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摘 要：通过比较颍河河抱湾圩段河道原河道退堤方案与裁弯取直方案，分别建立MIKE21模型进行模拟计算，分析2种方案的河水流速、流态分布、工程占地和搬迁人口。结果表明，裁弯取直方案在較大程度上改变了颍河河势，改善了河道蜿蜒现状，使水流下泄更为畅通，较小的河道弯曲系数有效地减小了迎流顶冲对河岸的冲刷，而新开辟的两段河道的主槽流速均较大，冲刷作用较强;相比原河道退堤方案，裁弯取直方案会使三湾圩、河抱湾圩四面环水，极大地改变了圩区群众的生产生活方式，产生了较大的社会影响。
关键词：裁弯取直;MIKE模型;河道河势;流速流态
中图分类号 TV85 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2021）13-0161-04
Abstract： In this paper， the original river channel embankment retreat scheme and the cut-bending straight scheme are compared for the Hebaowan polder reach of Ying River. The MIKE21 model is established for simulation. The river water flow velocity， flow pattern distribution， engineering occupation and relocation population of the two schemes are analyzed and compared. The cut-bending straight scheme greatly changes the Ying River regime， improves the meandering status of the river， and makes the flow discharge more smooth. The smaller river bend coefficient effectively reduces the scouring of the river bank by the headward scouring， while the main channel velocity of the new excavated two reaches of the river is large and the scouring effect is strong. Compared with the original river channel embankment retreat scheme， the cut-bending straight scheme will make the Sanwan polder and Hebaowan polder surrounded by water， which will greatly change the production and life style of the polder people and bring great social impact.
Key words： Cut-bending straight; MIKE model; River regime; Velocity and flow pattern
1 概况
沙颍河是淮河最大的支流，发源于河南省西部伏牛山脉，在安徽省沫河口入淮。颍河较为蜿蜒，河流弯曲系数为1.48，特别是阜阳闸以下弯曲系数达1.61，拐弯河段多，弯道近20处。一般蜿蜒型河道的治理措施主要有裁弯取直、撇弯、切滩等[1-3]。本研究以沙颍河为对象，分析了颍河河抱湾圩段河道在原河道退堤与裁弯取直2种方案下的治理效果[4]。
2 研究区域与方法
