滏陽新河左堤常村潰口洪水風險分析及應(yīng)對研究

李會，楊翠巧，牛彥輝

（1.河北浩川工程咨詢有限公司，河北石家莊050000；2.邯鄲市水利水電勘測設(shè)計研究院，河北邯鄲056000）

滏陽新河左堤常村潰口洪水風險分析及應(yīng)對研究

李會1，楊翠巧2，牛彥輝1

（1.河北浩川工程咨詢有限公司，河北石家莊050000；2.邯鄲市水利水電勘測設(shè)計研究院，河北邯鄲056000）

考慮地形、堤防工程、道路、橋涵、房屋、河流對洪水演進的影響，建立了滏陽新河MIKE11模型、堤外保護區(qū)MIKE21模型及一二維耦合MIKE FLOOD模型，分析了50 a一遇、“63·8”校核洪水常村段堤防潰決后的洪水演進過程，結(jié)合淹沒區(qū)社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)進行了洪災(zāi)影響分析，繪制了該區(qū)域洪水風險圖，提出減小洪災(zāi)的應(yīng)對措施，為防汛指揮及決策提供科學(xué)依據(jù)。

洪水演進模擬；洪災(zāi)影響；洪水風險圖；滏陽新河

1 引言

滏陽新河是河北省為避免滏陽河流域發(fā)生類似1963年型洪水而開挖的人工排洪河道，起自艾辛莊樞紐，入獻縣泛區(qū)與滏陽河、滹沱河匯合，河道長度132.4 km，設(shè)計標準為50 a一遇，校核標準為“63·8”洪水。左、右堤均為2級提防，左堤長127.39 km，右堤長128.8 km，兩堤間距平均為1 500 m，現(xiàn)狀堤頂寬6～8 m，邊坡1∶3。

滏陽新河左堤常村險工位于衡水市武強縣豆村鄉(xiāng)常村南，寬度約240 m，堤防樁號107+660—107+ 900，堤身以壤土為主，局部夾砂壤土，外堤腳緊鄰夾道排水渠，堤頂與渠底高差達9 m，堤身相對變高，抗滑能力降低，且堤防外坡面不平整，局部有沖溝，行洪期間極易形成潰口。堤外保護區(qū)為滹滏區(qū)間洪澇災(zāi)害最為頻繁區(qū)域，涉及衡水市武強縣、武邑縣，是河北省防洪除澇的重點區(qū)域。

2 研究目標及基礎(chǔ)資料

2.1 研究目標

主要目標是建立滏陽新河MIKE11模型、堤外保護區(qū)MIKE21模型及一二維耦合MIKE FLOOD模型，模擬滏陽新河50 a一遇、“63·8”校核洪水常村段堤防潰決后的洪水演進過程，評估淹沒區(qū)的洪水影響及損失，繪制洪水風險圖并提出減小洪災(zāi)的應(yīng)對措施。

2.2 分析范圍

分析范圍為滏陽新河左堤保護區(qū)，保護區(qū)為滏陽新河左堤以西區(qū)域，南起寧晉泊北圍堤，北至滹沱河南大堤，西至30 m等高線，涉及面積3 973 km2。

2.3 基礎(chǔ)資料

（1）地形資料。主要包括滏陽新河河道縱橫斷面資料、分析范圍內(nèi)1∶10 000地形圖、常村潰口附近1∶2 000地形圖。

（2）水文資料。滏陽新河50 a一遇、“63·8”校核洪水流量過程，如圖1所示；保護區(qū)內(nèi)主要排瀝河道滏陽河及其支溝汪洋溝、邵村溝、胡堂排干、小西河、龍治河、天平溝、留楚排干20 a一遇瀝水過程，以較大支溝天平溝為例，如圖2所示；獻縣泛區(qū)水位過程線，如圖3所示。

（3）防洪工程。收集了保護區(qū)防洪工程分布情況，測量了滏陽新河、滏陽河、龍治河、天平溝等河道堤防及滹沱河南大堤的高程資料。

（4）交通道路。測量并收集整理了分析范圍內(nèi)阻水交通干線如大廣高速、黃石高速、青銀高速、邢衡高速、京九鐵路、石德鐵路、G307、G308的路面高程、過水橋涵尺寸。

