黃河下游灘區(qū)村臺(tái)對(duì)洪水演進(jìn)的影響

鐘 寰，程舒鵬，李溪智，劉一鳴，李振山，趙志杰，薛 安

（北京大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 水沙科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100871）

1 引 言

黃河下游灘區(qū)既是行洪、滯洪和沉沙的場所，也是居民生產(chǎn)生活的基本空間［1］，2 種功能的矛盾導(dǎo)致灘區(qū)居民始終面臨著洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn)。 村臺(tái)是人為修建的高于周圍地面的臺(tái)地，滿足一定防洪標(biāo)準(zhǔn)，房屋建在村臺(tái)上可以降低被洪水淹沒的風(fēng)險(xiǎn)。 標(biāo)準(zhǔn)的村臺(tái)設(shè)施是黃河下游灘區(qū)安全建設(shè)的重要工程之一，對(duì)保護(hù)灘區(qū)居民的生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義，但目前黃河下游灘區(qū)安全建設(shè)滯后，多數(shù)村臺(tái)抗洪能力差，不達(dá)標(biāo)村臺(tái)占94%，有81.64 萬人的房屋建在不達(dá)標(biāo)村臺(tái)上，僅有3.44 萬人的房屋建在達(dá)標(biāo)村臺(tái)上，另有92.03 萬人的房屋沒有建在村臺(tái)上［2］。 2017 年山東省發(fā)展改革委員會(huì)發(fā)布的《山東省黃河灘區(qū)居民遷建規(guī)劃》確定的主要建設(shè)任務(wù)中提到“就地就近避洪設(shè)施”，包括就地就近修建村臺(tái)和舊村臺(tái)改造［3］，但此類舉措的實(shí)施會(huì)導(dǎo)致灘區(qū)局部地形發(fā)生變化，影響灘區(qū)洪水的演進(jìn)過程。 為研究村臺(tái)與黃河下游灘區(qū)洪水演進(jìn)的相互作用，本文采用Delft3D 軟件建立二維水沙數(shù)學(xué)模型，模擬村臺(tái)現(xiàn)狀方案和村臺(tái)改造方案下不同重現(xiàn)期洪水的演進(jìn)過程，分析灘區(qū)淹沒水深及淹沒面積變化情況，研究2 種方案下洪水演進(jìn)結(jié)果的差異，以期為實(shí)現(xiàn)黃河下游灘區(qū)遇洪水的良性治理提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

根據(jù)已有地形數(shù)據(jù)，選取黃河下游花園口—艾山河段作為研究區(qū)域（見圖1），該區(qū)域包括灘區(qū)和主河槽兩部分，灘區(qū)指主河槽與兩側(cè)大堤之間的區(qū)域，灘區(qū)總面積約3 800.00 km2［4］，主河槽全長約360 km。

本文涉及的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括黃河下游水文泥沙數(shù)據(jù)、土地利用類型數(shù)據(jù)以及地形數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源分別如下。

（1）水文泥沙數(shù)據(jù)。 通過查閱《中華人民共和國水文年鑒》（黃河流域水文資料），共選取6 個(gè)重現(xiàn)期的典型洪水過程，分別為常遇、5 a 一遇、10 a 一遇、20 a一遇、100 a 一遇、1 000 a 一遇，其中20 a 一遇洪水是根據(jù)黃河下游1982 年100 a 一遇洪水的水文資料設(shè)計(jì)而成［5－7］，各重現(xiàn)期洪水的實(shí)測流量、含沙量等數(shù)據(jù)見表1。

表1 水文泥沙數(shù)據(jù)

（2）土地利用類型數(shù)據(jù)。 此類數(shù)據(jù)源自2015—2017 年黃河下游高分辨率遙感影像解譯成果，包括魚塘、耕地、自然村、集鎮(zhèn)村、工礦倉儲(chǔ)地等24 種土地利用類型［8］，考慮到2017 年以后自然村和集鎮(zhèn)村的居民會(huì)進(jìn)行搬遷，土地利用類型會(huì)發(fā)生變化，因此利用2019—2020 年黃河下游高分辨率遙感影像對(duì)自然村和集鎮(zhèn)村重新進(jìn)行了解譯，其他土地利用類型不變。參照前人研究成果［9－12］以及《中華人民共和國水文年鑒》（黃河流域水文資料）“洪水水文要素摘錄表”獲取各土地利用類型的糙率系數(shù)，見表2。

