黃河衛(wèi)寧段河南潰堤洪水風(fēng)險(xiǎn)及溝渠倒灌影響

岳志春 周躍華 曹魯贛 RIZWAN Qadir

摘 要：黃河衛(wèi)寧段河南潰堤洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較大，引排水溝渠倒灌危害較為嚴(yán)重，威脅沿岸交通、通信、水利工程等基礎(chǔ)設(shè)施以及人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，為加強(qiáng)洪災(zāi)預(yù)防與應(yīng)對(duì)措施建設(shè)，基于一、二維水動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬方法及溝渠倒灌影響評(píng)估方法，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與內(nèi)邊界處理技術(shù)合理優(yōu)化了復(fù)雜邊界與線狀地物阻擋水效果，建立了考慮排水溝渠倒灌影響的潰堤風(fēng)險(xiǎn)分析精細(xì)化仿真模型，并將其應(yīng)用于黃河衛(wèi)寧段河南保護(hù)區(qū)潰堤洪水演進(jìn)模擬，并評(píng)估了引排水溝渠倒灌影響。結(jié)果表明：所建模型能較精確地模擬衛(wèi)寧段河南保護(hù)區(qū)遭遇100 a一遇洪水堤防潰決造成的淹沒風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)衛(wèi)寧段河南保護(hù)區(qū)遭遇100 a一遇洪水在泉眼山處潰堤時(shí)，躍進(jìn)渠、七星渠和張?jiān)蠈⒉话l(fā)生倒灌退水現(xiàn)象，南河子溝將發(fā)生倒灌退水現(xiàn)象，南河子溝倒灌長(zhǎng)度為3 910 m。

關(guān)鍵詞：一、二維耦合模型;精細(xì)化仿真;倒灌;引排水溝渠;潰堤洪水;黃河衛(wèi)寧段

中圖分類號(hào)：TV131.2;TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.04.012

引用格式：岳志春，周躍華，曹魯贛，等.黃河衛(wèi)寧段河南潰堤洪水風(fēng)險(xiǎn)及溝渠倒灌影響[J].人民黃河，2021，43（4）：67-71.

Abstract： Dam-Break flood occurs frequently in the Weining Reach of the Yellow River and the damage of backward flowing in dike-through drainage ditches is very serious. In order to strengthen flood prevention and response measures， a refined simulation model for the risk analysis of the breakwater considering the influence of the drainage ditch backflow was established， which was based on 1D and 2D hydrodynamic numerical simulation method and influence evaluation method for backward flowing in dike-through drainage ditches. The complex boundary and linear features blocking water effect were reasonably optimized by using unstructured grid and internal boundary processing technology and the study was applied to the simulation of the flooding evolution of the Weining Henan protection area in the Ningxia reach of the Yellow River. The impact characteristics of the dike-through drainage ditches were evaluated. The result shows that the model can accurately simulate the flooding risk caused by the dam-break flood with frequency of 100-year in Weining Henan protection area and evaluate the influence characteristics of backward flowing in dike-through drainage ditches. When the dam-break flood with frequency of 100-year occurred in the area， there will be no backflow in the Yuejin， Qixing and Zhanggou ditches. There will be backflow in the Nanhezi ditches and the backward flow length of Nanhezi ditches is 3 910 m.

Key words： 1D and 2D coupled model; fine simulation; backward flow; dike-through drainage ditches; dam-break flood; Ningxia reach of the Yellow River

