黃河下游北金堤滯洪區(qū)洪水演進模擬及風(fēng)險分析

倪菲菲,李利琴,曹 魁

(河南黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

北金堤滯洪區(qū)位于黃河下游高村-陶城鋪寬河段轉(zhuǎn)向窄河段的過渡段的左岸，在黃河大堤與北金堤之間。該滯洪區(qū)1951年由國務(wù)院批準興建，是處理黃河下游超標(biāo)準洪水的重要措施，是黃河下游“上攔下排，兩岸分滯”[1]防洪工程體系的重要組成部分，在黃河防洪體系中具有不可替代的作用和地位。加快滯洪區(qū)建設(shè)步伐，不僅關(guān)系到滯洪區(qū)內(nèi)100多萬人民群眾及沿黃廣大人民群眾的生命財產(chǎn)安全，還關(guān)系到整個黃淮海平原的安危，國家穩(wěn)定的大局[2]。

1951年，根據(jù)政務(wù)院“關(guān)于預(yù)防黃河異常洪水的決定”，黃河下游開辟興建北金堤滯洪區(qū)，當(dāng)時的分洪口門設(shè)在長垣縣孟崗石頭莊，采用溢洪埝形式，設(shè)計分洪流量5100m3/s。經(jīng)過對海河“63.8”、淮河“75.8”暴雨移置與充分論證，為了適時適量和安全可靠分滯黃河洪水，1976年國務(wù)院批準新建渠村分洪閘，較石頭莊溢洪堰下移了28km，改建后的北金堤滯洪區(qū)設(shè)計分洪能力10000m3/s，可有效地分滯黃河洪水20億m3，退水口門設(shè)在臺前縣的張莊閘。

北金堤滯洪區(qū)的洪水演進分析最近的也是“八五”攻關(guān)期間開展的“黃河下游灘區(qū)、分滯洪區(qū)風(fēng)險分析和減災(zāi)研究”[3]，鑒于北金堤滯洪區(qū)從未啟用，多年來滯洪區(qū)內(nèi)修建很多非防洪工程，地形地貌發(fā)生較大變化，滯洪區(qū)滯洪淹沒情況可能發(fā)生變化，且20世紀80年代以來，北金堤堤防上段被侵占嚴重，堤防管理困難，堤防工程年久失修，該堤段在滯洪運用時的臨河水深將發(fā)生變化，可能會對防止洪水北侵造成不利影響，因此，開展滯洪區(qū)洪水演算模擬研究非常必要的。

1 北金堤滯洪區(qū)概述

1.1 北金堤滯洪區(qū)現(xiàn)狀

北金堤滯洪區(qū)地處黃泛平原，是古黃河與現(xiàn)代黃河之間的低洼地帶，黃河歷史演變情況如圖1所示，屬于黃河一級支流金堤河流域。北金堤滯洪區(qū)淹沒范圍[4]包含河南、山東2省3市63個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))。全區(qū)上寬下窄，狀如羊角，長171km，寬7～40km，總面積2316km2。區(qū)內(nèi)地勢西高東低，平均比降l/5000。區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀人口205.07萬，耕地241.23萬畝。

圖1 黃河歷史演變圖

1.2 北金堤滯洪區(qū)運用方式

北金堤滯洪區(qū)的運用方案，根據(jù)不同時期的防洪任務(wù)和河道排洪能力，由黃河防汛總指揮部擬定，滯洪運用時須報經(jīng)國務(wù)院批準。

1963年國務(wù)院《關(guān)于黃河下游防洪問題的幾項決定》中明確規(guī)定：當(dāng)花園口發(fā)生超過22000m3/s洪峰時，應(yīng)利用長垣縣石頭莊溢洪堰或河南其它地點分洪，以控制孫口流量最多不超過17000m3/s[2]。

1985年6月，國務(wù)院批轉(zhuǎn)水利電力部《關(guān)于黃河、長江、淮河、永定河防御特大洪水方案報告的通知》中確定：花園口站發(fā)生22000m3/s以上至30000m3/s時，除利用東平湖滯洪外，還要根據(jù)情況，確定是否開放北金堤滯洪區(qū)。

