 号文对海河流域防洪规划进行了 批复。由于北运河水系是海河流域的一部分，因此本次规划采用海河流域防洪 规划中的北运河设计洪水成果。北运河干、支流设计洪水成果见表2 1 乜3 。 4 第二章工程简介 表2 1北运河干、支流设计洪水成果表 不同频率设计值 分区项目 2 5 1 0 通州站 洪峰流龟( m 3 s ) 2 0 5 51 4 5 01 0 1 0 7 天洪量( 亿3 ) 7 1 25 0 73 5 8 ( f = 2 4 7 8k d ) 3 0 天洪量( 亿m ) 1 4 4 91 0 3 47 2 9 通惠河 洪峰流量( i f s ) 7 4 66 1 14 2 0 7 天洪量( 亿m 3 )0 4 6 4o 3 1 20 2 2 7 ( f = 2 5 8k m 2 ) 3 0 天洪量( 亿m )0 8 7 7o 6 l l0 4 6 4 凉水河 洪峰流量( m 3 s ) 1 2 7 19 5 66 2 1 7 天洪萤( 亿矗)1 1 1 80 7 8 20 6 0 7 ( f = 7 3 1k 一) 3 0 天洪量( 亿m 3 )2 4 8 51 7 3 21 3 1 6 风港减河 洪峰流量( 矗s ) 1 0 2 7 2 7 天洪量( 亿m 3 )o 1 9o 1 3 9 ( f - - 7 31k m 2 ) 3 0 天洪量( 亿寸)0 2 2 7o 1 6 7 海河流域防洪规划中对北运河香河段河道防洪规划的标准是：北运河设 计防洪标准由2 0 年一遇提高到5 0 年一遇，上游京冀界杨洼闸处设计洪峰流量由 1 5 9 2m 3 s 增加到2 2 1 8m 3 s ；下游土门楼闸上的设计洪峰流量由1 3 3 0m 3 s 增加 到1 9 8 0m 3 s 。 2 3 存在问题 2 3 1 河道过流能力不能满足规划标准要求 经过多年运用，受风蚀、水蚀等自然因素和车辆强轧等人为因素影响，堤顶 高程普遍下降，再加上河道淤积、高杆作物阻水等原因，致使河道的行洪能力降 低，部分河段不满足原设计防洪标准2 0 年一遇的过流能力，北运河香河段河道更 达不到已批复的流域防洪规划中确定的5 0 年一遇过流能力要求。 2 3 2 原堤防部分堤线不尽合理，滩地内村庄目前无任何防护措施 北运河香河段两岸堤线是在原护村埝及护地埝的基础上连接形成的，致使现 状堤线弯弯曲曲，河道两堤距宽窄不一，堤距在5 0 0 - - 3 0 0 0 m 之间，从河道行洪角 度考虑，浪费土地资源。现状堤线内，无序开发建设严重，不利于管理，且有香 河县8 个村庄( 鲁家务、高庄、陈辛庄、孙家务、谭庄、曹店、张庄、兴隆庄) 、 1 4 3 0 户、人口约6 7 5 0 人，目前无防护措施，一旦高水位行洪，将危及人民生命 财产安全。流域规划将村庄搬迁至大堤以外，实施难度大，并可能由此带来一系 5 第二章工程简介 列的社会问题，影响社会稳定，并且搬迁投资较大，资金和搬迁地点无法落实。 2 3 3 水利工程老化年久失修 香河县境内的北运河土门楼泄洪闸、土门楼节制闸( 木厂闸) 、牛牧屯防洪引 水闸为上世纪六十年代或七十年代初所建，工程质量差，加之年久失修，损毁严 重。2 0 0 8 年均已鉴定为四类水闸，按照水闸安全鉴定规定( s l 2 1 4 9 8 ) 阳3 应拆 除重建。 2 3 4 河流生态受到破坏 北运河与海河流域其它河流相比，由于有干流上游及各支流的径流下泄，水 资源条件相对较好，但遇到枯水季节，存在部分河段干涸断流现象，加上水质污 染，导致环境承载能力低，生态恶化，生物多样性遭到破坏。