2.1 研究区域 河抱湾圩河段位于颍河阜阳闸至颍上闸段河道中部，长约13km，河道弯曲，弯曲系数达2.2，集中分布有5处生产圩，其中王周圩、顾庙圩位于右岸滩地，三湾圩、河抱湾圩、新庙圩位于左岸滩地[5]，治理范围见图1。考虑到河段弯曲系数大，颍河左、右堤堤距宽，最宽处可达2.8km，本次拟定了原河道退堤和裁弯取直2种治理方案，2种方案工程布置详见图2、3。
2.1.1 原河道退堤方案 沿原河道疏浚，采用底宽100m，边坡1∶4，疏浚长度13km;三湾圩、顾庙圩、河抱湾圩规划为限制类圩口，按10年一遇防洪标准退建、加固堤防，王周圩、新庙湾圩规划为还河类圩口，废圩还河、圩堤铲除;三湾圩内新建三湾站，顾庙圩内新建顾庙站、顾庙涵，河抱湾圩内新建河抱湾站、河抱湾涵，详见图2。
2.1.2 裁弯取直方案 于三湾圩、河抱湾圩颍左堤侧圩内新开挖2段河道，总长3.1km，根据相关公式计算[6]拟定新开挖河道底宽80m，边坡1∶4，其余河段按原河道疏浚，疏浚长度3.4km，底宽100m，边坡1∶4，裁弯处底宽渐变衔接，老河道实施封堵;王周圩、三湾圩、顾庙圩、河抱湾圩圩堤采用20年一遇防洪标准，其中王周圩、顾庙圩局部堤防退建，三湾圩、河抱湾圩并入颍河右岸，新庙湾圩废弃;王周圩、顾庙圩、河抱湾圩内各新建1座泵站，并在老河道下游出口处新建排涝站1座，详见图3。
2.2 研究方法 采用MIKE21模型的FM水动力模块，其基于二维不可压缩流体雷诺平均应力方程，包括连续、动量、温度、盐度和密度方程，可以模拟多种作用力下的水流变化以及忽略分层的二维自由表面流。平面二维水流连续方程、动量方程见式（1）、式（2）[7-8]。模型中采用有限体积法进行数值的空间离散，并采用显式进行时间积分求解[9-11]。
式中：[u]、[v]为基于水深平均的流速;t为时间;x、y和z为笛卡尔坐标;η为河底高程;d为静水深;h=η+d为总水头;u、v为x、y方向的速度分量;g为重力加速度;ρ为水的密度;sxx、sxy、syz、syy为辐射应力的分量;Pa为大气压强;ρ0为水的相对密度;S为点源流量大小;us、vs为源汇项水流的流速。 3 结果与分析
3.1 模型构建 利用颍河流域DEM数据构建规划河道二维模型，考虑干流河道地形变化较大以及干流河道与两岸生产圩的交互影响，计算范围选择王周圩至河抱湾圩段，干流河道共计15km。网格划分基于DEM数据，考虑地形起伏变化，将干流河道、生产圩及两者连接区域建立不同精度的不规则三角形网格。原河道退堤方案模型共剖分7182个网格、3725个节点;裁弯取直方案模型共剖分4180个网格、2224个节点。糙率系数在二维模型演进计算中具有关键作用。虞邦义等[12]构建了淮河中游河道王家坝-鲁台子河段一维、二维耦合水动力数学模型得出沙颍河河道主槽糙率为0.025～0.035，滩地糙率为0.038～0.045。陈炼钢等[13]搭建了淮河中游水文-水动力-水质耦合模型，优选最佳水量水质联合应急调度方案，参数率定中沙颍河糙率采用0.020～0.030。本次河道经过糙率验证[14]，采用主槽0.0225，滩地0.0375。边界条件中，下边界采用20年一遇设计水位，上边界采用20年一遇设计流量。
3.2 成果分析 从流速分布、河势影响、工程量、占地、社会影响等方面对2个方案进行综合分析比较。原河道退堤方案通过河道疏浚及沿线生产圩退建、废弃，扩大泄洪通道，但河道弯曲系数达1.752，仍较大。从河道流速来看，河道由上游王周圩经过三湾圩、顾庙圩2处较大弯道，主槽流速有所增大，三湾圩、顾庙圩主槽流速分别在0.870～2.083m/s、0.827～2.083m/s，到河抱湾圩上部主槽流速在0.754～1.373m/s，略有减小，水流平缓行进，而到河抱湾圩下部，主槽流速逐渐增大，在0.780～1.699m/s。滩地流速主要集中在0.4～0.6m/s，表现为河抱湾圩以上滩地流速较小，经过河抱湾圩后，滩地流速逐渐变大，详见表1。从河水流态来看，河抱湾圩以上段河水过流基本在主槽中，滩地过流较少，河水对主槽的冲刷较大，河抱湾圩以下段水流分布则较为均衡，详见图4;原河道方案中河道疏浚、生产圩退建加固等工程量较小，无影响处理工程，涉及永久占地308.53hm2，临时占地94.8hm2，河道疏浚弃土量、临时占地面积均较少;方案中王周圩、新庙湾圩规划废弃，三湾圩、顾庙圩、河抱湾圩规划为限制类圩口，人口全部外迁入颍左、颍右保护区内安置，拆迁房屋17.80万m2，搬迁人口6304人，治理后生产圩内无人居住，保障了群众防洪安全，减轻了防汛压力，而方案涉及拆迁房屋面积较大，搬迁人口较多。
