黃河濮陽(yáng)段防洪保護(hù)區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)分析

郜國(guó)明 李書(shū)霞 郭曉明 鄧宇

摘要：繪制洪水風(fēng)險(xiǎn)圖是實(shí)施洪水管理的重要手段之一。以黃河下游防洪形勢(shì)最為復(fù)雜的濮陽(yáng)河段為研究對(duì)象，基于MIKE21FM模型，模擬分析該河段的三處堤防分別出現(xiàn)潰決后潰堤洪水在防洪保護(hù)區(qū)內(nèi)的演進(jìn)過(guò)程，繪制三處潰口的最大淹沒(méi)水深分布圖，并通過(guò)糙率敏感性分析說(shuō)明了模擬結(jié)果的合理性。相關(guān)成果可為防汛指揮部門(mén)制定相應(yīng)的防洪減災(zāi)措施提供科技支撐，建模方法也可為模擬該河段的其他潰口提供參考。

關(guān)鍵詞：洪水；風(fēng)險(xiǎn)；MIKE；淹沒(méi)；模擬；黃河濮陽(yáng)段

中圖分類(lèi)號(hào)：TV122+.4；TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.008

1 引言

洪水風(fēng)險(xiǎn)圖作為重要的非工程防洪措施，可直觀(guān)地顯示區(qū)域內(nèi)的淹沒(méi)水深、洪水到達(dá)時(shí)間、淹沒(méi)歷時(shí)等信息，已經(jīng)成為近年來(lái)防災(zāi)減災(zāi)管理的重要依據(jù)，是由“控制洪水”向“管理洪水”觀(guān)念轉(zhuǎn)變的具體體現(xiàn)。洪水風(fēng)險(xiǎn)圖是洪水分析計(jì)算成果的直觀(guān)顯示，而洪水分析目前主要有歷史水災(zāi)法、水文學(xué)法和水力學(xué)法。本文選擇水力學(xué)法，并從國(guó)家防辦公布的《重點(diǎn)地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制項(xiàng)目軟件名錄》中選擇MIKFE軟件，利用其中的MIKE21模型建立洪水分析模型。該軟件主要用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環(huán)境等，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用，其一、二維洪水模擬技術(shù)已經(jīng)比較成熟。

黃河下游的洪水災(zāi)害重在河南，而河南的重災(zāi)區(qū)則在濮陽(yáng)。黃河的“善淤、善決、善徙”在濮陽(yáng)河段表現(xiàn)得尤為突出，該河段是黃河下游河道變遷最頻繁的河段之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在黃河下游26次大的改道中，決口地點(diǎn)直接發(fā)生在濮陽(yáng)境內(nèi)的就有6次。濮陽(yáng)段防洪保護(hù)區(qū)內(nèi)分布有中原油田、京九鐵路、京滬高鐵、京滬高速等大量重要基礎(chǔ)設(shè)施，一旦黃河堤防決口，經(jīng)濟(jì)損失不可估量。為了將決口可能造成的損失降低到最低，需要了解決口后的洪水淹沒(méi)情況。本文即以濮陽(yáng)段防洪保護(hù)區(qū)為研究對(duì)象，基于MIKE21模型分析該河段潰堤后防洪保護(hù)區(qū)的洪水風(fēng)險(xiǎn)。

2 研究區(qū)域概況

黃河濮陽(yáng)段決口后，洪水將首先進(jìn)入北金堤滯洪區(qū)。該區(qū)位于北金堤與黃河大堤之間，西南東北走向，上寬下窄，呈羊角形，地勢(shì)西高東低，主要包括滑縣和長(zhǎng)垣縣東部、濮陽(yáng)縣大部、范縣和臺(tái)前縣的全部，滯洪區(qū)的退水口設(shè)在臺(tái)前縣張莊閘，見(jiàn)圖l。若潰口后進(jìn)入北金堤滯洪區(qū)的洪水總量超過(guò)其設(shè)計(jì)分洪總量20.73億m3，洪水可能漫過(guò)北金堤，進(jìn)人山東省的聊城、德州和濱州地區(qū)，最后進(jìn)入渤海，見(jiàn)圖2。

