基于水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型的建設(shè)項(xiàng)目洪水風(fēng)險(xiǎn)分析

侯龍?zhí)?，張雪晶 ，陳 靜 ，張 濤

（1.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250013；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

對(duì)洪泛區(qū)、蓄滯洪區(qū)內(nèi)非防洪建設(shè)項(xiàng)目開展洪水影響評(píng)價(jià)，應(yīng)進(jìn)行洪水淹沒影響分析[1]，計(jì)算設(shè)計(jì)洪水或蓄滯洪區(qū)運(yùn)用條件下，建設(shè)項(xiàng)目的淹沒范圍、水深等要素。杜國平等[2]通過歷史洪痕高程及大斷面流量，點(diǎn)繪相應(yīng)斷面的水位-流量關(guān)系曲線，由計(jì)算流量插值得到浙江橫店機(jī)場所在斷面相應(yīng)的洪水位及水深，作為洪水風(fēng)險(xiǎn)分析的依據(jù)。張泓[3]采用一維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行河流模擬，計(jì)算了河道現(xiàn)狀防洪能力及洪水位，分析了洪水對(duì)渾南熱電廠可能造成的淹沒影響。采用上述 2 種方式進(jìn)行淹沒影響分析具有很大的局限性，難以滿足新時(shí)期大型建設(shè)項(xiàng)目洪水影響評(píng)價(jià)的需要。為此，以鄒平市貨運(yùn)鐵路物流站為例，采用一、二維耦合數(shù)學(xué)模型，分析項(xiàng)目區(qū)附近河道發(fā)生漫溢或潰堤時(shí)，建設(shè)項(xiàng)目面臨的淹沒風(fēng)險(xiǎn)，為物流站洪水影響評(píng)價(jià)提供支撐。

1 基本情況

1.1 區(qū)域概況

鄒平位于山東省中部偏北，為工業(yè)大縣，對(duì)大宗貨物的運(yùn)輸需求巨大。新建貨運(yùn)鐵路自膠濟(jì)線周村站引出，全長為 27.9 km，于鄒平市長山鎮(zhèn)毛張村東設(shè)鄒平物流站。物流站西臨孝婦河布置，主要承擔(dān)到達(dá)煤炭、鐵礦石和鋁土礦的卸車，以及發(fā)送鋼材、鋁制品和焦炭的裝車作業(yè)。根據(jù)方案設(shè)計(jì)，鄒平物流站緊鄰孝婦河右堤布置，該段孝婦河設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)較低，發(fā)生 100 年一遇洪水時(shí)，存在漫溢或潰決可能。

項(xiàng)目區(qū)地勢(shì)南高北低，呈傾斜式下降。地貌為山前傾斜沖洪積平原，土層深厚，土質(zhì)以輕壤土和中壤土為主。

項(xiàng)目區(qū)屬半濕潤、半干旱的大陸性氣候，四季分明，年平均氣溫為 12℃，年均降水量為 628 mm。降水量隨季節(jié)變化顯著，夏季降水量占全年降水量的 60% 以上。

項(xiàng)目區(qū)位于小清河支流孝婦河流域，周邊水系復(fù)雜，河流眾多，主要有小清河、杏花河、老塢河等，如圖1 所示。根據(jù)規(guī)劃，孝婦河鄒平市以上段設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為 50 年一遇，鄒平市及下游段設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為 20 年一遇。為解決孝婦河行洪能力上游大，中、下游小的矛盾，歷史上先后開挖了勝利河及勝利河分洪道，分洪入小清河，并在小清河與孝婦河之間另辟青紗湖蓄滯洪區(qū)。根據(jù)防洪預(yù)案，當(dāng)孝婦河呂家莊超保證水位時(shí)，爆破孝婦河左堤，利用勝利河及分洪道泄洪入小清河；當(dāng)勝利河河口水位超 12.37 m，爆破勝利河?xùn)|西兩堤，利用青紗湖滯洪[4]。

圖1 研究區(qū)現(xiàn)狀水系圖

擬建物流站南北向長約為 2.1 km，設(shè)計(jì)場坪標(biāo)高為 20.65 m，軌面高程為 21.69 m。物流站附近孝婦河右堤堤頂高程為 23.34～22.30 m。