黃河衛(wèi)寧段河南潰堤洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較大，引排水溝渠倒灌危害較為嚴(yán)重，威脅沿岸交通、通信、水利工程等基礎(chǔ)設(shè)施以及人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，研究河道潰決分流過程及淹沒區(qū)洪水演進(jìn)過程，分析淹沒區(qū)潰堤洪水淹沒范圍、最大水深和蓄洪量等特性，研究溝渠倒灌退水長(zhǎng)度等風(fēng)險(xiǎn)特征，對(duì)減輕洪水災(zāi)害損失及防洪減災(zāi)決策有重要意義。近年來，相關(guān)學(xué)者針對(duì)一、二維水動(dòng)力耦合模型的研究較多。Lowe等[1]將MIKE FLOOD一、二維水動(dòng)力學(xué)模型與DAnCE4Water城市發(fā)展模型結(jié)合，系統(tǒng)地測(cè)試了各類洪水風(fēng)險(xiǎn)防治工程。苑希民等[2-3]基于全二維氣相色譜理論提出全二維水動(dòng)力學(xué)模型概念，建立了模擬黃河寧蒙段河道與左右岸灌區(qū)洪水演進(jìn)的漫潰堤洪水聯(lián)算全二維水動(dòng)力模型;建立潰堤洪水和暴雨多源洪水耦合的數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用于淮河干流鳳臺(tái)段防洪保護(hù)區(qū)多源洪水運(yùn)動(dòng)耦合模擬。Jakub等[4]利用高精度無人機(jī)測(cè)量了流域三維地形，并建立了二維水動(dòng)力學(xué)模型。田福昌等[5]建立山洪溝道潰堤洪水演進(jìn)一、二維水動(dòng)力耦合數(shù)值模擬模型，分析評(píng)估潰堤山洪淹沒風(fēng)險(xiǎn)。郭立兵等[6]基于Saint-Venant方程組和Villemonte堰流公式構(gòu)建了防沖建筑物壅水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估水動(dòng)力模型，并應(yīng)用于防沖建筑物分布密集的寧夏北武當(dāng)溝，所建模型能夠較精確地模擬山洪演進(jìn)過程和防沖建筑物壅水風(fēng)險(xiǎn)。雖然一、二維水動(dòng)力耦合模型已得到較多應(yīng)用，但是關(guān)于河道潰堤洪水演算、河道洪水倒灌支流分析及溝渠堤防洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的應(yīng)用研究比較少見。

本研究基于一、二維水動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬方法及溝渠倒灌影響評(píng)估方法，以寧夏衛(wèi)寧段河南保護(hù)區(qū)為研究對(duì)象，建立考慮排水溝渠倒灌影響的潰堤風(fēng)險(xiǎn)分析精細(xì)化仿真模型，模擬河道堤防潰決造成的洪水淹沒風(fēng)險(xiǎn)，并評(píng)估引排水溝渠倒灌影響，為河道潰堤洪水精細(xì)仿真模擬與溝渠倒灌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供技術(shù)支撐。

1 模型原理

1.1 河道一維水動(dòng)力學(xué)模型

本研究基于Saint-Venant方程組建立黃河衛(wèi)寧段河道一維水動(dòng)力學(xué)模型[7-8]，利用Priessmann四點(diǎn)隱式格式求解該方程組。Saint-Venant方程組為

1.2 保護(hù)區(qū)二維水動(dòng)力學(xué)模型

對(duì)于防洪保護(hù)區(qū)水流運(yùn)動(dòng)，水力學(xué)要素在平面上的變化遠(yuǎn)大于沿水深方向的變化，水流運(yùn)動(dòng)可以采用平面二維淺水方程來描述[9-10]，方程形式如下：

1.3 河道與保護(hù)區(qū)一、二維潰堤耦合模型

河道與保護(hù)區(qū)一、二維潰堤耦合模型主要是指時(shí)間耦合、空間耦合以及動(dòng)態(tài)分流，實(shí)現(xiàn)寬淺河道與淹沒區(qū)的動(dòng)態(tài)耦合，在潰口耦合位置處采用寬頂堰公式計(jì)算側(cè)向分流量，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算耦合處水流信息的交互，河道和洪泛區(qū)之間水量不斷交換，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡[11-13]。寬頂堰流公式為

1.4 溝渠倒灌影響評(píng)估方法

基于一、二維水動(dòng)力學(xué)耦合模型，計(jì)算潰堤洪水演進(jìn)過程，提取引排水溝渠附近的河道水位H1?；贕IS，利用DEM數(shù)據(jù)提取河岸高程H2、引排水溝渠控制工程底高程H3和引排水溝渠控制工程頂高程H4。通過比較H1、H2、H3和H4，確定引排水溝渠洪水倒灌情況。如果H1H4，洪水將從渠道控制工程頂部溢流，利用式（7）計(jì)算溝渠倒灌退水長(zhǎng)度[14]。