保護(hù)區(qū)涉及河南、山東兩省的新鄉(xiāng)、濮陽(yáng)、聊城、德州、濱州5個(gè)地級(jí)市，歷史上黃河沉積、淤塞、決口、改道等造就了該區(qū)域平地、崗、洼、沙丘、溝河相間的地貌特征，屬中原經(jīng)濟(jì)區(qū)糧食生產(chǎn)核心區(qū)、中原油田油氣主產(chǎn)區(qū)、環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈，2013年保護(hù)區(qū)涉及的縣（市、區(qū)）GDP共計(jì)7329.67億元，耕地2212166hm2，人口2068.6萬(wàn)人，人均GDP達(dá)35433元。區(qū)域內(nèi)主要河流有黃河、金堤河、天然文巖渠、徒駭河、馬頰河等。

3 數(shù)學(xué)模型

3.1 控制方程

為了準(zhǔn)確擬合研究區(qū)域的不規(guī)則邊界，選用MIKE21中的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模型MIKE21FM進(jìn)行模擬。MIKE21FM是基于平面二維不可壓縮流體雷諾平均應(yīng)力方程[式（1）～式（6）]開(kāi)發(fā)的。式中：u和v分別為垂向平均流速在x與y方向的分量：t為時(shí)間；x、y與z為笛卡兒坐標(biāo)；η為河底高程：d為靜水水深；h為總水頭；u、v分別為x、y方向的速度分量；g為重力加速度；P為水的密度；sxx、sxy、syx、syy為輻射應(yīng)力分量：Pa為大氣壓強(qiáng)；Po為水的相對(duì)密度：s為點(diǎn)源流量；us、vs為源匯項(xiàng)的流速；Txx、Txy和Tyy為側(cè)向應(yīng)力項(xiàng)；Tsx和Tsy為水面風(fēng)應(yīng)力；Thx和Thy為水底摩擦力。

模型模擬的范圍如圖2所示，其中下側(cè)和右側(cè)以黃河大堤為界。為了包含所有淹沒(méi)區(qū)域，經(jīng)過(guò)多次試算后，確定了左側(cè)邊界。上側(cè)邊界為渤海灣的海岸線(xiàn)向外延伸后所得。確定模擬范圍后，采用MIKF21FM模型，基于不規(guī)則網(wǎng)格對(duì)模擬區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)區(qū)域內(nèi)的金堤河、馬頰河和徒駭河進(jìn)行網(wǎng)格加密。整個(gè)區(qū)域的網(wǎng)格總數(shù)為205394個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為106840個(gè)。

3.2 口門(mén)設(shè)置

本次洪水風(fēng)險(xiǎn)分析選擇歷史上曾多次發(fā)生險(xiǎn)情的馮樓、牛寨、廖橋作為潰口，分析這3處堤防發(fā)生潰決后，洪水在防洪保護(hù)區(qū)內(nèi)的演進(jìn)過(guò)程。根據(jù)黃河口門(mén)分洪過(guò)程的相關(guān)研究成果，采用一維河道模型將花園口近千年一遇的設(shè)計(jì)洪水（1982年典型洪水）演進(jìn)至潰口附近斷面，得到該斷面的流量過(guò)程。采用文獻(xiàn)[7]中的潰口分流比方法計(jì)算得到每個(gè)潰口的流量過(guò)程。該方法認(rèn)為：決口48h內(nèi)，口門(mén)分洪流量占斷面流量的比例由60%線(xiàn)性增加至80%；48h后分流比進(jìn)一步增大；4d之后全河奪流，分洪比例達(dá)到100%，計(jì)算所得的分洪總量見(jiàn)表1。