小浪底水庫建成后，與其它三庫聯(lián)合調(diào)度運用，可將花園口1000年一遇洪水由42300m3/s削減至22600m3/s。當(dāng)發(fā)生1000年一遇及其以上洪水，充分利用水庫攔洪后，花園口站洪峰流量仍超過22000m3/s，并預(yù)測孫口站可能超過17500m3/s，北金堤滯洪區(qū)在高村站流量達20000m3/s時開始分洪[5]，分洪后控制黃河流量不超過17500m3/s。

北金堤滯洪區(qū)分洪啟用時，渠村分洪閘將以10000m3/s流量開閘分洪，洪水將自南向北演進，主流沿回木溝、過金堤河經(jīng)20h左右抵達滑縣四間房鄉(xiāng)，歷經(jīng)約121h后，由臺前縣張莊閘退入黃河。

北金堤滯洪區(qū)滯洪后，退水方式采用高水自流入黃，即利用張莊閘泄水及在閘北端堤防破口300m泄水入黃。低水可利用已建成的電排站抽水入黃。

根據(jù)“黃河下游灘區(qū)、分滯洪區(qū)風(fēng)險分析和減災(zāi)研究”模擬洪水演進成果，渠村閘分洪20億m3作為北金堤滯洪區(qū)滯洪時的典型洪水，對滯洪區(qū)內(nèi)洪水演進情況及其特性進行研究。根據(jù)滯洪區(qū)內(nèi)不同位置滯洪水位、最大淹沒水深、淹沒歷時等技術(shù)指標(biāo)，評定各區(qū)域的洪水風(fēng)險程度，以此劃分為10個區(qū)域。

目前北金堤滯洪區(qū)從未使用，考慮到滯洪區(qū)內(nèi)涉及人口眾多，隨著小浪底水庫的運用，北金堤滯洪區(qū)的分洪運用幾率為近1000年一遇，但仍為黃河防洪減淤體系[6]總體布局的重要組成部分，為保留滯洪區(qū)，在黃河下游發(fā)生超標(biāo)準洪水時，是采取的“犧牲局部，顧全大局”的一項臨時(或應(yīng)急)分洪措施[7]。

1.3 北金堤滯洪區(qū)防洪工程

北金堤滯洪區(qū)防洪工程主要包括北金堤、渠村分洪閘、張莊退水閘、群眾避洪工程及撤退道路橋梁等。位置圖如圖2所示。

圖2 北金堤滯洪區(qū)防洪工程位置圖

北金堤修建于漢代，距今約1900多年。是東漢時期的黃河南堤，1855年銅瓦廂決口后，成為黃河北岸大堤，北金堤滯洪區(qū)開辟以后，成為滯洪區(qū)的北邊圍堤。經(jīng)1978—1979年培修后，現(xiàn)狀北金堤堤防上起河南省安陽市滑縣白道口鎮(zhèn)，下至山東省陽谷縣陶城埠，長為158.585km，相應(yīng)樁號為-(35+250)～120+335、0+000～3+000。北金堤作為金堤河的左岸堤防，1+500處以下堤段緊靠金堤河河道。在北金堤和金堤河之間修建北小堤和南小堤，北小堤長23.5km，南小堤長83km。

渠村分洪閘(相應(yīng)黃河大堤樁號為47+776～48+525)是在黃河發(fā)生特大洪水時，向北金堤滯洪區(qū)分洪的大型工程，設(shè)計最大分洪流量10000m3/s，為Ⅰ級建筑物，工程總長209.5m，總寬749m，共分56孔。

張莊入黃閘(相應(yīng)黃河大堤樁號為193+895)位于河南省臺前縣境內(nèi)金堤河與黃河交匯處臨黃大堤上，張莊退水閘既是北金堤滯洪區(qū)滯洪洪水的入黃閘，又是金堤河澇水的入黃閘，其主要功能除排澇外，還可擋黃、滯洪退水、倒灌分洪。該工程屬1級水工建筑物，最大排澇流量為620m3/s，設(shè)計滯洪退水和倒灌分洪流量均為1000m3/s，最大排澇流量6200m3/s。

1.4 北金堤滯洪區(qū)主要非防洪工程

北金堤滯洪區(qū)內(nèi)主要非防洪工程包括京開高速公路(又名大廣高速)、鄭濟高鐵、濮范高速公路、德商高速、陽新高速、濮衛(wèi)高速、京九鐵路、湯臺鐵路、山西中南部鐵路通道工程9處大型公路鐵路工程和引黃入冀補淀工程。道路工程均采用填土路基的方式穿越北金堤滯洪區(qū)，引黃入冀補淀工程河南段內(nèi)全長約84km，在第三濮清南干渠基礎(chǔ)上改建而成。位置圖如圖3所示。