裁弯取直方案对原河道形态、河势稳定具有较大改变，河道弯曲系数减少至1.048。从河道流速来看，新开辟的两段河道的主槽流速均较大，三湾圩处主槽流速在1.229～2.231m/s，滩地流速在0.038～1.447m/s，河抱湾圩处主槽流速在1.294～1.770m/s，滩地流速在0.002～0.895m/s，2处裁弯段比较，流路较小的三湾圩段冲刷更为严重。原河道所在的王周圩段、顾庙圩段、新庙湾圩段主槽流速分别在1.074～1.617m/s、0.906～1.570m/s、0.880～1.409m/s，滩地流速分别在0.046～0.927m/s、0.110～0.912m/s、0.043～0.544m/s，相对新开河段的主槽、滩地，水流分布更为均匀，冲刷较弱。流速对比详见表1，流态对比详见图4、5;裁弯取直方案中新开挖河道3.1km、生产圩退建加固等工程涉及永久占地294.4hm2，临时占地278.33hm2，弃土量、临时占地面积较大;同时，河道裁弯后影响该段颍右堤保护区的排涝，需进行影响处理;裁弯方案涉及拆迁房屋10.73万m2，搬迁人口3961人，三湾圩、河抱湾圩由颍河左岸并入右岸，西侧为颍河老河道，东侧为新开河道，四面环水，给群众生活、生产、出行等均造成了不便，社会影响较大。
4 结论
本次聚焦颍河较为蜿蜒的河抱湾圩河段，从河道流速、流态分布、工程占地、搬迁人口等方面比较了原河道退堤方案与裁弯取直方案互相的优势与不足，裁弯取直方案较大程度地改变了河道形态，大大减弱了水流对河道两岸的冲刷，水流下泄更为顺畅，但是对新开挖河段的主槽具有一定的冲刷，同时带来了较多的临时占地和影响处理工程量。虽然涉及的房屋拆迁、搬迁人口相对原河道方案较少，但裁弯后原三湾圩、河抱湾圩变成四面临水的孤岛，给圩内群众生产生活带来了极大的不便;原河道生产圩退堤方案，对河势的影响较小，而经过治理河道弯曲系数仍较大，水流下泄不及裁弯方案顺畅，但带来的社会影响较小。
参考文献
[1]郭志学，钟友胜，吕伟.不同裁弯取直方案对河道行洪影响分析[J].南水北调与水利科技，2014，12（5）：77-80，85.
[2]何熙，張有林，李顺超，等.山区河流沙卵石浅滩整治线宽度确定[J].水运工程，2021（03）：107-111，144.
[3]刘鑫，李春光，兰斌.基于MIKE3的黄河宁夏四排口河段水动力模拟[J].人民珠江，2020，41（7）：33-38.
[4]郭维东.河道整治[M].沈阳：东北大学出版社，2003：35-42.
[5]安徽省水利水电勘测设计院.颍河流域综合治理规划[R].合肥：安徽省水利水电勘测设计院，2018.
[6]谢鑑衡.裁弯取直的水力计算和河床变形计算[J].武汉水利电力学院学报，1963（02）：16-29.
[7]衣秀勇，关春曼，果有娜.DHI MIKE FLOOD洪水模拟技术应用与研究[M].北京：中国水利水电出版社，2014：8-13.
[8]张震，王露露，程志宏.淮河流域茨南淝右片防洪保护区糙率敏感性分析[J].人民珠江，2018，39（5）：54-57.
[9]李添雨，李振华，黄炳彬，等.基于MIKE21模型的沙河水库水量水质响应模拟研究[J].环境科学学报，2021，41（1）：293-300.
[10]张震.二维水动力学模型在商合杭铁路淮河大桥洪水影响评价中的应用[J].人民珠江，39（10）：118-123.
[11]张叶，孟德娟，于子铖，等.基于MIKE21的城市河流水质改善与达标分析[J].水电能源科学，2020，38（09）：48-52.
[12]虞邦义，蔡建平，黄灵敏.淮河中游河道水动力数学模型及应用[M].北京：中国水利水电出版社，2017：24-29.
