潰口寬度和糙率對(duì)黃河下游保護(hù)區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)影響分析

蘇磊 張寶森 田治宗 謝志剛 于國卿

摘 要：以黃河下游臺(tái)前—津浦鐵路橋左岸防洪保護(hù)區(qū)為研究對(duì)象，基于Mike21 模型建立了防洪保護(hù)區(qū)洪水演進(jìn)模型，模擬了保護(hù)區(qū)內(nèi)下墊面糙率、潰口寬度變化時(shí)保護(hù)區(qū)內(nèi)洪水演進(jìn)規(guī)律，定量分析了下墊面改變、潰口展寬對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)洪水淹沒面積和洪水演進(jìn)速度的影響，并用水量平衡法對(duì)模型精度進(jìn)行了驗(yàn)證。研究表明：隨著保護(hù)區(qū)內(nèi)糙率的改變，保護(hù)區(qū)內(nèi)淹沒面積變化率不大。潰口展寬對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)洪水演進(jìn)的影響更明顯;隨著潰口寬度的增大，保護(hù)區(qū)內(nèi)淹沒面積明顯增大，洪水演進(jìn)速度更快。針對(duì)變化環(huán)境下黃河下游潰堤洪水淹沒面積較大且演進(jìn)距離較長(zhǎng)的情況，潰口展寬比糙率變化對(duì)淹沒范圍和洪水演進(jìn)速度影響更大，會(huì)造成更大的淹沒損失;且保護(hù)區(qū)面積越大，其淹沒面積絕對(duì)值越大，堵口的作用越大，越早越快堵口總損失越小。

關(guān)鍵詞：洪水;風(fēng)險(xiǎn);潰口寬度;糙率;防洪保護(hù)區(qū);黃河下游

中圖分類號(hào)：O383;TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.12.010

引用格式：蘇磊，張寶森，田治宗，等.潰口寬度和糙率對(duì)黃河下游保護(hù)區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)影響分析[J].人民黃河，2021，43（12）：49-52.

Abstract： This paper established a two-dimensional hydrodynamic model， verified the correctness of the model by water balance method and then applied it to analyze the effect of levee-breach width and roughness on flood routing in protected zone of the Yellow River. The results show that the effect of the roughness is small. The effect of levee-breach width is obvious， there is an obviously increase of inundated area and flood routing speed with the increase of levee-breach width. When the longer distance of flood routing and larger inundated area will be， the increase of levee-breach width will cause greater losses compared with the roughness in flood protected zone. Moved to close the breach as soon as possible can decrease losses.

Key words： floods; risk; levee-breach width; roughness; flood protected zone; Lower Yellow River

1 前 言

黃河下游河道極其特殊，河床高懸，河勢(shì)復(fù)雜多變，“二級(jí)懸河”形勢(shì)嚴(yán)峻，大洪水風(fēng)險(xiǎn)依然沒有根本解除。黃河下游保護(hù)區(qū)涉及河南、河北、山東、安徽及江蘇5個(gè)省的110個(gè)縣（區(qū)），還涉及淮河、沂沭泗河、小清河、漳衛(wèi)新河、馬頰河、徒駭河等流域[1]。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的飛速發(fā)展，防洪保護(hù)區(qū)內(nèi)的人口和財(cái)富不斷增加，尤其是保護(hù)區(qū)內(nèi)公路、鐵路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的不斷建設(shè)，使得保護(hù)區(qū)內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、防洪形勢(shì)發(fā)生變化。因此，研究變化環(huán)境下保護(hù)區(qū)內(nèi)洪水風(fēng)險(xiǎn)、洪水演進(jìn)規(guī)律及其災(zāi)害特征，分析變化環(huán)境下潰堤洪水演進(jìn)規(guī)律，對(duì)黃河下游防洪減災(zāi)具有重要意義。本文以黃河下游臺(tái)前—津浦鐵路橋左岸防洪保護(hù)區(qū)為研究對(duì)象，基于Mike21 模型建立防洪保護(hù)區(qū)洪水演進(jìn)模型，模擬保護(hù)區(qū)內(nèi)下墊面糙率、潰口寬度變化時(shí)保護(hù)區(qū)內(nèi)洪水演進(jìn)規(guī)律，定量分析下墊面改變、潰口展寬對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)洪水淹沒面積和洪水演進(jìn)速度的影響，以期為黃河下游保護(hù)區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)管理、防災(zāi)避險(xiǎn)提供技術(shù)參考。