北运河上已经兴建 了众多的水利工程，不仅改变了河流天然的径流分配，而且使河流水力连续性受 到干扰；部分河道被硬化、渠化，阻隔了水陆之间的水力联系。加之两侧土地利 用方式的改变，使两岸自然生态系统受到破坏，植被覆盖减少，水生动植物种类 减少。沿河生物栖息地环境不断恶化，生物多样性锐减。 2 3 5 水资源短缺 从上世纪8 0 年代以来，由于河道上游用水量的增加，天然来水量明显减少。 根据土门楼站来水资料统计，1 9 6 4 - - - 1 9 8 0 年的1 7 年间平均来水量为1 1 2 5 亿m 3 ， 1 9 8 1 - - 2 0 0 0 年的2 0 年间平均来水量为4 8 5 亿m 3 ，2 0 0 1 - - 2 0 0 6 年的6 年间平均来 水量仅为2 3 亿m 3 。北运河干流除汛期有部分洪水和涝水汇入外，其它时间径流 主要是北京市的城市污水。沿途用水主要为农业灌溉，但由于缺少调蓄工程，灌 溉供水保证率低。同时，由于灌溉季节的用水矛盾，造成下游武清部分河段断流 干涸，沿途生态环境恶化。随着北京市再生水利用程度的加大，这一问题会越来 越突出。北运河水资源利用没有统一管理和统一规划，各省市自行建闸筑坝引水。 在水资源日趋紧缺的情况下，北运河干流的水资源必须统一规划，上下游兼 顾、合理利用，综合考虑农田灌溉、河道生态、环境用水等。 2 3 6 水污染严重，环境恶化 北运河是北京市雨水和污水的主要承泄区，由于长期承泄污水，致使河道水 质受到严重污染，生态遭到严重破坏。近年来，北京市加大水环境建设和治污力 度，污水处理能力提高，使河道水质有所改善，但由于天然径流较少，加上沿途 6 第二章工程简介 支流污水的汇入，北运河仍存在一定程度的污染。根据2 0 0 5 年水质资料统计分析， 主要污染物为高锰酸盐指数及亚硝酸盐、氨、酚等，局部河段水质污染严重超标， 地表水质属劣v 类，水质存在严重的黑臭问题。两侧浅层地下水也受到不同程度 的污染，由于水资源短缺，多年来两岸农田引用污水直接灌溉，农作物和农田环 境也受到污染。水质污染不仅使水生态环境受到严重破坏，而且制约两岸经济发 展，影响了两岸居民的生产生活。 2 3 7 河道管理不善 北运河干流涉及北京、河北、天津三省市，上下游之间缺少统一的管理及水 资源调度，存在着河流上下游的水质保护与污染防治问题，上下游的水资源如何 分配与调度管理等问题。 7 第二章防洪工程和生态修复规划 第三章防洪工程和生态修复规划 3 1 防洪工程规划 3 1 1 规划范围 北运河香河县境内河段总长2 1 7 公里，其中杨洼闸下至土门楼闸河段长1 4 5 公里。本次防洪规划为香河县境内杨洼闸下至土门楼闸1 4 5 公里河段。 北运河杨洼闸下至土门楼闸河段平面位置见图3 1 。 3 1 2 规划原则 ( 1 ) 规划方案应避免河道上、下游及省市间的防洪排水矛盾。 ( 2 ) 根据社会发展的要求，本着少占地、少搬迁、节省投资的原则，坚持以 人为本，利用堤线规划调整提高河滩地村庄的防洪标准。 ( 3 ) 河道治理与沿河开发相结合，按相应标准扩挖河道主槽。 3 1 3 主槽疏挖和堤线调整规划方案 3 1 3 1 主槽疏挖规划技术指标 主河槽两岸滩地主要为耕地和村庄，其中耕地面积约4 0 万亩，为减少两岸 河滩地淹没机率，主河槽按1 0 年一遇洪水标准( 1 0 3 8 m 3 s ) 进行疏挖。经计算， 主槽宽度为1 5 0 m 。 