黃河、漳衛(wèi)河系流域超標準大洪水傳播數(shù)值模擬研究

王萬戰(zhàn)，李巖

（1.黃河水利科學研究院，河南鄭州450003；2.華北水利水電大學，河南鄭州450045）

黃河、漳衛(wèi)河系流域超標準大洪水傳播數(shù)值模擬研究

王萬戰(zhàn)1，2，李巖2

（1.黃河水利科學研究院，河南鄭州450003；2.華北水利水電大學，河南鄭州450045）

基于平面二維水動力數(shù)學模型，模擬研究了超標準大洪水在漳衛(wèi)河和黃河之間傳播過程和特性。研究發(fā)現(xiàn)行洪能力較小的衛(wèi)河河段起分流、限流作用；衛(wèi)河超標大洪水溢出衛(wèi)河后分兩路傳播，一路在馬頰河以北經(jīng)漳衛(wèi)河流域流入渤海，另一路經(jīng)黃河下游防洪體系的北金堤滯洪區(qū)進入徒駭河馬頰河等最后流入渤海。模擬研究表明，當位于河南省武陟縣境內(nèi)黃河下游左岸秦廠附近堤防在遭遇近千年一遇大洪水發(fā)生潰口后，潰口洪水經(jīng)人民勝利渠流到漳衛(wèi)河流域后傳播路線與衛(wèi)河超標大洪水的傳播路線基本一致。

洪水模擬；黃河；漳衛(wèi)河；跨流域；平面二維水動力數(shù)學模型

新中國成立以來，水利事業(yè)迅速發(fā)展，黃河、漳衛(wèi)河系等堤防工程得到全面系統(tǒng)的建設，為流域社會經(jīng)濟的發(fā)展提供了基礎保證。

目前，黃河下游堤防防洪標準按照近千年一遇洪水設計[1]。當花園口發(fā)生22 000 m3/s的洪水時，黃河下游防洪體系能夠把洪水控制在黃河大堤和北金堤等滯洪區(qū)內(nèi)，避免黃河洪水泛濫到其它流域。

漳衛(wèi)河系各河段防洪標準為50 a一遇[2]，從現(xiàn)有成果來看，漳衛(wèi)河系發(fā)生50 a一遇洪水，洪水淹沒范圍到達馬頰河左岸堤防，沒有越過馬頰河，淹沒區(qū)域主要為漳衛(wèi)河與馬頰河左岸堤防之間[3]。

由于人類活動干擾、氣候變化異常以及不可抗力等因素影響，仍有可能發(fā)生超標準洪水，筆者采用平面二維水動力數(shù)學模型，對漳衛(wèi)河系和黃河發(fā)生超設計標準洪水時洪水傳播路徑和淹沒范圍等進行模擬研究，為超標大洪水跨流域防洪減災管理提供技術支撐。

1 研究區(qū)域

研究區(qū)域覆蓋黃河水利委員會管轄的黃河下游北岸的北金堤滯洪區(qū)、海河水利委員會管轄的徒駭河—馬頰河流域、漳衛(wèi)河系，其中漳衛(wèi)河系包括衛(wèi)河、衛(wèi)運河、漳衛(wèi)新河，涉及河南、河北和山東3個省的焦作、新鄉(xiāng)、安陽、濮陽、鶴壁、邯鄲、聊城、德州、濟南及濱州10個地級市的48個縣（市、區(qū)）。

該區(qū)域?qū)偃A北平原，地勢由西南向東北緩傾，西南部武陟縣東南部地區(qū)海拔最高約92 m，東北部無棣縣及入?？谝粠У貏葑畹?，下界為渤海灣。地貌類型主要有故河漫灘、沙地沙丘、洼地、沖積平原及河谷平原等。

2 模型介紹

洪水計算采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格平面二維水動力數(shù)學模型模擬大洪水演進過程。