表2 土地利用類型及糙率系數(shù)

將自然村和集鎮(zhèn)村統(tǒng)稱為居民地，目前黃河下游花園口—艾山河段灘區(qū)內(nèi)居民地斑塊共有1 127 個(gè)，居民地斑塊總面積為210.80 km2，分布在東明縣、東平縣等16 個(gè)縣級(jí)行政區(qū)，見表3。

表3 居民地斑塊分布

（3）地形數(shù)據(jù)。 分析黃河水利委員會(huì)2014—2018年黃河下游汛期水文資料可知，該時(shí)段內(nèi)黃河下游未發(fā)生大規(guī)模漫灘洪水，灘區(qū)地形未發(fā)生較大變化，因此2013 年汛前地形數(shù)據(jù)能夠體現(xiàn)出研究區(qū)域的地形現(xiàn)狀。 灘區(qū)地形數(shù)據(jù)和主河槽水下地形數(shù)據(jù)源自黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司（2013 年黃河下游花園口—艾山河段汛前地形數(shù)據(jù)），數(shù)據(jù)以高程點(diǎn)的形式存儲(chǔ)（見圖2），研究區(qū)域內(nèi)不同位置的高程點(diǎn)精度有所不同，灘區(qū)內(nèi)高程點(diǎn)的平均間距為500 m，主河槽內(nèi)沿水流方向高程點(diǎn)的平均間距為200 m、垂直水流方向高程點(diǎn)的平均間距為100 m，大堤高程點(diǎn)的平均間距為40 m。

2.2 研究方法

水沙數(shù)學(xué)模型是研究洪水演進(jìn)的有效工具［13－15］，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)與Deltares 研發(fā)的Delft3D 軟件可以模擬洪水、海嘯、風(fēng)暴潮等情景，計(jì)算流量、水位、水質(zhì)等參數(shù)，已被應(yīng)用于國內(nèi)外河流水沙模擬和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測等領(lǐng)域［16－19］。 本文采用Delft3D 軟件建立二維水沙數(shù)學(xué)模型，模型建立流程見圖3，參數(shù)設(shè)置見表4。

表4 模型參數(shù)設(shè)置

Delft3D 軟件基于網(wǎng)格運(yùn)行，在Delft3D－rgfgrid 模塊中按照大堤的實(shí)際邊界形狀和花園口—艾山河段中各斷面的實(shí)際位置繪制代表研究區(qū)域的網(wǎng)格；模型中每個(gè)網(wǎng)格都需要被賦予1 個(gè)糙率數(shù)據(jù)和1 個(gè)地形數(shù)據(jù)，而現(xiàn)有數(shù)據(jù)精度無法滿足模型的精度需要，因此將糙率數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)導(dǎo)入Delft3D－quickin 模塊，經(jīng)過插值處理后生成糙率文件和地形文件；之后將黃河下游水文泥沙數(shù)據(jù)、糙率數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)輸入Delft3Dflow 水動(dòng)力模塊并進(jìn)行模擬計(jì)算［20］。

2.3 模型驗(yàn)證

選取2013 年黃河下游洪水過程進(jìn)行模型驗(yàn)證，驗(yàn)證時(shí)段為2013 年6 月19 日—7 月9 日，進(jìn)口邊界條件為花園口斷面實(shí)測流量和含沙量，出口邊界條件為艾山斷面實(shí)測水位。 分別對(duì)黃河下游花園口、夾河灘、高村、孫口、艾山斷面的模擬水位與實(shí)測水位、模擬流量與實(shí)測流量進(jìn)行對(duì)比，各斷面的對(duì)比結(jié)果類似，選取夾河灘斷面為代表，其對(duì)比見圖4，可以看出，各斷面的水位、流量模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本吻合。

