基于水動力耦合模型的洪水影響分析

摘 "要：洪澇災(zāi)害是發(fā)生頻率高、危害范圍廣、對國民經(jīng)濟影響最為嚴重乃至威脅人類生存的自然災(zāi)害之一。洪水的產(chǎn)生、匯集和演進是一項復(fù)雜的時空變換過程，如何快速理解并直觀顯示洪水活動及其影響，更好地為城市布局及工業(yè)園區(qū)規(guī)劃提供科學決策尤為重要。該文以水文學原理為基礎(chǔ)，結(jié)合洪水特征及其影響因素建立水動力學耦合模型，進行洪水分析計算，提出不同場景下的洪水時空分布與動態(tài)演進歷程，對提升洪水預(yù)測預(yù)警、災(zāi)害區(qū)劃精度、應(yīng)急救災(zāi)管理及風險防控具有重要指導(dǎo)意義。以沭河流域洪水為例，結(jié)合洪水調(diào)度過程，分析城市工業(yè)園區(qū)所受的洪水風險及其影響，為規(guī)劃選址提供科學決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：洪澇災(zāi)害；水文學；水動力學耦合模型；洪水風險；潰堤分析

中圖分類號：TV122.4 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2023）20-0088-05

Abstract： Flood disaster is one of the natural disasters with high frequency， wide range of harm， the most serious impact on the national economy and even a threat to human survival. The generation， collection and evolution of flood is a complex spatio-temporal transformation process. How to quickly understand and intuitively display flood activities and their effects is particularly important to better provide scientific decision-making for urban layout and industrial park planning. Based on the principle of hydrology， combined with flood characteristics and its influencing factors， this paper establishes a hydrodynamic coupling model， carries out flood analysis and calculation， and puts forward the temporal and spatial distribution and dynamic evolution of flood in different scenes. It has important guiding significance for improving flood prediction and early warning， disaster regionalization accuracy， emergency disaster relief management and risk prevention and control. Taking the flood in the Shuhe River Basin as an example， combined with the flood dispatching process， the flood risk and its impact on the urban industrial park are analyzed， so as to provide a scientific decision-making basis for planning and location.

Keywords： flood disaster; hydrology; hydrodynamic coupling model; flood risk; dike break analysis

全球變暖背景下頻發(fā)的暴雨洪澇災(zāi)害近年來呈明顯上升趨勢，伴隨城鎮(zhèn)化進程中天然河道格局改變、下墊面不透水性增加、地下空間開發(fā)利用等，受災(zāi)范圍不斷擴大。暴雨洪澇災(zāi)害對國民經(jīng)濟造成的損失越加嚴重，已居各類自然災(zāi)害之首。但當前應(yīng)對極端氣候災(zāi)害的狀況仍未發(fā)生根本改變，洪澇災(zāi)害風險高，保障措施脆弱。為有效發(fā)揮現(xiàn)有防洪體系的作用，急需深入分析雨洪時空分布特征，準確理解并直觀顯示洪水活動軌跡及影響范圍等，將洪水的產(chǎn)生、匯集、演進和調(diào)度全過程進行模擬，更好地為城市布局及工業(yè)園區(qū)規(guī)劃提供科學決策，并采取有效的手段對暴雨洪澇災(zāi)害進行預(yù)防管控。

1 "研究區(qū)概況

1.1 "區(qū)域概況

沭河發(fā)源于沂山南麓，流經(jīng)莒縣、臨沭、新沂于口頭入新沂河，全長300 km，流域面積6 400 km2。大官莊上游沭河洪水與分沂入沭水道分泄的沂河洪水匯合后由大官莊樞紐控制，東經(jīng)泄洪閘由新沭河東調(diào)入海，南由人民勝利堰閘控制南下至口頭入新沂河。

沭河湯河口以上現(xiàn)狀防洪標準為20年一遇，湯河口以下現(xiàn)狀防洪標準為50年一遇，湯河口至大官莊段設(shè)計流量為8 150 m3/s，大官莊至塔山閘段設(shè)計流量為2 500 m3/s，塔山閘以下設(shè)計流量為3 000 m3/s。

臨沭縣省級工業(yè)園區(qū)位于沭河流域內(nèi)，緊鄰沭河左堤布置。根據(jù)相關(guān)規(guī)劃，沭河左側(cè)堤防臨沭段現(xiàn)狀設(shè)計防洪標準為50年一遇；遠期提標工程規(guī)劃防洪標準為100年一遇，堤防級別為1級。