[13]陈炼钢，施勇，钱新，等.闸控河网水文一水动力一水质耦合数学模型——II.应用[J].水科学进展，2014，25（6）：856-863.
[14]安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司.安徽省颍河治理工程可行性研究[R].合肥：安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，2020.
（责编：张宏民）
关键词：裁弯取直;MIKE模型;河道河势;流速流态
中图分类号 TV85 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2021）13-0161-04
Abstract： In this paper， the original river channel embankment retreat scheme and the cut-bending straight scheme are compared for the Hebaowan polder reach of Ying River. The MIKE21 model is established for simulation. The river water flow velocity， flow pattern distribution， engineering occupation and relocation population of the two schemes are analyzed and compared. The cut-bending straight scheme greatly changes the Ying River regime， improves the meandering status of the river， and makes the flow discharge more smooth. The smaller river bend coefficient effectively reduces the scouring of the river bank by the headward scouring， while the main channel velocity of the new excavated two reaches of the river is large and the scouring effect is strong. Compared with the original river channel embankment retreat scheme， the cut-bending straight scheme will make the Sanwan polder and Hebaowan polder surrounded by water， which will greatly change the production and life style of the polder people and bring great social impact.
Key words： Cut-bending straight; MIKE model; River regime; Velocity and flow pattern
1 概况
沙颍河是淮河最大的支流，发源于河南省西部伏牛山脉，在安徽省沫河口入淮。颍河较为蜿蜒，河流弯曲系数为1.48，特别是阜阳闸以下弯曲系数达1.61，拐弯河段多，弯道近20处。一般蜿蜒型河道的治理措施主要有裁弯取直、撇弯、切滩等[1-3]。本研究以沙颍河为对象，分析了颍河河抱湾圩段河道在原河道退堤与裁弯取直2种方案下的治理效果[4]。
2 研究区域与方法
2.1 研究区域 河抱湾圩河段位于颍河阜阳闸至颍上闸段河道中部，长约13km，河道弯曲，弯曲系数达2.2，集中分布有5处生产圩，其中王周圩、顾庙圩位于右岸滩地，三湾圩、河抱湾圩、新庙圩位于左岸滩地[5]，治理范围见图1。考虑到河段弯曲系数大，颍河左、右堤堤距宽，最宽处可达2.8km，本次拟定了原河道退堤和裁弯取直2种治理方案，2种方案工程布置详见图2、3。