通過計(jì)算納什效率系數(shù)（NSE）、平均絕對(duì)誤差（MAE）和平均相對(duì)誤差（MRE）可以定量反映模型模擬精度，計(jì)算結(jié)果見表5。 各斷面的水位和流量納什效率系數(shù)都在0.7 以上，部分?jǐn)嗝娴乃缓土髁考{什效率系數(shù)在0.9 以上，說明模型可信度較高。 此外，各斷面的水位平均相對(duì)誤差都在1%以下，相較而言，各斷面的流量平均相對(duì)誤差略大，但除艾山斷面外，其他斷面的流量平均相對(duì)誤差都在10%以下。 總體上，本次利用Delft3D 軟件構(gòu)建的二維水沙數(shù)學(xué)模型精度較高，能夠模擬現(xiàn)實(shí)洪水的演進(jìn)過程。

表5 模型模擬精度

2.4 方案設(shè)置

分別采用村臺(tái)現(xiàn)狀方案和村臺(tái)改造方案規(guī)劃村臺(tái)的空間分布：①村臺(tái)現(xiàn)狀方案。 將水文泥沙數(shù)據(jù)和利用Delft3D－quickin 模塊插值處理得到的糙率文件rgh、地形文件dep 輸入Delft3D－flow 模塊構(gòu)建村臺(tái)現(xiàn)狀方案，由于黃河下游居民地建設(shè)在村臺(tái)之上，洪水漫過村臺(tái)表明居民地被淹沒，因此模型中居民地所在位置的地形數(shù)據(jù)等同于村臺(tái)的地形數(shù)據(jù)。 ②村臺(tái)改造方案。在村臺(tái)現(xiàn)狀方案的基礎(chǔ)上局部修正自然村和集鎮(zhèn)村的地形數(shù)據(jù)，水文泥沙數(shù)據(jù)和土地利用類型數(shù)據(jù)與村臺(tái)現(xiàn)狀方案保持一致。 參照《黃河流域綜合規(guī)劃（2012—2030 年）》將改造后村臺(tái)高程設(shè)計(jì)為花園口20 a一遇洪水流量12 370 m3／s 相應(yīng)的設(shè)計(jì)水位加1.0 m超高［21］，本文采用村臺(tái)現(xiàn)狀方案下20 a 一遇洪水時(shí)居民地的淹沒水深加1.0 m 超高作為改造后的村臺(tái)高程。

3 研究結(jié)果

3.1 2 種方案下洪水淹沒水深差值分析

利用Delft3D－flow 模塊模擬得到2 種方案下各重現(xiàn)期洪水的淹沒水深，再利用ArcGIS 計(jì)算得到2 種方案下洪水淹沒水深差值（村臺(tái)改造方案下洪水淹沒水深減去村臺(tái)現(xiàn)狀方案下洪水淹沒水深）的空間分布結(jié)果，見圖5，將洪水淹沒水深差值分為8 個(gè)等級(jí)，其中未淹沒等級(jí)表示2 種方案下整體研究區(qū)域均未被淹沒。 可以看出，常遇洪水漫灘很少；5 a 一遇洪水漫灘集中在高村—孫口河段，與村臺(tái)現(xiàn)狀方案相比，村臺(tái)改造后洪水淹沒水深增大區(qū)域集中在濮陽縣、范縣東部和鄄城縣西部，淹沒水深減小區(qū)域集中在范縣南部和鄄城縣北部；10 a 一遇和20 a 一遇洪水漫灘集中在高村—艾山河段，淹沒水深增大區(qū)域集中在濮陽縣、鄄城縣、東明縣西部和長垣縣東北部；100 a 一遇和1 000 a一遇洪水漫灘廣泛分布于全斷面。 除常遇洪水外，村臺(tái)改造方案下其他重現(xiàn)期洪水的淹沒水深增大區(qū)域主要呈現(xiàn)連續(xù)分布，淹沒水深減小和不變區(qū)域主要呈現(xiàn)零星分布。

3.2 灘區(qū)淹沒面積變化分析

將黃河下游灘區(qū)分為居民地和非居民地，統(tǒng)計(jì)2種方案下各重現(xiàn)期洪水的灘區(qū)淹沒面積，結(jié)果見表6，由于Delft3D－flow 模塊基于網(wǎng)格運(yùn)行，因此灘區(qū)淹沒面積是所有被淹沒網(wǎng)格的面積之和。