模型控制方程包括連續(xù)方程和動量方程，控制方程采用有限體積法離散，空間項按照近似黎曼間斷問題求解，時變項采用顯格式求解。

連續(xù)方程為：

動量方程為：

式中：uˉ和vˉ為基于水深平均的流速（m/s），分別為垂向平均流速在x與y方向的分量；t為時間（s）；x、y、z為笛卡爾坐標；η為河底高程（m）；d為靜水水深（m）；h=η+d為總水頭（m）；u、v為x、y方向的速度分量（m/s）；g為重力加速度（m/s2）；ρ為水的密度（kg/m3）；Sxx、Sxy、Syx、Syy為輻射應力的分量（m3/s2）；Pa為大氣壓強（Pa）；ρ0為水的相對密度（kg/m3）；S為點源流量（m3/s）；us、vs為源匯項水流的流速（m/s）。本項目暫不考慮風和氣壓的影響。

本研究模擬范圍北至衛(wèi)河—衛(wèi)運河—漳衛(wèi)新河的左堤外圍，南至黃河下游河左岸堤防，其中夾河灘至高村取黃河右岸堤防，東至渤海灣東風港附近海域，模擬面積約6.4萬km2，如圖1所示。

圖1 模擬范圍

2.1 網(wǎng)格剖分

本次模擬地形是基于1∶50 000矢量圖和DEM數(shù)據(jù)，計算區(qū)域采用不規(guī)則三角形網(wǎng)格，對區(qū)域內(nèi)地形變化大、邊界復雜及高出地面的線狀物（鐵路、公路等）沿線兩側(cè)以及金堤河、衛(wèi)河、漳河、衛(wèi)運河、漳衛(wèi)新河、馬頰河、徒駭河及德惠新河河道網(wǎng)格適當加密。模擬區(qū)域部分網(wǎng)格剖分結(jié)果，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格剖分（部分區(qū)域）

2.2 參數(shù)選取

本研究模擬范圍大，區(qū)域內(nèi)地形地物復雜，模型糙率按照不同類型下墊面設置。該模擬范圍內(nèi)下墊面類型包括城鎮(zhèn)居民地及居民地設施、河湖、有植被覆蓋的土地和無植被覆蓋的空地。按照《水力計算手冊（第二版）》中確定不同類型下墊面的糙率，如漳衛(wèi)河系中衛(wèi)河、衛(wèi)運河、漳衛(wèi)新河漫灘糙率范圍在0.035～0.10，主槽糙率范圍為0.020～0.028，均值約0.025[4]。

3 漳衛(wèi)河系洪水模擬方案

選取衛(wèi)河淇門站作為上邊界進口，分別設置1 000～4 000 m3/s等不同量級的洪水，模擬漳衛(wèi)河系長歷時洪水演進過程，分析洪水傳播特性。

3.1 邊界條件和初始條件設置

衛(wèi)河淇門站作為進口邊界，以不同量級流量作為進口條件，設定5種方案，見表1。

表1 5種方案設置條件匯總

出口邊界選擇漳衛(wèi)新河入渤海位置，出口條件為平均高潮位0.14 m。

5種方案初始條件設置相同：本模型計算區(qū)域較大，不考慮河道水下地形，其基流水面按固結(jié)表面考慮，洪水在其表面流動，河道外采用實測地面高程。

下邊界條件為渤海灣平均潮位0.14 m。

3.2 模擬結(jié)果

漳衛(wèi)河系中的衛(wèi)河各段現(xiàn)狀行洪能力，如圖3所示。衛(wèi)河淇門至西元村段為250～1 800 m3/s，西元村至元村段為1 500～2 200 m3/s，元村至徐萬倉段為2 200～2 500 m3/s。衛(wèi)運河徐萬倉至四女寺段原設計流量為4 000 m3/s，現(xiàn)狀行洪能力為2 300～3 700 m3/s；漳衛(wèi)新河大王鋪至孟家莊段原設計流量為3 650 m3/s，現(xiàn)狀行洪能力為3 500 m3/s[3]。

圖3 漳衛(wèi)河系中衛(wèi)河示意

3.2.1 不同方案衛(wèi)河分流特性研究

為了更清楚了解衛(wèi)河發(fā)生大洪水時各河段過流情況，筆者采用平面二維數(shù)學模型模擬衛(wèi)河向堤外側(cè)分流及向下游河道分流的過程和特性。