主槽纵坡及河底高程，维持防洪规划成果，土门楼闸上为6 4 3m 、曹店橡胶 坝下7 0m 、曹店橡胶坝上8 7m 、杨洼闸下为9 1 6 m ，河道纵坡约1 1 5 0 0 0 劓。 3 1 3 2 堤线调整规划方案设置 按照上述规划的主槽断面，在维持现状堤线不变的情况下，进行5 0 年一遇设 计洪水计算，分析河道滩地的水深变化情况。现状堤线不变情况下河段平面位置 见图3 2 。 8 第三章防洪工程和生鑫罄复觏捌 圈3 1 北运河杨洼闸下至士门楼闸河段示意圈 第三章防洪工程和生态修复规捌 。u ! 群 母1 弘 k 氐鼍 曩盘澎 唪一誊 图3 - 2 现状堤线不变情况下的河段平面位置圈 根据5 0 年一遇设计洪水计算，曹店橡胶坝以上大部分河道滩地上水深小于 0 1 m ，橡胶坝以下河道滩地上水深稍大。根据各部位滩地的淹没情况，合理的进 行堤线规划调整，设置了以下4 个方案进行分析比较： 方案i ：主槽维持规划方案河底高程和纵坡，底宽1 5 岫，边坡1 ：4 。右堤沿 乔庄北、高庄北、鲁家务东、陈辛庄东、孙家务东、王家摆东、谭庄东至凤港减 蠢、一。絮 第三章 防洪工程和生态修复规划 河约7 7 1 k i n ，调整至内堤脚距主河槽中心线1 0 0 - - - 1 2 0 0 m ，将右岸滩地的6 个村庄 全部圈到堤线以外，风港减河以下堤段维持原堤防位置不变，进行加高培厚；左 堤调整至内堤脚距主河槽中心线3 5 0 m 。 方案2 ：主槽、右堤和左堤均同方案1 ，并在起河屯至红庙之间的河滩地上设 置一个超标准行洪区，面积1 8 0k m z ，超标准行洪区底高程9 0 m ，溢流堰长约 1 9 5 k m 。当土门楼闸上流量达到1 4 5 0 m 3 s 时开始溢流，溢流堰顶高程1 2 1 5 - - - 1 2 0 m ，溢流堰下游设置一个退水涵洞，涵洞底高程9 o m ；土门楼闸上流量小于1 4 5 0 m 3 s ，开启退水涵洞退水。 方案3 ：主槽和左、右堤同方案1 ，在起河屯至红庙之间的河滩地上设置一个 超标准行洪区，面积2 9 5 k m z ，超标准行洪区底高程1 0 5 m ，溢流堰长约2 5 5 k m 。 当土门楼闸上流量达到1 4 5 0m 3 s 时开始溢流，溢流堰顶高程1 2 2 0 1 2 0m ，在 溢流堰下游设置一个退水涵洞，涵洞底高程1 0 5 m ；土门楼闸上流量小于1 4 5 0m 3 s ， 开启退水涵洞退水。 方案4 ：主槽和右堤同方案l ，张庄以北左堤同方案1 ，自张庄开始，新建堤 防至起河屯处与原堤相接，充分利用此堤与主槽之间的滩地滞洪，滩地高程 1 0 5 0 - - - 1 3 7 m 。 各方案有关指标见表3 - 1 。 表3 1规划方案情况表 方案规划有关主要内容有关指标 现状堤线不变 按底宽1 5 0m 扩挖河道主槽，现状堤防加高 两堤堤距10 0 0 3 5 0 0 m 情况下 培厚。 按底宽1 5 0m 扩挖河道主槽，右堤局部柬堤， 方案1两堤堤距5 4 0 18 0 0 m 左堤调整至内堤脚距墨河槽中心线3 5 0 m 。 按底宽1 5 0m 扩挖河道主槽，右堤局部束堤。两堤堤距5 4 0 18 0 0 m ，新建超标准行洪区面积 方案2左堤按束堤1 方案柬堤、同时规划新建超标1 8 0k 皿2 、底高程9 0 m ，溢流堰顶高程 准行洪区、溢流堰和退水涵洞。