圖3 北金堤滯洪區(qū)主要非防洪工程位置圖

2 滯洪區(qū)洪水演進模擬

本次模擬采用二維非恒定流洪水演進數(shù)學(xué)模型，對北金堤滯洪區(qū)的洪水演進過程進行模擬[8]。

2.1 地形處理

鑒于多年來地形地貌的變化，本次在八五攻關(guān)成果的基礎(chǔ)上建立二維洪水演進模型。根據(jù)河南省測繪局2017年實測的北金堤滯洪區(qū)地形圖(1∶10000)，結(jié)合實地調(diào)查，主要是近年來新增的規(guī)模較大的路、橋要加入地形中，確定模型采用的滯洪區(qū)的地形，生成計算區(qū)域的數(shù)字高程模型(DEM)。道路和渠堤等，除各道路沿線設(shè)置的特大橋、中型橋外等過流通道外的路基部分，均概化為不過水的“墻”(Wall)，并沿其走向?qū)W(wǎng)格進行加密。

地形數(shù)據(jù)經(jīng)處理后生成閉合水陸邊界線(BJ.xyz文件)如圖4所示，和高程散點數(shù)據(jù)(piont.xyz文件)如圖5所示，然后導(dǎo)入網(wǎng)格生成器(mesh generator)。計算區(qū)域內(nèi)地形比較復(fù)雜，為了合理布置計算網(wǎng)格，本文采用Delaunay三角化法對計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，并在工程位置附近進行了加密[9- 16]，如圖6所示。

圖4 滯洪區(qū)邊界圖

圖5 滯洪區(qū)高程圖

圖6 北金堤為邊界的滯洪區(qū)網(wǎng)格剖分圖

2.2 邊界條件及參數(shù)選取

模型計算范圍確定后，根據(jù)滯洪區(qū)地理位置、構(gòu)筑物、地形及使用方式等情況，確定模型計算的邊界條件和參數(shù)。

2.2.1 流量及計算時間

本次研究的主要研究方法為建立北金堤滯洪區(qū)洪水運動模型，采用二維非恒定流洪水演進數(shù)學(xué)模型，對北金堤滯洪區(qū)洪水演進過程進行模擬，模型計算條件采用“八五”攻關(guān)成果的計算條件，即黃河下游發(fā)生2000年一遇洪水，渠村閘最大分洪量10000m3/s，計算時間為10d(240h)，分洪總量20億m3，與金堤河7億m3來水同時相遇。安全起見，本次計算不考慮張莊閘退水。

渠村閘分洪時，渠村閘分洪流量過程線如圖7所示。金堤河入流模擬從道口、濮陽、高堤口、張莊4個點入流，各分洪量按定值200m3/s。

圖7 渠村閘分洪流量過程線

2.2.2 糙率選取

黃河下游洪水由于含沙量高的緣故，主槽糙率一般低于其他河流，汛期主槽糙率一般分布在0.006～0.015之間。由于糙率變化的影響因素比較復(fù)雜，目前尚難建立糙率與二維模型中的可利用變量的關(guān)系，如流量、含沙量、水深等之間的關(guān)系，為此主槽糙率取常數(shù)0.01。

灘地上的糙率按通用的慣例賦值，村莊0.07，旱地0.06，水田0.05。

2.2.3 其余參數(shù)

干濕邊界和渦粘系數(shù)等指標(biāo)采用默認值，不考慮風(fēng)浪、溫度等因素的影響。

3 洪水演進計算結(jié)果分析

3.1 模型驗證

選取“八五攻關(guān)”成果進行模型驗證和分析，以渠村閘分洪20億m3，金堤河入流7億m3為輸入。以北金堤堤防滯洪水位為調(diào)整目標(biāo)，進行洪水演進驗證。

根據(jù)北金堤滯洪區(qū)洪水運動模型成果，在使用北金堤滯洪區(qū)分洪時，滯洪區(qū)內(nèi)的洪水演進過程與“八五攻關(guān)”成果基本一致。因多項非防洪工程的建設(shè)與地形地貌的改變，主要變化為大廣高速西北區(qū)域(左側(cè))滯洪能力下降。