2.1.1 原河道退堤方案 沿原河道疏浚，采用底宽100m，边坡1∶4，疏浚长度13km;三湾圩、顾庙圩、河抱湾圩规划为限制类圩口，按10年一遇防洪标准退建、加固堤防，王周圩、新庙湾圩规划为还河类圩口，废圩还河、圩堤铲除;三湾圩内新建三湾站，顾庙圩内新建顾庙站、顾庙涵，河抱湾圩内新建河抱湾站、河抱湾涵，详见图2。
2.1.2 裁弯取直方案 于三湾圩、河抱湾圩颍左堤侧圩内新开挖2段河道，总长3.1km，根据相关公式计算[6]拟定新开挖河道底宽80m，边坡1∶4，其余河段按原河道疏浚，疏浚长度3.4km，底宽100m，边坡1∶4，裁弯处底宽渐变衔接，老河道实施封堵;王周圩、三湾圩、顾庙圩、河抱湾圩圩堤采用20年一遇防洪标准，其中王周圩、顾庙圩局部堤防退建，三湾圩、河抱湾圩并入颍河右岸，新庙湾圩废弃;王周圩、顾庙圩、河抱湾圩内各新建1座泵站，并在老河道下游出口处新建排涝站1座，详见图3。
2.2 研究方法 采用MIKE21模型的FM水动力模块，其基于二维不可压缩流体雷诺平均应力方程，包括连续、动量、温度、盐度和密度方程，可以模拟多种作用力下的水流变化以及忽略分层的二维自由表面流。平面二维水流连续方程、动量方程见式（1）、式（2）[7-8]。模型中采用有限体积法进行数值的空间离散，并采用显式进行时间积分求解[9-11]。
式中：[u]、[v]为基于水深平均的流速;t为时间;x、y和z为笛卡尔坐标;η为河底高程;d为静水深;h=η+d为总水头;u、v为x、y方向的速度分量;g为重力加速度;ρ为水的密度;sxx、sxy、syz、syy为辐射应力的分量;Pa为大气压强;ρ0为水的相对密度;S为点源流量大小;us、vs为源汇项水流的流速。 3 结果与分析
3.1 模型构建 利用颍河流域DEM数据构建规划河道二维模型，考虑干流河道地形变化较大以及干流河道与两岸生产圩的交互影响，计算范围选择王周圩至河抱湾圩段，干流河道共计15km。网格划分基于DEM数据，考虑地形起伏变化，将干流河道、生产圩及两者连接区域建立不同精度的不规则三角形网格。原河道退堤方案模型共剖分7182个网格、3725个节点;裁弯取直方案模型共剖分4180个网格、2224个节点。糙率系数在二维模型演进计算中具有关键作用。虞邦义等[12]构建了淮河中游河道王家坝-鲁台子河段一维、二维耦合水动力数学模型得出沙颍河河道主槽糙率为0.025～0.035，滩地糙率为0.038～0.045。陈炼钢等[13]搭建了淮河中游水文-水动力-水质耦合模型，优选最佳水量水质联合应急调度方案，参数率定中沙颍河糙率采用0.020～0.030。本次河道经过糙率验证[14]，采用主槽0.0225，滩地0.0375。边界条件中，下边界采用20年一遇设计水位，上边界采用20年一遇设计流量。
3.2 成果分析 从流速分布、河势影响、工程量、占地、社会影响等方面对2个方案进行综合分析比较。原河道退堤方案通过河道疏浚及沿线生产圩退建、废弃，扩大泄洪通道，但河道弯曲系数达1.752，仍较大。从河道流速来看，河道由上游王周圩经过三湾圩、顾庙圩2处较大弯道，主槽流速有所增大，三湾圩、顾庙圩主槽流速分别在0.870～2.083m/s、0.827～2.083m/s，到河抱湾圩上部主槽流速在0.754～1.373m/s，略有减小，水流平缓行进，而到河抱湾圩下部，主槽流速逐渐增大，在0.780～1.699m/s。滩地流速主要集中在0.4～0.6m/s，表现为河抱湾圩以上滩地流速较小，经过河抱湾圩后，滩地流速逐渐变大，详见表1。从河水流态来看，河抱湾圩以上段河水过流基本在主槽中，滩地过流较少，河水对主槽的冲刷较大，河抱湾圩以下段水流分布则较为均衡，详见图4;原河道方案中河道疏浚、生产圩退建加固等工程量较小，无影响处理工程，涉及永久占地308.53hm2，临时占地94.8hm2，河道疏浚弃土量、临时占地面积均较少;方案中王周圩、新庙湾圩规划废弃，三湾圩、顾庙圩、河抱湾圩规划为限制类圩口，人口全部外迁入颍左、颍右保护区内安置，拆迁房屋17.80万m2，搬迁人口6304人，治理后生产圩内无人居住，保障了群众防洪安全，减轻了防汛压力，而方案涉及拆迁房屋面积较大，搬迁人口较多。