2 研究區(qū)域概況

本研究防洪保護(hù)區(qū)范圍西起金堤河入黃口，北沿東阿—茌平—禹城—臨邑—商河—惠民—無棣一線向東至渤海，南沿黃河大堤向東至濱州后折向北，于沾化縣沿徒駭河至渤海，面積約20 000 km2。保護(hù)區(qū)涉及山東省5個(gè)市24個(gè)縣（區(qū)）：聊城市的東阿縣、東昌府區(qū)、高唐縣、臨清市、莘縣、陽谷縣、茌平縣，德州市的樂陵縣、陵縣、臨邑縣、齊河縣、禹城市、寧津縣、慶云縣、平原縣，濟(jì)南市的濟(jì)陽縣、商河縣，濱州市濱城區(qū)及所屬的惠民縣、沾化區(qū)、無棣縣、陽信縣，東營市河口區(qū)、利津縣，保護(hù)區(qū)位置及范圍見圖1。

3 數(shù)學(xué)模型

3.1 控制方程

由于本次研究區(qū)域計(jì)算邊界不規(guī)則，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格難以滿足精度要求，因此選用Mike21非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模型來進(jìn)行洪水演進(jìn)模擬。Mike21 FM二維非恒定流計(jì)算模塊是基于二維不可壓縮流體雷諾平均應(yīng)力方程式（1）～式（6）開發(fā)的。

模型計(jì)算范圍如圖1所示，右側(cè)以黃河大堤為界，右上側(cè)以渤海灣為界，左側(cè)邊界根據(jù)前期多次試算結(jié)果確定。確定邊界后，采用Mike21模型基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格[2]對(duì)模擬區(qū)域劃分網(wǎng)格，對(duì)區(qū)域內(nèi)地形變化大、邊界復(fù)雜及高出地面0.5 m的線狀物沿線兩側(cè)以及徒駭河、馬頰河等重要河湖網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。剖分后計(jì)算區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格總數(shù)為145 767個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為80 079個(gè)。

3.2 計(jì)算條件

本次洪水風(fēng)險(xiǎn)影響分析選擇歷史上多次發(fā)生險(xiǎn)情的周門前村口門為研究對(duì)象，分析此處堤防決口后，洪水在保護(hù)區(qū)內(nèi)的演進(jìn)過程。根據(jù)潰口相關(guān)研究成果[3-4]，考慮最不利的情況，假定黃河干流發(fā)生“1933型”近1 000 a一遇洪水并將其演進(jìn)至潰口斷面，得到斷面相應(yīng)的流量過程?？陂T的決口時(shí)機(jī)為口門斷面大河流量超過10 000 m3/s。根據(jù)文獻(xiàn)[4]中提出的潰口分流比計(jì)算方法，決口48 h內(nèi)，口門分洪流量占斷面比例由60%增至80%，48 h后分流比進(jìn)一步加大，4 d后全河奪流，分洪比達(dá)到100%，分洪情況見表1、圖2。

3.3 計(jì)算參數(shù)與計(jì)算方案

本次研究分兩種情況，即糙率變化和潰口寬度變化情況下保護(hù)區(qū)洪水演進(jìn)情況，計(jì)算方案見表2，潰口均為矩形，考慮堤防瞬時(shí)潰決。方案1～3研究不同糙率條件下保護(hù)區(qū)內(nèi)洪水演進(jìn)情況，方案4～6研究不同潰口寬度對(duì)保護(hù)區(qū)洪水演進(jìn)的影響。

3.4 模擬結(jié)果

當(dāng)黃河發(fā)生“1933型”近1 000 a一遇上大洪水，周門前村口門處堤防發(fā)生潰決時(shí)，洪水歷時(shí)954 h，洪水演進(jìn)最終時(shí)刻淹沒水深、范圍見圖3、表3、圖4，其中圖3（a）～圖3（c）對(duì)應(yīng)表2中方案1～3，圖4（a）～圖4（c）對(duì)應(yīng)表2中方案4～6。

3.4.1 糙率變化對(duì)洪水淹沒面積的影響

根據(jù)研究區(qū)域1∶50 000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，提取區(qū)域內(nèi)土地利用類型，并依據(jù)《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制導(dǎo)則》設(shè)置不同土地類型的糙率[5-6]。由計(jì)算結(jié)果可知，方案1、方案2和方案3洪水最終淹沒面積分別為13 484.1、13 686.4、13 376.2 km2，與方案1相比，方案2淹沒面積增大約1.5%，方案3減少約0.8%，表明糙率值在一定范圍內(nèi)的變化對(duì)洪水最大淹沒面積影響較小。