1.2 基礎(chǔ)資料

本次模型分析所需要的基礎(chǔ)資料主要包括以下幾種：

1）地形資料。包括小清河、孝婦河、勝利河、杏花河河道縱橫斷面資料，分析范圍內(nèi) 1∶10 000 DEM 數(shù)據(jù)，項(xiàng)目區(qū) 1∶1 000 實(shí)測(cè)地形圖等。

2）水文資料。孝婦河（勝利閘以上）100 年一遇設(shè)計(jì)洪水流量過程，如圖2 所示；勝利河、杏花河河口處小清河 50 年一遇水位過程線，如圖3 所示。

3）防洪工程。收集了分析范圍內(nèi)防洪工程分布情況、現(xiàn)狀涵閘的過流能力及調(diào)度運(yùn)用方式，測(cè)量了孝婦河、勝利河等骨干河道堤頂高程。

4）社會(huì)經(jīng)濟(jì)資料。搜集了項(xiàng)目區(qū)最新統(tǒng)計(jì)年鑒，對(duì)影響范圍內(nèi)土地面積、人口、GDP 等指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。

圖2 孝婦河（勝利閘以上）設(shè)計(jì)洪水過程線

2 模型建立

2.1 研究方法

為反映新建鄒平物流站在孝婦河發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水河道潰堤或漫溢時(shí)面臨的洪水威脅，本次建立了小清河、杏花河 MIKE11，孝婦河及堤外保護(hù)區(qū)MIKE21，MIKE Flood 一、二維耦合等模型。共擬定 5 個(gè)計(jì)算工況，其中：潰堤工況 3 個(gè)，潰堤 + 暴雨工況 1 個(gè)，漫堤工況 1 個(gè)。

潰堤工況中，共擬定 3 個(gè)不同位置的潰口，分別模擬發(fā)生 100 年一遇設(shè)計(jì)洪水各潰口潰決時(shí)項(xiàng)目區(qū)淹沒情況。潰口選擇時(shí)綜合考慮了河道地形、工程現(xiàn)狀、歷史出險(xiǎn)等情況，同時(shí)兼顧潰壩后淹沒損失最大、風(fēng)險(xiǎn)最高等因素。經(jīng)比選，擬定楊家莊西、毛張村南、毛張村北等 3 處潰口，潰口寬度結(jié)合實(shí)地調(diào)查及經(jīng)驗(yàn)公式確定，在水位達(dá)到保證水位時(shí)刻瞬間潰決；模擬時(shí)考慮了所在區(qū)域防洪調(diào)度情況，先后啟用勝利河分洪道、青紗湖滯洪區(qū)，節(jié)制閘相繼排水。此外，增加了 1 個(gè)堤防潰決遭遇 100 年一遇暴雨的工況，以充分反映項(xiàng)目區(qū)淹沒風(fēng)險(xiǎn)。

漫溢工況中，充分考慮了孝婦河綜合治理工程實(shí)施后孝婦河各斷面的最大過流能力，經(jīng)分析，選取長山鎮(zhèn)駐地東關(guān)村北側(cè)作為上游漫溢口，大于下游河道最大過流能力的流量由該漫溢口分流。孝婦河左右堤、勝利河右堤、分洪道右堤采用綜合治理工程完工后的設(shè)計(jì)堤頂高程，允許洪水自由漫溢。

2.2 模型構(gòu)建

模型構(gòu)建過程主要包括以下幾點(diǎn)：

1）模擬范圍選取。本次模擬區(qū)域西側(cè)以孝婦河左堤、勝利河左堤、青紗湖左堤為界，北側(cè)以小清河右堤為界，東側(cè)以濱博高速公路為界，南側(cè)以會(huì)仙二路及其延長線為界。該區(qū)域南北長約為 19.8 km，東西寬約為 13.5 km，總面積約為 259.2 km2。