表2 衛(wèi)河分流情況及各個測站流量

從表2可以看出，淇門流量逐漸增大，下游河道通過的流量也相應增加。淇門為1 500 m3/s時，下游河道通過流量為1 360 m3/s，其中有部分洪水從西元村以上河道溢出，流量為140 m3/s；當淇門為2 000 m3/s時，下游河道通過流量為1 422 m3/s，流出去578 m3/s；當淇門為3 000 m3/s時，下游河道通過流量為1 641 m3/s，流出去1 359 m3/s；當淇門為4 000 m3/s時，下游河道通過流量為1 844 m3/s，流出去2 156 m3/s；當淇門為5000m3/s時，下游河道通過流量為1 967 m3/s，流出去3 033 m3/s。衛(wèi)河西元村以上河段側(cè)向分流和下游河道流量隨淇門流量增加而增大，當淇門流量超過約3 500 m3/s時，側(cè)向分流比大于50%，大部分洪水從西元村以上河道溢出。因此，在某種意義上，可發(fā)揮行洪能力較小的衛(wèi)河的分流、限流作用，確保衛(wèi)河來大洪水時進入衛(wèi)運河及其以下河流的流量不超過其行洪能力。

3.2.2 不同方案洪水分流位置及傳播路線研究

由計算結(jié)果可知，當淇門流量為1 500～5 000 m3/s時，洪水從衛(wèi)河淇門至西元村段側(cè)向分流，西元村以下河道通過的流量低于現(xiàn)狀行洪能力，洪水不會漫堤，河道內(nèi)洪水沿著河道繼續(xù)向下游傳播，經(jīng)過衛(wèi)河、衛(wèi)運河、漳衛(wèi)新河到渤海。

溢出洪水主要分兩路：一路洪水經(jīng)衛(wèi)河兩側(cè)滯洪區(qū)，如柳圍坡、長虹渠、白寺坡、小灘坡、任固坡等滯洪區(qū)，在冠縣附近受邯濟鐵路阻擋，洪水沿著鐵路向東流去，流向馬頰河（如圖4所示）。另一路洪水在滑縣位置（如圖3所示）拐彎向東傳播，進到黃河下游防洪體系的北金堤滯洪區(qū)，少量洪水可通過一些水利工程設施進到黃河。當北金堤滯洪區(qū)蓄滿時，莘縣古城三里營和陽谷孟堤口附近堤段較長時間被洪水淹泡，結(jié)構(gòu)變?nèi)醢l(fā)生潰口，滯洪區(qū)洪水通過北金堤繼續(xù)向下游傳播，經(jīng)徒駭河、馬頰河流域，流入渤海，洪水主要淹沒馬頰河以南地區(qū)（如圖4所示）。

圖4 洪水第50天演進方向（淇門流量4 000 m3/s）

4 黃河左岸潰口洪水模擬應用

假設黃河下游發(fā)生近千年一遇大洪水且在武陟縣秦廠村附近黃河左岸大堤發(fā)生潰口，模擬潰口洪水傳播路線及淹沒范圍。

黃河下游左岸秦廠附近大堤潰口為模擬的上邊界。近千年一遇大洪水潰口分流比參考黃河堤防潰口分流試驗結(jié)果[5]，分流過程如圖5所示。初始條件、出口條件及模型參數(shù)選擇與上文第3節(jié)相同。

圖5 潰口流量過程

模擬結(jié)果表明，潰口洪水以潰口為中心呈扇形向外擴散。潰口洪水首先沿著人民勝利渠向東北方向推進，進到漳衛(wèi)河流域。黃河潰口洪水進入漳衛(wèi)河流域后，洪水傳播路線基本與衛(wèi)河洪水傳播路線一樣，即洪水進到衛(wèi)河及兩側(cè)附近滯洪區(qū)，河道洪水經(jīng)衛(wèi)河、衛(wèi)運河、漳衛(wèi)新河到渤海。滯洪區(qū)洪水一部分沿著衛(wèi)河堤防外側(cè)流向下游；大部分洪水溢出衛(wèi)河，在滑縣附近進入北金堤滯洪區(qū)，滯洪區(qū)內(nèi)洪水潰口后經(jīng)徒駭河、馬頰河等，最終進到渤海（如圖6所示）。