（5）社會經(jīng)濟。根據(jù)各縣市2013年經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒，以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單元統(tǒng)計了區(qū)域社會經(jīng)濟指標，包括面積、地區(qū)生產(chǎn)總值、常住人口、耕地面積等指標。

圖1 滏陽新河設(shè)計洪水過程線

圖2 保護區(qū)排瀝河道天平溝設(shè)計瀝水過程線

圖3 獻縣泛區(qū)水位過程線

3 洪水演進分析

3.1 洪水分析模型及構(gòu)建思路

洪水分析模型選用丹麥水資源及水環(huán)境研究所開發(fā)的MIKE系列模型——MIKE11、MIKE21、MIKE FLOOD。該軟件目前廣泛應(yīng)用于世界各國有關(guān)水力工程的分析計算，計算的可靠性和準確性可以滿足本次洪水分析的要求。

將滏陽新河河道入流過程加入MIKE11模型，建立滏陽新河一維河道模型；利用MIKE21模型建立保護區(qū)二維非恒定流洪水演進模型，區(qū)內(nèi)各排澇河道澇水概化為點源加入到各河道入滏陽河口處；通過滏陽新河左堤常村潰口，利用MIKE FLOOD將一維河道模型與二維保護區(qū)模型進行耦合，實現(xiàn)河道洪水傳播與保護區(qū)洪水演進的同步交換與實時模擬。

為充分考慮保護區(qū)內(nèi)線狀構(gòu)筑物對洪水演進的影響，對高于地面0.5 m以上的線狀構(gòu)筑物，如道路、堤防，以堤壩（Dikes）的形式添加至模型中，并將每個線性地物在橋涵或不連續(xù)堤防位置斷開。

3.2 網(wǎng)格剖分

保護區(qū)二維計算采用MIKE21 FM不規(guī)則網(wǎng)格剖分，并將主要阻水建筑物加入網(wǎng)格生成器中參與網(wǎng)格生成，保證構(gòu)筑物落在不規(guī)則三角網(wǎng)的一個邊上。本次共剖分網(wǎng)格101 117個，計算節(jié)點51 155個，主要分為3個剖分區(qū)域。

（1）滏陽河。滏陽河為保護區(qū)內(nèi)的主要排澇河道，為提高模型計算的準確性和合理性，將河道內(nèi)作局部網(wǎng)格加密處理，最大網(wǎng)格面積控制在0.02 km2以內(nèi)。

（2）保護區(qū)東側(cè)。該區(qū)域緊鄰滏陽新河左堤，受洪水威脅較大，將此區(qū)域網(wǎng)格適當加密，最大網(wǎng)格面積控制在0.05 km2以內(nèi)。

（3）保護區(qū)西側(cè)。該區(qū)域距離滏陽新河較遠，且保護區(qū)西高東低，經(jīng)模型初步分析模擬后，受洪水威脅較小，故適當加大網(wǎng)格面積，最大網(wǎng)格面積控制在0.1 km2以內(nèi)。

網(wǎng)格剖分結(jié)果，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格剖分結(jié)果

3.3 參數(shù)選取

因滏陽新河無實測歷史洪水資料，無法進行參數(shù)率定與驗證。本次依據(jù)《子牙河流域防洪規(guī)劃報告》以及以往經(jīng)驗成果綜合考慮，滏陽新河主槽糙率選取0.022 5，灘地糙率選取0.05。保護區(qū)內(nèi)無實測潰堤洪水資料，糙率值按地形、地貌條件和地面特點[1]及類似項目進行取值，確定村莊糙率為0.1、林地糙率為0.065、耕地糙率為0.055。

洪水模擬時段設(shè)置為2016年3月1日至4月15日，共計45 d，主時間步長取15 s，共計259 200個步長單位。

選擇Smagorinsky系數(shù)方法設(shè)定渦粘系數(shù)，程序缺省值為0.28。

常村險工決口方式采用潰決方式，過程設(shè)定為漸潰，潰口發(fā)展時間設(shè)定為3 h，潰口深度選取潰至堤防兩側(cè)地面較高者，潰決時機為滏陽新河50 a一遇設(shè)計水位。