式中：L為溝渠倒灌退水長(zhǎng)度，m;H5為堤防排水溝排水口處的最高洪水位，m;H6為堤防排水溝渠的設(shè)計(jì)排水高度，m;i為溝渠的設(shè)計(jì)比降。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 研究區(qū)域概況

寧夏衛(wèi)寧段河南保護(hù)區(qū)位于中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)和中寧縣境內(nèi)，青銅峽水庫(kù)上游，大部分為黃河峽谷地帶，上起沙坡頭水利樞紐，下至青銅峽水庫(kù)庫(kù)尾，保護(hù)區(qū)面積664.9 km2。區(qū)內(nèi)有黃河一級(jí)支流清水河，以及大量的引排水渠;黃河干流水文站有下河沿站，水位站有申灘站、康灘站及白馬站;交通線有109國(guó)道，省道寧衛(wèi)線、中鳴線。黃河大堤經(jīng)過治理，達(dá)到20 a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)，但河道多彎曲，部分河段堤防沖淘嚴(yán)重，右岸泉眼山控導(dǎo)工程存在較大風(fēng)險(xiǎn);部分引排水渠已治理，如七星渠、南河子溝等，具有一定的阻水導(dǎo)水作用，部分渠首渠尾控制工程缺乏或老舊，導(dǎo)致黃河高水位時(shí)發(fā)生較嚴(yán)重的倒灌。

2.2 模型構(gòu)建

2.2.1 河道一維水動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建

將2012年3號(hào)洪水作為典型洪水，利用洪峰流量同倍比放大法，推求下河沿水文站100 a一遇設(shè)計(jì)洪水過程。利用圣維南方程組建立下河沿站至白馬站河道一維水動(dòng)力模型，上游入流邊界條件為下河沿水文站100 a一遇流量過程見圖1;下游出流邊界條件為白馬站控制斷面水位—流量關(guān)系見圖2。衛(wèi)寧河段全長(zhǎng)85.24 km，共設(shè)置45個(gè)計(jì)算斷面，其中河道上、下游出入流斷面見圖3和圖4。研究區(qū)考慮的主要阻水建筑物有109國(guó)道、長(zhǎng)鳴鄉(xiāng)道，溝渠有七星渠、康灘渠、柳青渠、南北渠、北灘渠和朱灘渠等。

為保證模型計(jì)算穩(wěn)定和結(jié)果精度，模型設(shè)定計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為10 s，輸出時(shí)間步長(zhǎng)為1 h。參數(shù)為模型正式起算時(shí)邊界條件起始值，初始水深即為模型計(jì)算時(shí)河道各斷面水深，利于模型穩(wěn)定運(yùn)行。河道糙率是對(duì)河道一維水動(dòng)力模型精度影響較大的參數(shù)，對(duì)2012年第3號(hào)洪水過程進(jìn)行模擬，并提取相關(guān)斷面水位流量數(shù)據(jù)，根據(jù)2012年大斷面實(shí)測(cè)最高水位和沿程各水文站的水位過程進(jìn)行模型率定，最終確定衛(wèi)寧河道糙率為0.025～0.036。

2.2.2 防洪保護(hù)區(qū)二維水動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建

采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與內(nèi)邊界處理技術(shù)合理優(yōu)化復(fù)雜邊界與線狀地物阻擋水效果，模型內(nèi)特殊邊界處理主要包括對(duì)于道路、涵洞、灌渠渠堤等的概化處理，模型將其作為線性邊界處理。采用不規(guī)則三角形網(wǎng)格對(duì)防洪保護(hù)區(qū)進(jìn)行剖分，在潰口和線狀地物等處進(jìn)行網(wǎng)格局部加密處理，防洪保護(hù)區(qū)整體網(wǎng)格邊長(zhǎng)為90 m，局部加密網(wǎng)格邊長(zhǎng)為60 m。按不同的土地利用及地形地貌情況進(jìn)行糙率分區(qū)處理，按研究區(qū)域土地利用情況進(jìn)行糙率分區(qū)，房屋建筑區(qū)域糙率設(shè)為0.100，農(nóng)田糙率設(shè)為0.040，湖泊水域糙率設(shè)為0.035。為保證模型穩(wěn)定運(yùn)行且具有較高運(yùn)行效率，淹沒區(qū)二維模型的最大時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為10 s，最小時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 s。泉眼山處堤防發(fā)生潰決之前，保護(hù)區(qū)內(nèi)初始無積水，即設(shè)定初始水深為0。