表6 2 種方案下各重現(xiàn)期洪水的灘區(qū)淹沒面積

分析整體灘區(qū)淹沒面積可知，隨著洪水量級(jí)增大，整體灘區(qū)淹沒面積增大，由于常遇洪水量級(jí)小，因此只有小部分漫灘，村臺(tái)改造方案下整體灘區(qū)淹沒面積比村臺(tái)現(xiàn)狀方案下略微減小。 與常遇洪水相比，村臺(tái)改造后其他重現(xiàn)期洪水的整體灘區(qū)淹沒面積減小現(xiàn)象比較明顯。 分析居民地淹沒面積可知，村臺(tái)改造方案下常遇洪水中所有居民地未被淹沒，其他重現(xiàn)期洪水的居民地淹沒面積比現(xiàn)狀淹沒面積顯著減小。 村臺(tái)改造方案中村臺(tái)防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 a 一遇洪水，但在5 a一遇、10 a 一遇和20 a 一遇洪水中仍有小部分居民地被淹沒，且10 a 一遇洪水的居民地淹沒面積比20 a 一遇洪水時(shí)略大，原因?yàn)?0 a 一遇洪水時(shí)高村以上斷面的漫灘面積比10 a 一遇洪水時(shí)大，減緩了高村—艾山河段的滯洪壓力，導(dǎo)致高村—艾山河段的淹沒面積減小。分析非居民地淹沒面積可知，除常遇洪水外，村臺(tái)改造后其他重現(xiàn)期洪水的非居民地淹沒面積都略微增大，依次計(jì)算常遇洪水至1 000 a 一遇洪水條件下非居民地淹沒面積在整體灘區(qū)淹沒面積中的占比，村臺(tái)現(xiàn)狀方案下占比分別為98.97%、90.26%、88.01%、89.80%、87.92%、87.73%，村臺(tái)改造方案下占比分別為100.00%、99.89%、96.64%、99.00%、95.21%、92.21%。

綜上可知，對(duì)于各重現(xiàn)期洪水，村臺(tái)改造能夠降低整體灘區(qū)淹沒面積和居民地淹沒面積，非居民地淹沒面積在整體灘區(qū)淹沒面積中的占比均有所提高，說明村臺(tái)改造后灘區(qū)滯洪壓力更多轉(zhuǎn)移到了非居民地。

3.3 灘區(qū)淹沒水深變化分析

每個(gè)網(wǎng)格代表研究區(qū)域的一部分，對(duì)村臺(tái)改造后淹沒水深發(fā)生變化的網(wǎng)格進(jìn)行分析，分別計(jì)算各重現(xiàn)期洪水的淹沒水深增大、不變和減小的網(wǎng)格面積占所有發(fā)生變化的網(wǎng)格面積的比例，結(jié)果見圖6。 村臺(tái)改造后整體灘區(qū)淹沒水深變化和非居民地淹沒水深變化一致，除常遇洪水外，其他重現(xiàn)期洪水的灘區(qū)和非居民地淹沒水深增大的網(wǎng)格面積占比最大。 由于所選取的10 a 一遇洪水的平均流量比20 a 一遇洪水時(shí)大，因此相較于20 a 一遇洪水，10 a 一遇洪水的灘區(qū)和非居民地淹沒水深增大的網(wǎng)格面積占比較大。 村臺(tái)改造后居民地淹沒水深增大和淹沒水深減小的網(wǎng)格面積變化相對(duì)較小，水深增大的網(wǎng)格面積占比均在5%以下，水深減小的網(wǎng)格面積占比均在95%以上，說明村臺(tái)改造方案起到了顯著減小居民地淹沒水深的作用。