3.3 參數(shù)與邊界條件

根據(jù)研究區(qū)域1：50000全要素基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，提取研究區(qū)域內(nèi)的土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)，并依據(jù)《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制導(dǎo)則》設(shè)置不同土地類(lèi)型的糙率。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)北金堤處于洪水演進(jìn)的主流路上，受洪水的頂沖作用較強(qiáng)。結(jié)合近年北金堤發(fā)生的管涌和滲漏等險(xiǎn)情數(shù)據(jù)，模擬計(jì)算時(shí)認(rèn)為莘縣古城三里營(yíng)和陽(yáng)谷縣孟堤口為最薄弱的堤段，在堤前水位低于堤頂2.5m時(shí)會(huì)發(fā)生潰決。由于MIKE21FM模型需指定每個(gè)潰口發(fā)生潰決的具體時(shí)刻，因此初次計(jì)算時(shí)，假定北金堤不發(fā)生潰決，根據(jù)兩處潰口前的水位變化過(guò)程，確定各自堤前水位達(dá)到低于堤頂2.5m的時(shí)刻：再次計(jì)算時(shí)，則將兩個(gè)潰口設(shè)定在相應(yīng)時(shí)刻發(fā)生潰決。

研究區(qū)域內(nèi)分布有眾多的高速公路、國(guó)道、省道、鐵路和引水干渠等大型線(xiàn)性建筑物，對(duì)洪水演進(jìn)有明顯的影響。本次模擬考慮了京臺(tái)高速等16條公路和京滬線(xiàn)等10條鐵路，以及南水北調(diào)東線(xiàn)干渠、位山引黃干渠、馬頰河、徒駭河、漳衛(wèi)新河、德惠新河等河流的堤防（見(jiàn)圖2），采用MIKF21FM模型中的DIKE建筑物功能模擬其擋水作用。對(duì)于線(xiàn)性建筑物沿線(xiàn)的橋梁和涵洞，因數(shù)量巨大，故根據(jù)所處的地形特征將鄰近的橋涵進(jìn)行合并處理。

4 模擬結(jié)果

4.1 馮樓

馮樓處堤防發(fā)生潰決時(shí)，潰口洪水以潰口為中心呈扇形向外擴(kuò)散，潰堤6h后，洪水淹沒(méi)長(zhǎng)垣縣城，越過(guò)新石鐵路：潰堤24h后，洪水受西側(cè)的大廣高速公路阻隔，而繼續(xù)向東北方向演進(jìn)，進(jìn)入北金堤滯洪區(qū)；48h后，洪水到達(dá)金堤河，受北金堤阻擋，洪水沿金堤河向下演進(jìn)；120h后，洪水到達(dá)北金堤起點(diǎn)，滯洪區(qū)內(nèi)的水位持續(xù)上升：240h之后，洪水從北金堤沿線(xiàn)的三里營(yíng)和孟堤口兩處潰口進(jìn)入山東陽(yáng)谷縣境內(nèi)，之后沿徒駭河和馬頰河之間區(qū)域向東北方向演進(jìn)，前鋒到達(dá)禹城市：480h之后，洪水沿徒駭河進(jìn)人渤海，最終淹沒(méi)面積17354.42km2，見(jiàn)圖3（a）。

4.2 牛寨

牛寨處堤防發(fā)生潰決時(shí)，潰口洪水以潰口為中心呈扇形向外擴(kuò)散，潰堤24h后，洪水到達(dá)北金堤并沿金堤河向下游演進(jìn)；潰堤48h后，洪水淹沒(méi)范縣縣城，繼續(xù)沿金堤河向臺(tái)前方向演進(jìn)：潰堤120h后，洪水從北金堤沿線(xiàn)的三里營(yíng)和孟堤口兩處潰口進(jìn)人山東陽(yáng)谷縣境內(nèi)；潰堤480h后，洪水沿徒駭河進(jìn)入渤海，最終淹沒(méi)面積16474.15km2，見(jiàn)圖3（b）。