3.2 演進分析

根據(jù)選定的計算范圍和條件，經(jīng)計算得到北金堤滯洪區(qū)不同時段(第16、第72、第240h)的水深、流速分布圖，以及各特征點的水深、流速值變化過程。

從0時刻起，北金堤滯洪區(qū)由渠村閘開始向滯洪區(qū)分洪，流量為3000m3/s，至第16h，入流量達到最大分洪量10000m3/s，期間金堤河從道口、濮陽、高堤口、張莊4點開始入流，各分洪流量為定值200m3/s。至第16h末，滯洪區(qū)工程前后水深、流速分布見圖8—9。根據(jù)計算此時滯洪區(qū)入洪量為4.25億m3。

圖8 第16小時末滯洪區(qū)水深分布圖(單位：m)

圖9 第16小時末滯洪區(qū)流速分布圖(單位：m/s)

第16h時達到10000流量，之后到第61h時，流量保持不變，不再敘述，之后第61～72h，渠村閘分洪流量減至0，金堤河繼續(xù)入流，流量保持800m3/s。至第72h末，滯洪區(qū)工程前后水深、流速分布見圖10—11。此時滯洪區(qū)入洪量為22.39億m3。

圖10 第72小時末滯洪區(qū)水深分布圖(單位：m)

第72h后，渠村閘關(guān)閉不再分洪，洪水在滯洪區(qū)內(nèi)繼續(xù)推進，金堤河繼續(xù)入流流量800m3/s，直至第240h末。此時滯洪區(qū)的總滯洪量為27億m3，滯洪區(qū)工程前后水深、流速分布圖如圖12—13所示。

由圖可知，第16h，受金堤河高堤口入流點影響，北金堤-(3+000)～1+800沿線部分堤段被淹沒，淹沒深度全部在1m以下，流速在0.3m/s以下。

第72h，北金堤-(35+250)～1+800大部分堤段被淹沒，-(25+500)～1+800淹沒深度在1～2m；流速在0.1～0.2m/s間。

第240h，由于渠村閘關(guān)閉以后，洪峰過程繼續(xù)在滯洪區(qū)內(nèi)行進，當(dāng)洪峰到達滯洪區(qū)末端后，-(35+250)～1+800沿線堤段部分區(qū)域的洪水開始消退，露出地面。

3.3 北金堤堤防風(fēng)險分析

根據(jù)北金堤滯洪區(qū)洪水運動模型成果，滯洪區(qū)蓄洪水深情況見表2—3。由此可見，大廣高速以上堤防，主要涉及滑縣白道口至濮陽縣南堤村，在滯洪工況下，堤防所承擔(dān)的滯洪任務(wù)下降，如圖14—15所示，大廣高速以上堤段(樁號-35+250～-15+600)最大水深僅0.8m，結(jié)合實測地形，該區(qū)域地形地貌變化較大，現(xiàn)狀地勢較高，加上該段堤防未整體偎水，滯洪壓力很小。大廣高速以下堤段仍需要承擔(dān)滯洪作用。

表2 北金堤滯洪區(qū)風(fēng)險分區(qū)及相應(yīng)水流特性

表3 北金堤滯洪蓄水情況統(tǒng)計表

4 結(jié)語

根據(jù)北金堤滯洪區(qū)洪水演進模擬成果，在渠村閘分洪總量20億m3，金堤河入流7億m3為條件下，北金堤滯洪區(qū)可在黃河下游超標(biāo)準洪水條件下有效承擔(dān)滯洪作用，自“八五攻關(guān)”以來，北金堤滯洪區(qū)地形地貌變化致大廣高速西北區(qū)域滯洪能力下降。結(jié)合這部分區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的情況，在不影響北金堤滯洪區(qū)分洪總量的前提下，可將該區(qū)域有序的調(diào)整出北金堤滯洪區(qū)域，大力發(fā)展經(jīng)濟，提高當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展能力。下一步應(yīng)對北金堤滯洪區(qū)大廣高速的涵洞和橋梁進行防洪封堵方案研究，為調(diào)整北金堤滯洪區(qū)提供可操作性的防洪方案，既滿足防洪需要，又促進地方的經(jīng)濟發(fā)展。