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标题 北京新机场场址洪水淹没分析
范文 韩凤霞+王俊英+李志华+胡嘉+杨杨



摘要：为合理确定北京新机场场址标高及防洪安全保护措施，进行永定河及泛区洪水淹没分析。通过建立永定河河道及泛区一维、二维嵌套的洪水模拟模型演算，结果显示当永定河发生20年一遇及以上洪水时，新机场场址部分区域将受到洪水淹没影响。
关键词：新机场；永定河；洪水淹没；一维、二维嵌套模拟模型
中图分类号：P208文献标志码：A文章编号：
1672-1683（2015）001-0011-03
Beijing new airport site flood inundation analysis
HAN Feng-xia1，WANG Jun-ying1，LI Zhi-hua2，HU Jia1，YANG Yang1
（1.Beijing Institute of Water，Beijing 100048，China；
2.China Water Resources Beifang Investigation Design and Research CO.LTD ，Tianjin 300222 China）
Abstract：In order to reasonably determine the safety protection measures of Beijing new airport site elevation and flood control，Yongding River and flood area flood analysis.Through the establishment of river and Yongding River District of Yongding 1D，2D nested flood simulation model，simulation results show that when the Yongding River flood occurs once in 20 years and above，the new airport site will be flooded effect.
Key words：new airport site；Yongding River；flood inundation analysis；1D、2D nested flood simulation model
拟建北京新机场定位为超大型国际机场，场址部分占用永定河泛区。按照建设项目选址要求，场址区应位于适当标高，避免洪水侵害。新机场这样超大规模的建设项目，场址区的标高对其土方工程量及投资影响非常大。为合理确定场址区标高及防洪安全保护措施，需要对永定河进行洪水模拟计算，分析场址区洪水淹没范围和水深。
1概况
1.1流域概况
永定河是海河北系最大的一条河流，发源于山西高原和内蒙古高原，流经河北省、北京市和天津市。永定河起自河北省怀来县朱官屯，经官厅水库拦蓄调节后，沿官厅山峡下泄至三家店进入平原；洪水经三家店至梁各庄干流河道入永定河泛区调蓄，少部分洪水注入北运河经海河入海，大部分洪水由永定新河入海。其间，有支流天堂河、新龙河汇入泛区。
永定河泛区是永定河中下游缓洪沉沙的场所，上游起自梁各庄，下游至屈家店枢纽，总面积约522 km2。泛区内地形自西北向东南倾斜，河道纵坡具有上下段较陡，中段较缓的特点；左右大堤堤距一般为6～7 km，最宽处达15 km。
永定河泛区由南北小埝、南北前卫埝、南北围埝、龙河左右埝等分成大小不等的六个区（见图1）。通过运用各分区分洪口门，初步实现了有控制的分区分级运用。
图1永定河泛区分区
当卢沟桥拦河闸下泄流量不大于500 m3/s时，洪水全部由河道下泄。当卢沟桥拦河闸下泄流量大于500 m3/s时，泛区分区分级运用；运用原则是“先下后上、先右后左”，最先启用泛区下游区域，随着洪水量级的加大再启用永定河右侧分区，最后启用泛区上游分区。当卢沟桥拦河闸下泄流量达到2 500 m3/s时，永定河泛区充分滞洪。
1.2项目概况
北京新机场场址处于北京市南端大兴区榆垡镇，横跨河北省廊坊市，西与京九铁路相邻，南临永定河左堤，部分占用永定河泛区（泛区内场址面积22 km2）。场址位置示意见图2。
北京新机场定位为超大型国际机场，规划2025年旅客吞吐量为7 200万人次，远期将达到1亿人次。新机场设有飞行区、航站区、货运区、机务维修区、工作区及其它等功能区，总占地 84 km2。设计防洪标准为100年一遇洪水。
图2新机场场址位置示意图
2洪水模拟模型
永定河泛区内地面开阔，地形和地势变化较大，各分区滞洪、退水交错，且有支流汇入，水流条件复杂。运用单一的河道数学模型难以真实反映复杂河网相互关联的水流运动规律，大范围应用二维数学模型需要大量的地形资料，既不经济也不现实；而且数据处理工作量大，效率低下。为较准确地反映永定河泛区局部滞蓄洪水情况，同时又可满足新机场场址地坪标高的精度，采用一维、二维嵌套的数学模型进行模拟计算。其中，河道洪水采用一维水力学模型模拟，泛区采用二维水力学模型模拟。
2.1模型原理
（1） 河道水流模拟。
河道水流运动采用一维圣维南方程组基本计算公式：
BZt+Qx=q（1）