2）網(wǎng)格剖分。采用三角形網(wǎng)格對(duì)模擬區(qū)域進(jìn)行剖分，在高程變化不大、邊界平順的區(qū)域，適當(dāng)加大網(wǎng)格，以減少模型計(jì)算時(shí)間。在河道、堤防、道路等重要地物附近，將網(wǎng)格加密，以提高模擬精度，本次采用的最大網(wǎng)格面積為 3 000 m2，共劃分網(wǎng)格 34.2 萬個(gè)，如圖4，5 所示。

圖4 河道網(wǎng)格劃分圖

圖5 項(xiàng)目區(qū)網(wǎng)格劃分圖

3）特殊地物處理。本次考慮了模擬區(qū)域內(nèi)高于地面 0.5 m 的堤防、公路、鐵路等線狀地物，以體現(xiàn)其阻水和導(dǎo)流作用。

通過加高基礎(chǔ)、增大糙率的方式體現(xiàn)村莊阻水影響；通過在網(wǎng)格構(gòu)建時(shí)預(yù)留構(gòu)造線，后期人工修正的方式體現(xiàn)物流站場坪標(biāo)高。

4）糙率選取。本地區(qū)缺少潰堤洪水演進(jìn)實(shí)測(cè)資料，采用水力學(xué)手冊(cè)中的建議值[5]，對(duì)模擬區(qū)域內(nèi)村莊、耕地、道路、河道主槽、灘地及其他等地物設(shè)置不同的糙率n，分別為 0.080，0.050，0.030，0.025，0.040 和 0.050，以反映不同下墊面對(duì)洪水演進(jìn)的影響。

5）邊界條件。孝婦河入口、潴龍河、新月河匯入口給定 100 年一遇設(shè)計(jì)流量過程，勝利河、杏花河等河道匯入小清河處，給定水位過程。

6）方案匯總。各工況組合如表1 所示。

表1 計(jì)算方案匯總

3 結(jié)果及分析

3.1 模擬結(jié)果

根據(jù)模擬結(jié)果，孝婦河在不同位置潰堤時(shí)洪水對(duì)物流站的影響差別較大，為此以毛張村南潰口潰決（方案 II）為例，對(duì)該工況下物流站面臨的洪水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。根據(jù)模擬結(jié)果提取的潰口流量過程如圖6 所示。

圖6 毛張村南潰決（方案 II）潰口流量過程

3.1.1 潰堤洪水演進(jìn)過程

潰堤洪水演進(jìn)過程如圖7 所示。

潰堤洪水具體演進(jìn)過程分析如下：

1）潰堤開始 1 h。從圖7 a 可以看出，洪水自毛張村南側(cè)孝婦河右堤缺口潰堤，呈扇形向四周流動(dòng)，到達(dá)物流站后，受其阻隔，沿物流站邊緣向兩側(cè)擴(kuò)散。隨進(jìn)洪量增加，物流站西南側(cè)水位不斷抬高，一部分洪水進(jìn)入物流站，沿軌間道路、貨場向東北側(cè)演進(jìn)，物流站三分之一區(qū)域過水。

圖7 潰堤洪水演進(jìn)過程（方案 II）

2）潰堤開始 3 h。進(jìn)洪量為 129.64 萬 m3。從圖7 b 可以看出，洪水繼續(xù)向前推進(jìn)，沿物流站西側(cè)邊界向北流動(dòng)的洪水與漫過路基向東北推進(jìn)的洪水即將合為一股，物流站被洪水圍困，洪水前鋒到達(dá)李富村附近。物流站 70% 以上區(qū)域被淹沒。

3）潰堤開始 12 h。進(jìn)洪量為 663.25 萬 m3。從圖7 c 可以看出，物流站 90% 區(qū)域被淹沒，洪水沿地勢(shì)繼續(xù)向東北向演進(jìn)。隨著孝婦河干流洪水消退，潰口流量減少，物流站內(nèi)淹沒水深開始下降。

4）潰堤開始 24 h。潰堤過程結(jié)束，總進(jìn)洪量為734.55 萬 m3。從圖7 d 可以看出，物流站水位大幅降低，軌道路基露出水面。洪水前鋒逐漸坦化，一部分蓄積在沿程低洼地帶，一部分進(jìn)入河網(wǎng)，隨后匯入小清河。