裁弯取直方案对原河道形态、河势稳定具有较大改变，河道弯曲系数减少至1.048。从河道流速来看，新开辟的两段河道的主槽流速均较大，三湾圩处主槽流速在1.229～2.231m/s，滩地流速在0.038～1.447m/s，河抱湾圩处主槽流速在1.294～1.770m/s，滩地流速在0.002～0.895m/s，2处裁弯段比较，流路较小的三湾圩段冲刷更为严重。原河道所在的王周圩段、顾庙圩段、新庙湾圩段主槽流速分别在1.074～1.617m/s、0.906～1.570m/s、0.880～1.409m/s，滩地流速分别在0.046～0.927m/s、0.110～0.912m/s、0.043～0.544m/s，相对新开河段的主槽、滩地，水流分布更为均匀，冲刷较弱。流速对比详见表1，流态对比详见图4、5;裁弯取直方案中新开挖河道3.1km、生产圩退建加固等工程涉及永久占地294.4hm2，临时占地278.33hm2，弃土量、临时占地面积较大;同时，河道裁弯后影响该段颍右堤保护区的排涝，需进行影响处理;裁弯方案涉及拆迁房屋10.73万m2，搬迁人口3961人，三湾圩、河抱湾圩由颍河左岸并入右岸，西侧为颍河老河道，东侧为新开河道，四面环水，给群众生活、生产、出行等均造成了不便，社会影响较大。
4 结论
本次聚焦颍河较为蜿蜒的河抱湾圩河段，从河道流速、流态分布、工程占地、搬迁人口等方面比较了原河道退堤方案与裁弯取直方案互相的优势与不足，裁弯取直方案较大程度地改变了河道形态，大大减弱了水流对河道两岸的冲刷，水流下泄更为顺畅，但是对新开挖河段的主槽具有一定的冲刷，同时带来了较多的临时占地和影响处理工程量。虽然涉及的房屋拆迁、搬迁人口相对原河道方案较少，但裁弯后原三湾圩、河抱湾圩变成四面临水的孤岛，给圩内群众生产生活带来了极大的不便;原河道生产圩退堤方案，对河势的影响较小，而经过治理河道弯曲系数仍较大，水流下泄不及裁弯方案顺畅，但带来的社会影响较小。
参考文献
[1]郭志学，钟友胜，吕伟.不同裁弯取直方案对河道行洪影响分析[J].南水北调与水利科技，2014，12（5）：77-80，85.
[2]何熙，張有林，李顺超，等.山区河流沙卵石浅滩整治线宽度确定[J].水运工程，2021（03）：107-111，144.
[3]刘鑫，李春光，兰斌.基于MIKE3的黄河宁夏四排口河段水动力模拟[J].人民珠江，2020，41（7）：33-38.
[4]郭维东.河道整治[M].沈阳：东北大学出版社，2003：35-42.
[5]安徽省水利水电勘测设计院.颍河流域综合治理规划[R].合肥：安徽省水利水电勘测设计院，2018.
[6]谢鑑衡.裁弯取直的水力计算和河床变形计算[J].武汉水利电力学院学报，1963（02）：16-29.
[7]衣秀勇，关春曼，果有娜.DHI MIKE FLOOD洪水模拟技术应用与研究[M].北京：中国水利水电出版社，2014：8-13.
[8]张震，王露露，程志宏.淮河流域茨南淝右片防洪保护区糙率敏感性分析[J].人民珠江，2018，39（5）：54-57.
[9]李添雨，李振华，黄炳彬，等.基于MIKE21模型的沙河水库水量水质响应模拟研究[J].环境科学学报，2021，41（1）：293-300.
[10]张震.二维水动力学模型在商合杭铁路淮河大桥洪水影响评价中的应用[J].人民珠江，39（10）：118-123.
[11]张叶，孟德娟，于子铖，等.基于MIKE21的城市河流水质改善与达标分析[J].水电能源科学，2020，38（09）：48-52.
[12]虞邦义，蔡建平，黄灵敏.淮河中游河道水动力数学模型及应用[M].北京：中国水利水电出版社，2017：24-29.
[13]陈炼钢，施勇，钱新，等.闸控河网水文一水动力一水质耦合数学模型——II.应用[J].水科学进展，2014，25（6）：856-863.
[14]安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司.安徽省颍河治理工程可行性研究[R].合肥：安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，2020.
（责编：张宏民）