綜合考慮項目區(qū)周邊地形、道路水系分布、潰堤洪水可能的影響范圍，確定本次研究區(qū)域：西側(cè)以沭河臨沭段左堤為界；東側(cè)以蒼源河為界；北側(cè)以韓村河流域分水嶺為界；南側(cè)以臨沭段新沭河為界。該區(qū)域南北長約31.673 km，東西寬約13.35 km，總面積322.42 km2。

1.2 "洪水安排

依據(jù)《沂沭泗河洪水調(diào)度方案》（國汛[2012]8號文批復(fù)），現(xiàn)狀年沭河洪水調(diào)度如下。

1）當沭河大官莊樞紐洪量小于3 000 m /s時，人民勝利堰閘下泄流量不超過1 000 m3/s，剩余洪量由新沭河閘下泄。當下游石梁河水庫水位將超過汛限水位時，水庫騰泄以接納上游洪水。當下游石梁河水庫需控泄流量時，保障庫水位不超過24.5 m，并在洪峰過后及時恢復(fù)到汛限水位。

2）當沭河大官莊樞紐洪量為3 000～7 500 m3/s時，視新沂河、老沭河行洪能力，人民勝利堰閘下泄量不超過2 500 m3/s，新沭河閘下泄量不超過5 000 m3/s；石梁河水庫預(yù)泄騰庫接納上游洪水，泄洪控制水位不超過25.0 m，并于洪峰過后及時恢復(fù)到汛限水位。

3）當沭河大官莊樞紐洪峰流量為7 500～8 500 m3/s時，視新沂河、老沭河行洪能力，人民勝利堰閘下泄量不超過2 500 m3/s，新沭河閘下泄量不超過6 000 m3/s；石梁河水庫預(yù)泄騰庫接納上游洪水，泄洪控制水位不超過26.00 m，并于洪峰過后及時恢復(fù)到汛限水位。

4）當沭河大官莊樞紐洪峰流量超過8 500 m3/s，洪水盡量東調(diào)，控制新沭河閘下泄流量不超過6 500 m3/s；視新沂河、老沭河行洪能力，人民勝利堰閘下泄量不超過3 000 m3/s。當采取上述措施仍不滿足度汛要求時，超額洪水在大官莊樞紐上游區(qū)域采取應(yīng)急處置措施。

2 "分析計算方法

洪水風險分析主要包括基礎(chǔ)資料的收集與處理、計算范圍的確定、河道及保護對象地形數(shù)據(jù)的獲取與處理、設(shè)計洪水計算、水面線計算、淹沒圖繪制及成果匯總等工作?；诒┯陼r空特征數(shù)據(jù)、流域及其河道地形地勢、沿河村落及城（集）鎮(zhèn)、水庫、堤防等基礎(chǔ)資料，以及遙感影像、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、山丘區(qū)設(shè)計暴雨洪水等成果，針對項目區(qū)具體情況，分析項目在典型頻率暴雨洪水和超標準洪水下的淹沒情況，繪制洪水淹沒圖。

本次采用有限體積法結(jié)合非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模擬二維水流。網(wǎng)格剖分采用三角形網(wǎng)格對模擬區(qū)域進行剖分，在高程變化不大、邊界平順的區(qū)域，適當加大網(wǎng)格；在河道、堤防、道路等重要的地物附近，適當加密網(wǎng)格，提高模擬精度。模型采用的最大網(wǎng)格面積為3 000 m2，最小網(wǎng)格面積為44.50 m2，平均網(wǎng)格面積為1 212 m2。

各模擬區(qū)下墊面糙率取值見表1。

3 "洪水現(xiàn)狀復(fù)核分析

沭河部分斷面100年一遇設(shè)計洪水成果見表2。

當沂沭泗河流域發(fā)生100年一遇洪水時，初步擬定沂沭泗河洪水安排方案如下。

沭河湯河口至大官莊樞紐設(shè)計洪水為10 660 m3/s，分沂入沭來水0～4 000 m3/s，二者疊加后大官莊以上最大設(shè)計洪水流量為11 300 m3/s，由人民勝利堰閘和新沭河泄洪閘分泄，余額洪水啟用分洪道分泄。沭河人民勝利堰下泄3 000 m3/s。新沭河泄洪閘下泄8 300 m3/s。新沭河石梁河水庫泄洪閘以下河道防洪能力受石梁河水庫控制，發(fā)生100年一遇洪水時，石梁河水庫下泄7 000 m3/s，新沭河臨洪河以下洪水流量為7 600 m3/s。