3.1.2 淹沒水深

毛張村南側(cè)潰堤時(shí)，物流站大部分區(qū)域被洪水淹沒，其中：靠近潰口的西南角淹沒水深最大，達(dá)到 0.83 m；東北角水深最淺，約為 0.11 m；大部分區(qū)域淹沒水深在 0.50 m 左右。

物流站周圍均有一定程度的淹沒，其中：緊鄰潰口西南角地勢(shì)低洼，水深可達(dá) 2.03 m；物流站西側(cè)、北側(cè)水深在 0.20～1.15 m 之間，東側(cè)稍低，水深在 0.10～0.92 m 之間，東南側(cè)水深最淺，在 0.15～0.45 m 之間。各區(qū)域淹沒水深如圖8 所示。

圖8 最大淹沒水深分布（方案 II）

3.1.3 最大流速

最大流速出現(xiàn)在潰口附近及物流站西側(cè)邊墻外，其中潰口附近流速可達(dá) 2.05 m/s，隨后迅速降低，至物流站附近，流速降低至 0.65 m/s；物流站西南角距潰口較近，流速為 0.40～0.65 m/s；向東北側(cè)逐漸降低，至最北側(cè)流速為 0.10～0.20 m/s。

3.1.4 淹沒歷時(shí)

物流站淹沒時(shí)間最長的區(qū)域位于距離潰口最近的西南角，淹沒時(shí)長達(dá) 1.26 d；其余大部分區(qū)域?yàn)?.20～0.50 d。

除毛張村南側(cè)潰口外，其他 2 處潰口潰決對(duì)項(xiàng)目區(qū)淹沒風(fēng)險(xiǎn)較小，其中：楊家莊西側(cè)堤防潰決時(shí)（方案 I），大部分洪水則從物流站東、西兩側(cè)繞過，物流站基本未進(jìn)水。毛張村北側(cè)堤防潰決時(shí)（方案 III），大部分洪水從物流站北側(cè)與丁公村之間的區(qū)域流向東北，小股洪水沿物流站西側(cè)邊墻向南流動(dòng)，物流站幾乎未受洪水影響。

孝婦河在位于物流站上游 6 km 處的東關(guān)村南（方案 IV）發(fā)生漫溢時(shí)，物流站未進(jìn)水，對(duì)鐵路安全運(yùn)行影響較小。

堤防潰決與暴雨內(nèi)澇遭遇時(shí)（方案 V），項(xiàng)目區(qū)淹沒情況與潰堤方案差別不大，淹沒水深小幅增加，淹沒區(qū)域基本一致。

3.2 減輕或消除洪水影響的措施

為了減輕或消除洪水對(duì)物流站的影響，建議采取以下補(bǔ)救措施：

1）優(yōu)化物流站場坪標(biāo)高。建議物流站設(shè)計(jì)單位根據(jù)本次模擬成果，對(duì)物流站場坪標(biāo)高進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

2）孝婦河右堤加高加固?？紤]到保護(hù)對(duì)象的重要性及潰堤后的嚴(yán)重后果，建議局部提升孝婦河防洪標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)右堤進(jìn)行加高加固。近期提升孝婦河右堤標(biāo)準(zhǔn)至 50 年一遇，遠(yuǎn)期提升至 100 年一遇，全長為 14 km；此外，對(duì)項(xiàng)目區(qū)附近孝婦河右堤 4 處彎道頂沖段進(jìn)行護(hù)砌，全長為 0.75 km。

4 結(jié)語

本研究采用一、二維耦合水動(dòng)力模型對(duì)擬建物流站所在區(qū)域進(jìn)行了模擬，得到孝婦河右堤不同位置漫溢或潰決時(shí)項(xiàng)目區(qū)淹沒水深、流速、淹沒歷時(shí)等特征數(shù)據(jù)。通過本次模擬，為鄒平物流站洪水影響分析及場坪標(biāo)高優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)，對(duì)防汛指揮部門安排抗洪救災(zāi)、避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移也具有一定的指導(dǎo)意義。本研究可為類似建設(shè)項(xiàng)目洪水影響分析評(píng)價(jià)提供一定的參考。