圖6 洪水第27天演進方向

5 結(jié)語

筆者采用平面二維水動力模擬技術對跨流域洪水進行數(shù)字模擬試驗，分別模擬漳衛(wèi)河系1 500～5 000 m3/s等不同量級長歷時洪水和黃河下游入口附近左堤在近千年一遇洪水發(fā)生潰口后洪水傳播路線及淹沒范圍。

（1）衛(wèi)河上游河道現(xiàn)狀行洪能力較小，起分流、限流作用，當衛(wèi)河發(fā)生特大洪水時，進到衛(wèi)運河的流量也不會超過其現(xiàn)狀行洪能力。

（2）當衛(wèi)河發(fā)生特大洪水時，大部分洪水從衛(wèi)河上游河段溢出，一部分洪水在馬頰河以北經(jīng)過漳衛(wèi)河系向下游傳播，進入渤海；另一部分洪水在滑縣附近進入黃河下游防洪體系的北金堤滯洪區(qū)。進入金堤滯洪區(qū)的少量洪水可以通過退水閘進入黃河，大部分在北金堤潰口后經(jīng)徒駭河、馬頰河等，進入渤海。

（3）當黃河下游左岸武陟縣秦廠附近發(fā)生近千年一遇潰口洪水后，洪水經(jīng)人民勝利渠進入漳衛(wèi)河流域后，洪水傳播路線與上述基本一致，洪水淹沒范圍主要集中在衛(wèi)河兩側(cè)、北金堤滯洪區(qū)和徒駭河、馬頰河流域。

[1]黃河水利委員會.黃河流域防洪規(guī)劃[M].鄭州：黃河水利出版社，2008.

[2]張艷春，韓鳳霞.《防洪標準》及其在漳衛(wèi)河系防洪規(guī)劃中的應用[J].水利水電工程設計，2000（2）：32-33.

[3]海河水利委員會.漳衛(wèi)河系防洪規(guī)劃[R].天津：海河水利委員會，2008.

[4]邢斌，朱曉春，李永慶.基于數(shù)字流域系統(tǒng)的漳衛(wèi)河系洪水演進模型建立[J].海河水利，2015（6）：38-43.

[5]黃河水利委員會.防汛搶險關鍵技術研究[R].鄭州：黃河水利委員會，2001.

Numerical Modeling of Ultra-Large Floods Propagating between the Yellow River and
Zhang-Wei Rivers

WANG Wan-zhan1，2，LI Yan2
（1.Yellow River Institute of Hydraulic Research，Zhengzhou 450003，China; 2.North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450045，China）

Using a two dimensional depth-integrated hydrodynamic numerical model，it is simulated how ultra-large scaled floods propagate between Zhang-Wei Rivers Basin and the Yellow River.It is found that low-diked Wei River，having a low bankfull discharge，serves as a flood diverting and limiting facility to make a large-scaled flood，fed at the upper site of the Wei River，enter the downstream reaches with a much-mitigated peak flood lower than the bankfull discharge of the downstream rivers by overflowing first into the nearby flood detention zones，then moving beyond to the Northern Golden Dike Flood Detention Zone of the Yellow River Basin，and farther to Tuhai River and Majia River，ending up to the Bo Sea.The flooding route is found to be followed by another simulated ultra-large scaled flood breaching the left dike of Yellow River at Qingchang，located near the entrance to the Lower Yellow River.

ultra-lrage flood；Yellow River；Zhang-Wei Rivers；trans-river basin；two-dimensional depth-integrated hydrodynamic numerical model

TV122+.4

：A

：1004-7328（2017）01-0030-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.01.009

2016—11—06

王萬戰(zhàn)（1965—），男，教授級高級工程師，主要從事河口海岸港口工程和三角洲生態(tài)治理、防洪、防潮研究工作。