3.4 不同淹沒水深分級(jí)對(duì)應(yīng)的淹沒面積分析

根據(jù)2 種方案下不同重現(xiàn)期洪水的淹沒水深數(shù)據(jù)，將淹沒水深分為13 個(gè)等級(jí)，分別計(jì)算灘區(qū)、居民地和非居民地各淹沒水深分級(jí)對(duì)應(yīng)的淹沒面積以及累計(jì)淹沒面積，結(jié)果見圖7～圖9。 分析圖7（a）可知，隨著淹沒水深增大，2 種方案下所有重現(xiàn)期洪水的灘區(qū)淹沒面積都先增大后減小，除常遇洪水外，其他重現(xiàn)期洪水的灘區(qū)淹沒面積差別逐漸減小，并且村臺(tái)改造方案下各淹沒水深分級(jí)對(duì)應(yīng)的灘區(qū)淹沒面積逐漸超過現(xiàn)狀方案下的灘區(qū)淹沒面積。 除1 000 a 一遇洪水外，村臺(tái)改造方案下其他重現(xiàn)期洪水的最大灘區(qū)淹沒面積均出現(xiàn)在淹沒水深0.0～1.5 m 范圍內(nèi)。 分析圖7（b）可知，隨著洪水量級(jí)增大，灘區(qū)累計(jì)淹沒面積逐漸增大。 隨著淹沒水深增大，與村臺(tái)現(xiàn)狀方案相比，村臺(tái)改造方案下所有重現(xiàn)期洪水的灘區(qū)累計(jì)淹沒面積均較小，說明村臺(tái)改造降低了灘區(qū)淹沒面積。

分析圖8（a）可知，與村臺(tái)現(xiàn)狀方案相比，除常遇洪水和1 000 a 一遇洪水外，村臺(tái)改造后其他重現(xiàn)期洪水的居民地淹沒面積都顯著減小，且隨著淹沒水深增大，2 種方案下居民地淹沒面積差別逐漸減小。 淹沒水深小于1.0 m 時(shí)，與村臺(tái)現(xiàn)狀方案相比，村臺(tái)改造方案下1 000 a 一遇洪水的居民地淹沒面積較大；淹沒水深大于1.0 m 時(shí)，村臺(tái)改造后居民地淹沒面積顯著減小。 分析圖8（b）可知，與村臺(tái)現(xiàn)狀方案相比，村臺(tái)改造方案下常遇洪水的居民地累計(jì)淹沒面積略微減小，其他重現(xiàn)期洪水的居民地累計(jì)淹沒面積顯著減小，說明村臺(tái)改造起到了降低居民地淹沒面積的作用。

分析圖9（a）可知，2 種方案下所有重現(xiàn)期洪水的非居民地淹沒面積都隨著淹沒水深的增加先增大后減小，隨著淹沒水深增大，除常遇洪水外，村臺(tái)改造方案下其他重現(xiàn)期洪水的非居民地淹沒面積都逐漸超過村臺(tái)現(xiàn)狀方案下的淹沒面積。 分析圖9（b）可知，除常遇洪水外，隨著淹沒水深增大，村臺(tái)改造后其他重現(xiàn)期洪水的非居民地累計(jì)淹沒面積也逐漸超過村臺(tái)現(xiàn)狀方案下的累計(jì)淹沒面積。

4 結(jié) 論

利用Delft3D 軟件建立黃河下游花園口—艾山河段灘區(qū)的二維水沙數(shù)學(xué)模型，對(duì)村臺(tái)現(xiàn)狀方案和村臺(tái)改造方案下各斷面的洪水演進(jìn)進(jìn)行了模擬計(jì)算，從灘區(qū)、居民地和非居民地3 個(gè)方面對(duì)比分析了2 種方案下不同重現(xiàn)期洪水的淹沒面積和淹沒水深變化，得出以下結(jié)論。

（1）隨著洪水量級(jí)增大，洪水漫灘范圍逐漸從高村—孫口河段向上下游擴(kuò)展，洪水淹沒水深增大的區(qū)域主要呈現(xiàn)連續(xù)分布，水深減小和不變的區(qū)域主要呈現(xiàn)零星分布。

（2）村臺(tái)改造能夠有效降低灘區(qū)和居民地的淹沒面積，起到保護(hù)居民地的作用，村臺(tái)改造后將滯洪壓力更多轉(zhuǎn)移到了非居民地。

（3）2 種方案下所有重現(xiàn)期洪水的淹沒面積都隨著淹沒水深的增加先增大后減小。 與村臺(tái)現(xiàn)狀方案相比，村臺(tái)改造后各重現(xiàn)期洪水的灘區(qū)淹沒水深較小時(shí)所對(duì)應(yīng)的淹沒面積減小，淹沒水深較大時(shí)所對(duì)應(yīng)的淹沒面積略微增大，對(duì)于非居民地，這種變化更加顯著。村臺(tái)改造后各重現(xiàn)期洪水的居民地累計(jì)淹沒面積都減小，同樣說明村臺(tái)改造起到了降低居民地淹沒面積的作用。