100年一遇洪水沭河設(shè)計流量以大官莊樞紐為分界線，其中大官莊以下段設(shè)計流量3 000 m3/s，大官莊到湯河口段設(shè)計流量11 300 m3/s。蘇魯省界以上設(shè)計水位，以蘇魯省界水位30.54 m作為推算起點水位。沭河現(xiàn)狀行洪能力及提標復(fù)核計算成果見表3。

根據(jù)表3計算成果可知，在擬定的沂沭泗河洪水安排方案下，以100年一遇洪水標準復(fù)核，沭河臨沭段實際過流能力已經(jīng)滿足沭河100年一遇洪水標準，對工業(yè)園區(qū)無影響。

4 "潰堤分析

如前所述，當沂沭泗河流域發(fā)生100年一遇洪水時，對沭河洪水的安排，存在啟用大官莊北側(cè)應(yīng)急處理區(qū)的可能。即大官莊樞紐洪峰流量超過11 300 m3/s，爆破朱果村南應(yīng)急處理區(qū)；人民勝利堰分洪不超過3 000 m3/s，新沭河泄洪閘下泄6 500 m3/s；對除潰口以外的其他堤防缺口進行封堵。

4.1 "洪水演進過程

建模并進行數(shù)值計算，潰堤洪水演進過程及淹沒范圍如圖1—圖7所示。

4.2 "洪水演進分析

潰堤開始1 h：洪水自朱果村南沭河右堤潰出，受路基段阻隔，向兩側(cè)擴散；其中向北側(cè)演進的水流一部分沿路基外側(cè)繼續(xù)向北演進，一部分越過路基沿地形向東推進；向南側(cè)演進的洪水，繞過路基末端橋臺，沿地形向東流動。

潰堤開始16 h：因沭東村、吳家莊地勢低洼，洪水優(yōu)先向南流動。

潰堤開始25 h：洪水在向南向北推進的過程中，會優(yōu)先向牛腿溝匯集，左右岸村莊水深最大為1.6～1.8 m。

潰堤開始44 h：小股洪水從工業(yè)園區(qū)南側(cè)入侵，但未造成較大范圍淹沒。隨著進洪量的加大，洪水繼續(xù)沿地形向北演進。

潰堤開始58 h：隨著干流洪水消退，工業(yè)園區(qū)淹沒水深達到最大。

通過對計算結(jié)果進行后處理，得到潰堤過程中各點所經(jīng)歷的最大淹沒水深。

從圖8可以看出，朱果村沭河段潰堤時，工業(yè)園區(qū)進水情況并不嚴重，最大淹沒水深0.8 m，洪水對青石路未造成較大影響，最大水深僅0.6 m；因潰決位置在下游，大部分洪水多匯入牛腿溝匯入到新沭河。

最大流速出現(xiàn)在潰口附近及潰口北側(cè)路基段，其中工業(yè)園區(qū)附近流速可達0.05 m/s，相鄰路基段最大流速為0.04 m/s。

洪峰來臨時刻，局部流場如圖9所示。

淹沒歷時等值線如圖10所示。

由淹沒歷時分布圖可知，工業(yè)園區(qū)達到最長淹沒的時間約為72 h。

洪水從朱果村缺口潰堤時，最大潰堤流量1 800 m3/s，潰口附近最大流速超過2 m/s。大部分洪水順著地形向下，小股洪水沿著河道北上，沿路基分別向南北兩側(cè)推進。因工業(yè)園區(qū)場坪距離潰口較遠，最大水深為0.8 m。

總體而言，洪水從朱果村缺口潰堤時，對工業(yè)園區(qū)影響不大，但對路基安全會造成一定的影響。

5 "結(jié)束語

1）通過對沭河現(xiàn)狀防洪能力復(fù)核計算，沭河臨沭段防洪標準已達到100年一遇洪水標準，能夠安全度汛，對工業(yè)園區(qū)無影響。

2）考慮沂沭泗河洪水調(diào)度情況，一旦啟用大官莊北側(cè)應(yīng)急處理區(qū)，工業(yè)園區(qū)最高淹沒水深為0.8 m，可在規(guī)劃該園區(qū)時考慮自保措施以達到防洪要求。

3）結(jié)合洪水演進分析，提升洪水預(yù)測預(yù)警能力，進一步優(yōu)化汛期調(diào)度方案，制定避洪轉(zhuǎn)移對策等。

4）在后續(xù)研究中，應(yīng)進一步分析洪水時空影響因子，優(yōu)化模擬情景及邊界條件，提高洪水演進分析的智能水平。

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