3.4 邊界條件確定

模型上邊界條件為滏陽新河50 a一遇、“63·8”校核洪水流量過程及保護區(qū)各排瀝河道20 a一遇瀝水過程，下邊界為獻縣泛區(qū)水位過程。

3.5 洪水模擬成果

滏陽新河50 a一遇標準洪水時，模擬結(jié)果顯示，在第5天左右，潰口處河道水位漲至潰決水位，堤防潰決，2 h后潰口流量達到最大為1 621.2 m3/s，之后潰口流量逐漸變小，至第12天逐漸變?yōu)? m3/s，后因退水較慢，潰口出流變?yōu)樨撝?，即保護區(qū)內(nèi)少量洪水返入滏陽新河，最終潰口出流逐漸趨于0 m3/s。洪水主要在滏陽新河左堤與滏陽河之間的夾道內(nèi)行洪，沿滏陽河方向向下游演進，直至滹沱河南大堤。部分洪水漫過滏陽河堤防，向西北方向演進，直至天平溝右堤。

滏陽新河“63·8”校核洪水時，在模型模擬的第3天左右，潰口處河道水位漲至潰決水位，堤防潰決，65 h后潰口流量達到最大為2 271.0 m3/s，后期亦存在保護區(qū)內(nèi)洪水返入滏陽新河現(xiàn)象。洪水演進過程起初與50 a一遇情形基本一致，部分洪水在夾道內(nèi)行洪，部分洪水漫過滏陽河堤防，向西北方向演進，至天平溝位置受到堤防阻擋，當洪水達到一定高度時漫過天平溝堤防，向北演進，直至滹沱河南大堤。

常村潰口流量過程線，如圖5所示。

圖5 常村潰口流量過程線

3.6 洪災(zāi)影響分析

根據(jù)洪水風險計算得到的淹沒范圍、淹沒水深等要素，結(jié)合保護區(qū)內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的社會經(jīng)濟情況，綜合分析評估洪水影響及損失情況。

50 a一遇標準時，保護區(qū)受淹面積為229.34 km2，淹沒農(nóng)田面積21 437.45 hm2，淹沒房屋面積1 288.34萬m2，受影響人口總數(shù)10.55萬人，受影響GDP為181 583.04萬元。

“63·8”校核洪水時，保護區(qū)受淹面積為641.77km2，淹沒農(nóng)田面積59 985.51 hm2，淹沒房屋面積3 511.63萬m2，受影響人口總數(shù)29.18萬人，受影響GDP為531 682.36萬元。

3.7 洪水風險圖繪制

洪水風險圖可直觀反映某個區(qū)域發(fā)生洪水后可能淹沒的范圍、水深等洪水要素[2]。本次選用基于ArcGIS平臺的中國水利水電科學(xué)研究院洪水風險圖繪制系統(tǒng)，繪制滏陽新河左堤防洪保護區(qū)的洪水

圖6 滏陽新河“63·8”校核洪水常村潰口洪水風險（淹沒水深）

風險圖[3]。風險圖顯示內(nèi)容主要包括：①地理底圖，包括居民地、主要河湖、渠道、主要交通道路、鄉(xiāng)鎮(zhèn)及以上行政界等信息；②水利工程要素，主要包括控制站、堤防、水閘、險工險段信息等；③洪水風險專題信息，包括淹沒水深、洪水流速、到達時間信息等。

將上述內(nèi)容放入繪制系統(tǒng)，并增加圖名、圖例、潰口流量過程線、淹沒損失情況及方案說明等內(nèi)容，繪制洪水風險圖。其中，滏陽新河“63·8”校核洪水常村潰口洪水風險（淹沒水深），如圖6所示。

4 應(yīng)對措施

洪水進入保護區(qū)后，主要通過滏陽河退入獻縣泛區(qū)。因滏陽河過流能力較低，且受滹沱河南大堤的阻擋，大量洪水滯留在保護區(qū)，致使洪災(zāi)損失較大。為加速退水，建議在滏陽河入獻縣泛區(qū)位置相機扒開滹沱河南大堤。

本次按滹沱河南大堤扒口寬度200 m，結(jié)合滏

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10.3969/j.issn.1004-7328.2017.04.010

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李會（1987—），女，工程師，主要從事水文規(guī)劃、防洪影響評價工作。