2.2.3 潰口選取及設(shè)定

考慮衛(wèi)寧段河南保護(hù)區(qū)可能遭遇的最大洪水風(fēng)險(xiǎn)，綜合河勢(shì)地形、地質(zhì)狀況、工程狀況和歷史出險(xiǎn)情況，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查確定倒灌溝渠位置為南河子溝，確定潰口位置為衛(wèi)寧河段右岸泉眼山控導(dǎo)工程段。衛(wèi)寧河段泉眼山控導(dǎo)工程段潰口寬度為200 m，設(shè)定堤防潰決方式為瞬間全潰。模型將潰口概化為側(cè)向建筑物，潰口發(fā)生時(shí)刻為河道水位等于堤防設(shè)計(jì)洪水水位，即1 188.19 m。采用側(cè)向建筑物連接方式，實(shí)現(xiàn)河道一維水動(dòng)力模型與淹沒區(qū)平面二維水動(dòng)力模型之間潰口分流的動(dòng)態(tài)耦合，實(shí)時(shí)耦合計(jì)算河道洪水潰口分流淹沒風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.4 倒灌溝渠選取及影響評(píng)估

倒灌（退水）口的入流計(jì)算邊界根據(jù)河道一維模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行提取，倒灌口入流計(jì)算邊界選取與潰口分洪同時(shí)段對(duì)應(yīng)的水位變化過程。根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，提取各可能發(fā)生倒灌的溝渠倒灌口處的水位過程，進(jìn)行倒灌分析。在DEM數(shù)據(jù)中，依據(jù)溝渠的走勢(shì)和地形變化，確定各溝渠的比降;結(jié)合倒灌口水位差和溝渠比降，利用式（7）推算倒灌長(zhǎng)度。

2.3 洪水風(fēng)險(xiǎn)分析

2.3.1 堤防潰口分流及溝渠倒灌影響評(píng)估

當(dāng)衛(wèi)寧段河南保護(hù)區(qū)遭遇100 a一遇洪水在泉眼山處潰堤時(shí)，潰口寬度199 m，堤防潰決方式為瞬間全潰。模型將潰口概化為側(cè)向建筑物，潰口發(fā)生時(shí)刻為河道水位等于堤防設(shè)計(jì)洪水水位1 188.19 m，潰口堤后高程為1 187.65 m。泉眼山遭遇100 a一遇洪水時(shí)潰堤分洪時(shí)間為2012-08-22T8：00至2012-08-30T15：00，分洪歷時(shí)199 h。泉眼山潰口100 a一遇水位過程如圖5所示。耦合模型堤防潰口分流計(jì)算基本合理。

當(dāng)衛(wèi)寧段河南保護(hù)區(qū)遭遇100 a一遇洪水在泉眼山處潰堤時(shí)，躍進(jìn)渠、七星渠和張?jiān)蠈⒉话l(fā)生倒灌退水現(xiàn)象，南河子溝將發(fā)生倒灌退水現(xiàn)象，倒灌（退水）口的入流計(jì)算邊界根據(jù)河道一維模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行提取，倒灌口入流計(jì)算邊界選取與潰口分洪同時(shí)段對(duì)應(yīng)的水位變化過程，南河子溝退水口100 a一遇水位過程如圖6所示。南河子溝最高水位1 161.73 m，溝渠底部高程1 158.14 m，溝渠外地面高程1 160.18 m，溝渠比降0.083%，推算南河子溝倒灌長(zhǎng)度為3 910 m。