Qt+x（αQ2A）+gAZx+gA|Q|QK2=qVx（2）
式中：q为旁侧入流；Q为河道断面流量；A为河道过水面积；B为河道河宽；Z为河道水位；Vx为旁侧入流流速在水流方向上的分量，一般可近似为零；K为流量模数，反映河道的实际过流能力；
α为动能修正系数，是反映河道断面流速分布均匀性的系数，河道只有一个主槽时，α=10，当河道有若干个主槽和滩地时，在主槽和滩地的摩阻比降相等的假定下，可得：
α=AK2∑ni=1K2iAi（3）
式中：n为主槽和滩地的分块数；Ai、Ki分别为第i分块的过水面积与流量模数；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解。
（2） 二维区域洪水模拟。
二维区域内的洪水采用二维浅水运动方程计算：
Zt+Ux+Vy=q（4）
Ut+uUx+νUy+ghZx=-g||c2h2U（5）
Vt+uVx+νVy+ghZy=-g||c2h2V（6）
式中：Z为水位；h为水深；u、v分别为x与y方向上的流速；U、V分别为x与y方向上的单宽流量；为单宽流量的矢量；q为考虑降雨等因素的源项；g为重力加速度；c为谢才系数。
（3） 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。
通过对上述方程进行离散可得到河道断面和二维区域单元水位流量、流速，以及各水工建筑物过流量和上下游水位等成果。
2.2边界条件
（1） 计算范围。
计算范围上起永定河泛区的起点梁各庄，下至永定新河入海口。
（2） 水文边界。
a.上边界条件。泛区二维洪水演进计算的上边界条件为泛区入口梁各庄处30天洪水过程线。天堂河、新龙河分别按20年一遇涝水汇入；潮白新河按50年一遇洪水过程汇入。
b.下边界条件。永定新河下边界海口选取六米站1972年7月21日至8月9日共20 d的潮位过程。该潮位过程曾用于海河流域防洪规划中。
c.闸、分洪口门、桥涵等联通建筑物概化为联系。
2.3资料概化
河道根据其横断面资料概化为一维数学模型，计算河道长130 km。
永定河泛区根据其地形、地物资料概化为二维模型。其中：永定河泛区模拟面积约500 km2，分成六个二维区域。将各区剖分为南北、东西方向宽度为分别为200 m（一区，）、和500 m（二区、三区、四区、五区和六区）的正交网格。
二维模拟区内围堤、隔堤、自然高地、公路路基、堤埝等作为阻水堤埝概化到计算网格上；对于有机场情况下，将整个场址占地区域进行不过水概化。
糙率取值河道内为00225～006，河道外为003～0065。
3结果与分析
3.1计算工况
主要模拟新机场场址地形为现状和垫高到不过水高程两种情况，计算洪水重现期分别为50年、100年和200年一遇。组合的模拟工况见表1。
表1永定河泛区洪水模拟工况
工况泛区内场址地形重现期
123456
现状机场范围垫高
50年一遇
100年一遇200年一遇50年一遇100年一遇200年一遇
3.2计算结果及分析
根据永定河洪水调度方案进行模拟，结果显示：永定河发生20年一遇及以上洪水时，新机场场址受永定河滞洪洪水淹没影响。主要分析100年一遇洪水情况。
（1） 现状地形。
永定河流域发生100年一遇洪水，洪水通过寺垡辛庄口门进入泛区一分区，并顺地势向西、向北漫流，洪水流势见图3。泛区内地面高程较低节点被淹，淹没范围主要集中在东北部。新机场场址位于一分区的西北部，场址部分受淹。场址及周边最高水位为2254 m；场址内淹没面积808 km2，最大淹没水深104 m；场址以东最大淹没水深109 m。由典型节点水位过程线图4-图6分析可知，洪水下泄第5天左右开始漫溢进寺垡辛庄口门，此时梁各庄对应下泄流量850 m3/s；第6天左右，新机场东侧河北省境内场址开始被淹；14天左右省市交界处附近节点淹没水深最大，第15天左右；新机场北京市范围内节点被淹。对于场址内747节点，淹没水深超过02 m时间约12 d，淹没水深超过05 m的时间接近3 d；场址周边785节点淹没水深超过02 m时间约12 d，淹没水深超过05 m的时间接近3 d。
图3永定河泛区一区流场
图4100年一遇洪水747节点水位过程线
图5100年一遇洪水785节点水位过程线
图6100年一遇洪水496节点水位过程线
（2） 场址垫高。
新机场场址垫高到不受淹没高程，场址挤占部分蓄洪库容且阻挡洪水向西北方向漫流。永定河流域发生100年一遇洪水时，场址周边最高水位为226 m，最大淹没水深117 m。永定河泛区一区新机场场址及周边淹没情况见表2及图7、图8。
表2100年一遇洪水新机场场址及周边最高水位
图7100年一遇洪水永定河泛区一分区淹没图（现状地形）
图8100年一遇洪水永定河泛区一分区淹没图（新机场场址垫高）
4结语
（1） 新机场场址总面积84 km2，其中22 km2位于永定河泛区内。根据模型模拟结果分析，当永定河发生20年一遇及以上洪水时，永定河洪水通过寺垡辛庄自然分洪口门向泛区漫溢，新机场场址将受到洪水淹没影响。100年一遇洪水时，场址内淹没面积808 km2，最大淹没水深104 m。
参考文献：
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更新时间：2024/12/23 6:11:54