1 2 i5 - 1 2 0m ，退水涌洞底高程9 0 按底宽1 5 0m 扩挖河道主槽，右堤局部束堤两堤堤距5 4 0 1 8 0 0 m ，新建超标准行洪区面积 方案3 左堤按束堤1 方案束堤、同时规划新建超标 2 9 5k m 2 、底高程l o 5 m ，溢流堰顶高程1 2 2 0 准行洪区、溢流堰和退水涵洞。1 2m ，退水涵洞底高程l o 5 m 按底宽1 5 0m 扩挖河道主槽，右堤局部柬堤 方案4左堤张庄以北同方案l ，自张庄开始，新建两堤堤距5 4 0 3 2 0 0 m 堤防至起河屯处与原堤相接。 3 1 3 3 堤线调整方案水力分析计算 ( 1 ) 计算方法 第二章防洪工程和生态修复规划 采用零维、一维、二维嵌套河网非恒定流洪水演进数学模式，对地形资料进 行概化处理，加入相应上、下游边界条件，建立具体的洪水演进模型。对具体水 流情况采用合适的数值求解方法，并将各部分有机地结合在一起，模拟计算区内 洪水运动情况，分析论证不同频率洪水下计算区域内水位、流速等水利要素的变 化及变化范围，论证堤防束堤后对河道行洪产生的影响。 1 ) 零维模拟 利用水量平衡原理，即进出水量等于其内的蓄量变化碡1 。水量平衡方程式为： q 嘞鲁 ， 式中：a 。：，一为蓄洪区内水面面积( k 甜) ，一般为水位的函数关系，对其离散后 为： q l = 如，警 2 ， 式中：z 、z 。厂分别为计算时段始、末水位( m ) 2 ) 河道水流模拟 描述河道水流运动采用一维圣维南方程组，其基本计算公式： 召丝+ 塑：口 a舐 ( 3 3 ) 署+ 丢c 口争豢+ 鲥警吼 。3 4 ， 式中：q 一旁侧入流； q - 河道断面流量： a 一河道过水面积； b 一河道河宽； z 一河道水位； v x - 旁侧入流流速在水流方向上的分量，一般可近似为零； k 一流量模数，反映河道的实际过流能力； a 一动能修正系数，是反映河道断面流速分部均匀性的系数，当河道只 有一个主槽时，1 3 1 = 1 0 ，当河道有若干主槽和滩地时，在主槽和 滩地的摩阻比将相等的假定下，可得： 弘k 2 喜z a 等a 协5 ， 式中：n 为主槽和滩地的分块数； a 。、k i 分别为第i 分块的过水面积与流量模数； 第三章防洪工程和生态修复规划 解。 a 、k 分别为总的过水面积与流量模数。 上述方程采用四点线性隐式差分格式进行数值离散，采用追赶法进行数值求 3 ) 二维区域洪水模拟 在二维区域内的洪水采用二维浅水运动方程来描述： a za ua 矿 百+ i 十万2 g 型o t + 警+ 等+ 的芸叫是hu缸a v。反。c 2 2 一ov+一ouv+等+助詈叫曩-i-oto xh 矿却。却 。 式中：z 一为水位 h 一为水深 u 、v 一分别为x 与y 方向上的流速； ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) u 、v 一分别为x 与y 方向上的单宽流量； v 一单宽流量的矢量； q 一考虑降雨等因素的源项； g 一重力加速度； c 一谢才系数； 4 ) 联系的处理 联系主要是指计算区域内控制水流运动的堰、闸及河道分洪口门，联系的过 流流量满足水力学上的堰流公式。以宽顶堰为例说明如下： 宽顶堰上的水流分自由出流、淹没出流两种流态，不同流态采用不同计算公 式： 当出流为自由出流时； q = ，昭2 9 日：5 ( 3 9 ) 当出流为淹没出流时； 式中：b 一堰宽 z , - 堰上水头 z ：一堰下水头 h o = z 广z 2 q = q o 。b h 。