4.3 廖橋

廖橋處堤防發(fā)生潰決時(shí)，潰口洪水以潰口為中心呈扇形向外擴(kuò)散，潰堤6h后，洪水淹沒(méi)范縣縣城，前鋒即將到達(dá)北金堤；潰堤24h后，洪水越過(guò)京九鐵路，到達(dá)臺(tái)前縣城：潰堤48h后，洪水到達(dá)北金堤張莊閘，滯洪區(qū)內(nèi)的水位持續(xù)上升：潰堤96h后，洪水從北金堤沿線(xiàn)的三里營(yíng)和孟堤口兩處潰口進(jìn)入山東省的陽(yáng)谷、莘縣境內(nèi)，前鋒到達(dá)聊城市；潰堤240h后，部分洪水越過(guò)徒駭河到達(dá)商河縣，沿徒駭河北側(cè)演進(jìn)：潰堤480h后，部分洪水進(jìn)入渤海，最終淹沒(méi)面積15758.56km2，見(jiàn)圖3（c）。

4.4 敏感性分析

由于該保護(hù)區(qū)面積較大，且中華人民共和國(guó)成立以來(lái)未發(fā)生一起潰口決堤事件，因此缺乏實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證本次計(jì)算結(jié)果。為說(shuō)明計(jì)算結(jié)果、合理性，對(duì)模型進(jìn)行敏感性分析，以證明模型選擇的參數(shù)是合理的，進(jìn)而也間接證明計(jì)算結(jié)果是可靠的。敏感性分析是針對(duì)模型參數(shù)取值的不確定性對(duì)模擬結(jié)果的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，它是建立水動(dòng)力學(xué)模型和合理預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)和前提。本文的敏感性分析是通過(guò)增大或減小模型中的重要參數(shù)——糙率，觀(guān)察其對(duì)主要模擬結(jié)果——最終淹沒(méi)面積的影響，以此判定該關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置的合理性，為確定符合實(shí)際的水動(dòng)力參數(shù)提供支撐。

以牛寨潰口為例，設(shè)置3個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比分析：方案一為本次計(jì)算采用的糙率值：方案二比方案一增大20%：方案三比方案一減小20%。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，方案二和方案三洪水最終淹沒(méi)面積分別為16302.82和16640.24km2，與方案一相比，方案二淹沒(méi)面積減小約1.03%，方案三增大約I.Ol%，變化幅度在合理范圍內(nèi)，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的增大或減小，說(shuō)明建模選擇的糙率值是合理的，淹沒(méi)范圍是可信的。

5 結(jié)論

以黃河下游濮陽(yáng)段防洪保護(hù)區(qū)為例，利用MIKF21FM模型建立了平面二維水動(dòng)力學(xué)模型，分析了馮樓、廖橋、牛寨三處發(fā)生潰堤后的洪水演進(jìn)過(guò)程，繪制了每個(gè)潰口的最大淹沒(méi)水深分布圖。雖然歷史上該河段多次決口，但年代久遠(yuǎn)，缺乏具體的淹沒(méi)范圍數(shù)據(jù)，無(wú)法對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。為此，通過(guò)對(duì)模型的重要參數(shù)——糙率進(jìn)行敏感性分析，表明模型所采用的糙率值是合理的，進(jìn)而也間接證明了模擬結(jié)果是可信的。

濮陽(yáng)河段河勢(shì)復(fù)雜多變，潰口發(fā)生位置極具不確定性，但由上述3個(gè)潰口的洪水演進(jìn)過(guò)程可以看出，該河段的潰口洪水都是先進(jìn)入北金堤蓄滯洪區(qū)。如果潰口洪水總量低于北金堤蓄滯洪區(qū)的設(shè)計(jì)分洪總量，則北金堤不會(huì)發(fā)生潰決，可以利用張莊閘向黃河排洪，淹沒(méi)范圍僅限于蓄滯洪區(qū)：否則，北金堤則會(huì)出現(xiàn)潰決，洪水進(jìn)入山東境內(nèi)的聊城、德州和濱州，最后進(jìn)入渤海，這種情況的淹沒(méi)范圍明顯增大。模擬其他潰口時(shí)所用的邊界條件都與本研究類(lèi)似，故本研究建立模型的方法及選用的邊界條件可為模擬其他潰口提供借鑒。