2.3.2 洪水淹沒過程與風(fēng)險(xiǎn)分析

在100 a一遇洪水計(jì)算方案下，洪水從泉眼山潰口進(jìn)入衛(wèi)寧段河南保護(hù)區(qū)，洪水演進(jìn)淹沒水深分布如圖7所示。洪水演進(jìn)6 h，潰口地區(qū)淹沒水深達(dá)1.67 m，洪水演進(jìn)至雙橋、黃濱村十四隊(duì)村莊，演進(jìn)過程中被康灘渠阻擋，淹沒面積7.26 km2;洪水演進(jìn)12 h，仁和灘、新裝、營(yíng)盤灘等村莊相繼被淹沒，演進(jìn)過程中經(jīng)黃河大橋橋洞越過109國(guó)道，被南北渠阻擋，淹沒面積15.21 km2;洪水演進(jìn)24 h，洪水演進(jìn)至李灘村、上灘村、中灘村、下灘村，洪水越過北灘渠、朱灘渠和長(zhǎng)鳴鄉(xiāng)道，淹沒面積43.42 km2;洪水演進(jìn)36 h，洪水越過長(zhǎng)鳴鄉(xiāng)到達(dá)南河子溝退水口，淹沒面積54.62 km2，演進(jìn)過程中被南河子溝渠堤阻擋，此時(shí)南河子溝處于退水狀態(tài)，淹沒范圍趨于穩(wěn)定，計(jì)算區(qū)平均淹沒水深達(dá)到0.44 m。從整個(gè)淹沒過程分析，100 a一遇洪水淹沒歷時(shí)199 h，主要淹沒范圍為康灘村、黃濱村、殷莊村、莫嘴村、營(yíng)盤灘村、長(zhǎng)灘村、李灘村、上灘村、中灘村、下灘村等。

衛(wèi)寧段河南保護(hù)區(qū)遭遇100 a一遇洪水時(shí)，泉眼山潰堤洪水主要影響鳴沙鎮(zhèn)、恩和鎮(zhèn)、白馬鄉(xiāng)、寧安鎮(zhèn)及舟塔鄉(xiāng)。淹沒面積約為56.66 km2，總淹沒農(nóng)田面積3 548.4 hm2，淹沒房屋面積314.66萬m2，受影響公路長(zhǎng)度155.53 km。具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

當(dāng)黃河遭遇100 a一遇洪水、在泉眼山處潰堤時(shí)，潰口寬度200 m，潰口底高程1 187.65 m，進(jìn)洪水位1 188.19 m，計(jì)算區(qū)最終積水量0.316億m3，康灘村五隊(duì)、殷莊村九隊(duì)、莫嘴村、中灘三隊(duì)積水深較大，金沙溝控導(dǎo)險(xiǎn)工、倪丁控導(dǎo)工程、黃莊控導(dǎo)工程、童莊控導(dǎo)工程、豐長(zhǎng)渠護(hù)堤工程沖刷嚴(yán)重，河心灘地被淹，南河子溝倒灌長(zhǎng)度3 910 m。該研究成果可為防汛部門開展防汛指揮、洪水風(fēng)險(xiǎn)管理、洪水保險(xiǎn)和土地規(guī)劃利用、增強(qiáng)全民水患意識(shí)和洪水影響評(píng)價(jià)等提供基礎(chǔ)信息。

3 結(jié) 語

基于一、二維水動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬方法及溝渠倒灌影響評(píng)估方法，建立考慮排水溝渠倒灌影響的潰堤風(fēng)險(xiǎn)分析精細(xì)化仿真模型，模擬了黃河寧夏衛(wèi)寧段河南保護(hù)區(qū)遭遇100 a一遇洪水時(shí)堤防潰決造成的洪水淹沒風(fēng)險(xiǎn)，并評(píng)估了引排水溝渠倒灌影響。結(jié)果表明：耦合模型堤防潰口分流計(jì)算基本合理可靠，當(dāng)衛(wèi)寧段河南保護(hù)區(qū)遭遇100 a一遇洪水在泉眼山處潰堤時(shí)，躍進(jìn)渠、七星渠和張?jiān)蠈⒉话l(fā)生倒灌退水現(xiàn)象，南河子溝將發(fā)生倒灌退水現(xiàn)象，南河子溝倒灌長(zhǎng)度為3 910 m。

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【責(zé)任編輯 許立新】