, i g ( z l - z , ) ( 3 1 0 ) 第三章 防洪工程和生态修复规划 h s = z 2 一z d z 。一堰顶高度 m 自由出流系数 一淹没出流系数 对堰流公式进行线性离散，用迭代法求解。 通过对上述方程进行离散可得到河道断面水位和流量、联系的流量和上下游 水位、二维超标准行洪区内相邻单元之间的流量和水位的线性关系，并与边界条 件联立得到一组完整的关于节点水位的线性代数方程组，且该方程组是一带状稀 疏方程组，采用矩阵标识法求解该方程组后得到河道断面、联系、二维区域单元 的水位、流量、流速等。 通过计算可以得n - 维计算区域各节点的最高水位、最大流速及流向、过闸 ( 堰) 流量等成果。 5 ) 二维计算区域资料概化 计算单元概化 结合计算区域的具体地形情况，以南北、东西方向的正交网将计算区划分为 等宽度的正方形网格，每个网格为一计算单元。 地形资料概化 二维模拟区内自然高地、堤埝等作为阻水堤埝概化到计算网格上，穿河道的 桥涵概化为联系。区内有村庄、田间作物等，根据各种地物特征选择不同的糙率， 即堤、路、埝取值0 0 6 5 ，滩地取值0 0 5 ，河槽取值0 0 2 2 5 ，耕地取值0 0 6 5 等。 ( 2 ) 计算范围 本次模型计算范围为上起新北关闸枢纽，下至青龙湾减河入潮白新河口，以 及北运河木厂闸以下至筐儿港枢纽段北运河、筐儿港枢纽以下陈赵庄节制闸段北 京排污水河，包括其间的大黄铺洼超标准行洪区以及规划大黄埔洼滞洪水库。模 型计算范围见图3 - 3 。 1 ) 零维模拟范围：大黄洼规划滞洪水库，模拟面积约2 4 k m z 。 2 ) 一维数学模型模拟范围： 一维计算区域为北关闸至本次整治段北运河，以及土门楼闸下青龙湾减河， 木厂闸至筐儿港枢纽段北运河、筐儿港枢纽至陈赵庄节制闸段北京排污河，河道 计算总长1 4 5 8 9 k m 。 3 ) 二维数学模型模拟范围为： 二维计算区域为本次河道束堤整治段，以及大黄埔洼超标准行洪区，其中河 道束堤整治段为从杨洼闸上3 5 k m 始至土门楼枢纽，长1 7 5 k m ，模拟面积约5 1 8 2 k f f ，剖分为南北、东西方向宽度为5 0 m 的正交网格；大黄埔洼超标准行洪区，模 1 4 第三章 防浃工程和生杏蕾复规埘 拟面积约2 4 8 5 1i 耐，耐分为南北、东西方向宽度为5 0 0 m 的正交两格 图卜3 模型计算范围简图 l a # m * ”、挚一 ( 3 ) 计算边界条件 1 ) 上游边界条件 计算区域内上游入口边界为北关闸的泄流过程和支流通惠河的入流过程以 及北运河支流京水河、凤港减河以及区间涝水。其成果均为海河流域防洪规划 报告) 中的水文成果。 2 ) 下游边界条件 采用青龙湾减河入潮白新河口处潮白新河的断面设计水位6 4 5 m ，以厦陈赵庄 闸上北京捧污河断面设计水位4 5 m 作为下游边界条件。 第三章防洪工程和生态修复规划 ( 4 ) 计算成果与分析 根据以上条件进行河网数学模型模拟计算，对各方案的计算成果进行统计， 对比规划方案进行分析计算范围内典型断面位置水位、流量、淹没面积等变化， 分析河道整治后对上游壅水的影响、对土门楼下泄流量的影响、对河道槽蓄量的 影响等。 1 ) 河道水位影响分析 选取计算范围内典型断面位置，根据二维洪水演进计算成果，对比分析河道 堤线调整前后同一位置的水位变化。水位计算结果见表3 2 。 由表中数据看出，河道按方案1 治理后，河道水位壅高0 0 1 t o 2 1 m ，此时杨 洼闸上水位壅高o 0 3 m ，土门楼闸上水位最大壅高0 2 1m 。 