與方案1相比，方案2洪水演進(jìn)速度變慢，相同時(shí)刻洪水淹沒面積變小，洪水在近處洼地水深變大，遠(yuǎn)處洼地水深變小，從而導(dǎo)致近處洼地淹沒水深及范圍略大，遠(yuǎn)處洼地淹沒水深及范圍略小，當(dāng)洪水演進(jìn)至穩(wěn)定后，兩個(gè)方案最終淹沒面積和最大淹沒水深差別不大。與方案1相比，方案3洪水演進(jìn)速度變快，相同時(shí)刻洪水淹沒面積變大，洪水在近處洼地水深變小，遠(yuǎn)處洼地水深變大，從而導(dǎo)致近處洼地淹沒水深及范圍略小，遠(yuǎn)處洼地淹沒水深及范圍略微增大。當(dāng)洪水演進(jìn)至穩(wěn)定后，兩個(gè)方案最終淹沒面積和最大淹沒水深差別不大。

3.4.2 潰口寬度對(duì)淹沒面積、洪水演進(jìn)時(shí)間的影響

方案4～方案6潰口寬度對(duì)淹沒面積、洪水演進(jìn)時(shí)間的影響見表4。由圖4、表4可知，潰口寬度變化對(duì)保護(hù)區(qū)淹沒面積和洪水演進(jìn)時(shí)間影響都較大，潰口寬度從300 m增大至700 m時(shí)保護(hù)區(qū)內(nèi)淹沒面積增大2.2%;潰口寬度從300 m增大至1 400 m時(shí)保護(hù)區(qū)內(nèi)淹沒面積增大7.9%。潰口寬度增大，淹沒面積變化率呈增大趨勢(shì)。

由圖5可以看出，隨著潰口的展寬，保護(hù)區(qū)內(nèi)淹沒面積、洪水演進(jìn)速度均有不同程度的增大，而且淹沒面積越大的保護(hù)區(qū)，其淹沒面積增加的絕對(duì)值越大。與保護(hù)區(qū)內(nèi)糙率的變化相比，潰口寬度的展寬會(huì)造成更大的淹沒損失。潰口寬度的增大對(duì)洪水演進(jìn)的影響更明顯，隨著潰口的展寬，保護(hù)區(qū)內(nèi)淹沒面積明顯增大，洪水演進(jìn)速度更快。

4 模型驗(yàn)證

水量平衡分析，即根據(jù)計(jì)算分區(qū)來流量、出流量和區(qū)內(nèi)分區(qū)淹沒水量，分析來流量減去出流量與區(qū)內(nèi)總水量的誤差。以發(fā)生“1933型”近1 000 a一遇上大洪水、潰口處發(fā)生700 m寬度潰決為計(jì)算條件，模型計(jì)算來流量為189.9 億m3，保護(hù)區(qū)內(nèi)總水量為計(jì)算時(shí)段末保護(hù)區(qū)總水量減去計(jì)算時(shí)段初保護(hù)區(qū)總水量，見表5。來流量減去出流量與區(qū)內(nèi)淹沒總水量的相對(duì)誤差為4.21×10-5，滿足水量平衡要求，認(rèn)為洪水模擬結(jié)果合理。

5 結(jié) 論

本文以黃河下游臺(tái)前—津浦鐵路橋左岸防洪保護(hù)區(qū)為研究對(duì)象，基于Mike21 模型建立了防洪保護(hù)區(qū)洪水演進(jìn)模型，模擬了保護(hù)區(qū)內(nèi)下墊面糙率、潰口寬度等條件變化時(shí)保護(hù)區(qū)內(nèi)洪水演進(jìn)情況，模型計(jì)算精度高，嚴(yán)格滿足水量平衡。綜合分析以上6種計(jì)算方案表明，隨著保護(hù)區(qū)內(nèi)糙率的改變，保護(hù)區(qū)內(nèi)淹沒范圍的變化不大;潰口寬度的增大對(duì)洪水演進(jìn)的影響更明顯，隨著潰口的展寬，保護(hù)區(qū)內(nèi)淹沒面積增大明顯，洪水演進(jìn)速度更快。針對(duì)變化環(huán)境下黃河下游潰堤洪水淹沒面積較大且演進(jìn)距離較長(zhǎng)的情況，潰口展寬比糙率變化對(duì)淹沒范圍和洪水演進(jìn)速度影響更大，會(huì)造成更大的淹沒損失。保護(hù)區(qū)面積越大，其淹沒面積絕對(duì)值越大，堵口的作用越大，越早越快堵口總損失越小。

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【責(zé)任編輯 許立新】