河道按方案2 治理后，杨洼闸附近河道水位有所壅高，壅高0 0 1 o 0 5 m ，此 时杨洼闸上水位壅高0 0 3 m ；而下游由于新建超标准行洪区，洪水经溢流堰自由溢 流进超标准行洪区，致使土门楼闸上水位有所降低，土门楼闸上水位降低0 0 1m 。 河道按方案3 治理后，杨洼闸附近河道水位壅高0 0 3 - - - 0 0 5 m ，此时杨洼闸上 水位壅高0 0 3 m ；而下游由于新建超标准行洪区，洪水经溢流堰自由溢流进超标准 行洪区，致使土门楼闸上水位有所降低，土门楼闸上水位降低0 0 1m 。 河道按方案4 治理后，河道水位壅高0 0 1 o 1 1 m ，此时杨洼闸上水位壅高 o 0 3 m ，土门楼闸上水位最大壅高o 1 1m 。 2 ) 河道典型断面流量变化分析 根据河网数学模型计算成果，当发生设计频率洪水，河道典型断面流量见表 3 - 3 。 由表中数据可以看出，河道若按方案l 治理后，河道最大洪峰流量增幅在4 1 1 5 m 3 s ，土门楼闸泄流量最大增加1 1 0 m 3 s ，土门楼闸处洪峰传播时间提前了两 个小时。 若按方案2 治理后，河道洪峰流量基本没有变化，土门楼闸泄流量减少2 m 3 s ， 洪峰传播时间基本没有变化。 若按方案3 治理后，河道洪峰流量基本没有变化，土门楼闸泄流量减少l m 3 s ， 洪峰传播时间基本没有变化。 若按方案4 治理后，河道洪峰流量最大增幅2 6 4 m 3 s ，土门楼闸上河道流最 大增加6 1 m 3 s ，此时洪峰传播时间提前了1 个小时。 3 ) 淹没影响分析 根据二维洪水演进计算成果，发生设计洪水，北运河治理整治段河道在不同 治理方案情况下淹没面积变化见表3 - 4 。 1 6 第二章防洪工程和生态修复规划 表3 2 北运河河道典型断面位置最高水位比较表 最高水位( m )差值 位置断面名称规划方案 方案卜方案2 一方案3 一方案4 一 方案1方蹇2方案3方案4 计算成果采用成果 规划方纂 规龟j 方案 规划方案规划万案 北关闸下b d d l2 0 8 42 1 9 52 0 8 42 0 8 42 0 8 42 0 8 40000 b d 0 42 0 0 42 0 0 42 0 0 42 0 0 42 0 0 4oo00 b d 0 71 8 6 81 8 6 s1 8 砖1 8 6 81 8 6 80000 凉水河汇入口b d l l1 7 7 71 7 7 71 7 7 71 7 7 71 7 7 70o00 b d l 41 6 5 l1 6 5 11 6 5 l1 6 5 l1 6 j l0o00 b d l 61 5 41 5 41 5 41 5 4】5 400oo 北关闸下约3 2 8 l m = 维分界处 叻1 71 5 0 61 5 0 71 5 0 71 5 舶1 5 0 70 t o l0 0 l0o 0 1 区间入口 b d l 81 4 5 51 4 虻1 4 5 81 4 5 81 4 5 81 4 5 8o 0 30 0 0 30 0 3 b d l 91 4 2 41 4 2 91 4 2 91 4 2 91 4 2 90 0 5o 0 50 ，0 50 0 5 土门楼闸上约1 0 k i n b d 2 l1 2 7 81 2 9 41 2 8 31 2 8 ：1 2 8 5o 1 60 0 50 m0 - 0 7 b d 2 31 2 3 71 2 5 71 2 3