潰口寬度和糙率對黃河下游保護區洪水風險影響分析

蘇磊 張寶森 田治宗 謝志剛 于國卿

摘 要：以黃河下游臺前—津浦鐵路橋左岸防洪保護區為研究對象，基于Mike21 模型建立了防洪保護區洪水演進模型，模擬了保護區內下墊面糙率、潰口寬度變化時保護區內洪水演進規律，定量分析了下墊面改變、潰口展寬對保護區內洪水淹沒面積和洪水演進速度的影響，并用水量平衡法對模型精度進行了驗證。研究表明：隨著保護區內糙率的改變，保護區內淹沒面積變化率不大。潰口展寬對保護區內洪水演進的影響更明顯;隨著潰口寬度的增大，保護區內淹沒面積明顯增大，洪水演進速度更快。針對變化環境下黃河下游潰堤洪水淹沒面積較大且演進距離較長的情況，潰口展寬比糙率變化對淹沒范圍和洪水演進速度影響更大，會造成更大的淹沒損失;且保護區面積越大，其淹沒面積絕對值越大，堵口的作用越大，越早越快堵口總損失越小。

關鍵詞：洪水;風險;潰口寬度;糙率;防洪保護區;黃河下游

中圖分類號：O383;TV882.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.12.010

引用格式：蘇磊，張寶森，田治宗，等.潰口寬度和糙率對黃河下游保護區洪水風險影響分析[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，河勢復雜多變，“二級懸河”形勢嚴峻，大洪水風險依然沒有根本解除。黃河下游保護區涉及河南、河北、山東、安徽及江蘇5個省的110個縣（區），還涉及淮河、沂沭泗河、小清河、漳衛新河、馬頰河、徒駭河等流域[1]。隨著經濟社會的飛速發展，防洪保護區內的人口和財富不斷增加，尤其是保護區內公路、鐵路、橋梁等基礎設施的不斷建設，使得保護區內社會經濟、防洪形勢發生變化。因此，研究變化環境下保護區內洪水風險、洪水演進規律及其災害特征，分析變化環境下潰堤洪水演進規律，對黃河下游防洪減災具有重要意義。本文以黃河下游臺前—津浦鐵路橋左岸防洪保護區為研究對象，基于Mike21 模型建立防洪保護區洪水演進模型，模擬保護區內下墊面糙率、潰口寬度變化時保護區內洪水演進規律，定量分析下墊面改變、潰口展寬對保護區內洪水淹沒面積和洪水演進速度的影響，以期為黃河下游保護區洪水風險管理、防災避險提供技術參考。

2 研究區域概況

本研究防洪保護區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。保護區涉及山東省5個市24個縣（區）：聊城市的東阿縣、東昌府區、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，濟南市的濟陽縣、商河縣，濱州市濱城區及所屬的惠民縣、沾化區、無棣縣、陽信縣，東營市河口區、利津縣，保護區位置及范圍見圖1。

3 數學模型

3.1 控制方程

由于本次研究區域計算邊界不規則，結構化網格難以滿足精度要求，因此選用Mike21非結構化網格模型來進行洪水演進模擬。Mike21 FM二維非恒定流計算模塊是基于二維不可壓縮流體雷諾平均應力方程式（1）～式（6）開發的。

模型計算范圍如圖1所示，右側以黃河大堤為界，右上側以渤海灣為界，左側邊界根據前期多次試算結果確定。確定邊界后，采用Mike21模型基于非結構化網格[2]對模擬區域劃分網格，對區域內地形變化大、邊界復雜及高出地面0.5 m的線狀物沿線兩側以及徒駭河、馬頰河等重要河湖網格進行局部加密。剖分后計算區域內網格總數為145 767個，節點數為80 079個。

3.2 計算條件

本次洪水風險影響分析選擇歷史上多次發生險情的周門前村口門為研究對象，分析此處堤防決口后，洪水在保護區內的演進過程。根據潰口相關研究成果[3-4]，考慮最不利的情況，假定黃河干流發生“1933型”近1 000 a一遇洪水并將其演進至潰口斷面，得到斷面相應的流量過程。口門的決口時機為口門斷面大河流量超過10 000 m3/s。根據文獻[4]中提出的潰口分流比計算方法，決口48 h內，口門分洪流量占斷面比例由60%增至80%，48 h后分流比進一步加大，4 d后全河奪流，分洪比達到100%，分洪情況見表1、圖2。

3.3 計算參數與計算方案

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區洪水演進情況，計算方案見表2，潰口均為矩形，考慮堤防瞬時潰決。方案1～3研究不同糙率條件下保護區內洪水演進情況，方案4～6研究不同潰口寬度對保護區洪水演進的影響。

3.4 模擬結果

當黃河發生“1933型”近1 000 a一遇上大洪水，周門前村口門處堤防發生潰決時，洪水歷時954 h，洪水演進最終時刻淹沒水深、范圍見圖3、表3、圖4，其中圖3（a）～圖3（c）對應表2中方案1～3，圖4（a）～圖4（c）對應表2中方案4～6。

3.4.1 糙率變化對洪水淹沒面積的影響

根據研究區域1∶50 000基礎地理信息數據，提取區域內土地利用類型，并依據《洪水風險圖編制導則》設置不同土地類型的糙率[5-6]。由計算結果可知，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的變化對洪水最大淹沒面積影響較小。

與方案1相比，方案2洪水演進速度變慢，相同時刻洪水淹沒面積變小，洪水在近處洼地水深變大，遠處洼地水深變小，從而導致近處洼地淹沒水深及范圍略大，遠處洼地淹沒水深及范圍略小，當洪水演進至穩定后，兩個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洪水演進速度變快，相同時刻洪水淹沒面積變大，洪水在近處洼地水深變小，遠處洼地水深變大，從而導致近處洼地淹沒水深及范圍略小，遠處洼地淹沒水深及范圍略微增大。當洪水演進至穩定后，兩個方案最終淹沒面積和最大淹沒水深差別不大。

3.4.2 潰口寬度對淹沒面積、洪水演進時間的影響

方案4～方案6潰口寬度對淹沒面積、洪水演進時間的影響見表4。由圖4、表4可知，潰口寬度變化對保護區淹沒面積和洪水演進時間影響都較大，潰口寬度從300 m增大至700 m時保護區內淹沒面積增大2.2%;潰口寬度從300 m增大至1 400 m時保護區內淹沒面積增大7.9%。潰口寬度增大，淹沒面積變化率呈增大趨勢。

由圖5可以看出，隨著潰口的展寬，保護區內淹沒面積、洪水演進速度均有不同程度的增大，而且淹沒面積越大的保護區，其淹沒面積增加的絕對值越大。與保護區內糙率的變化相比，潰口寬度的展寬會造成更大的淹沒損失。潰口寬度的增大對洪水演進的影響更明顯，隨著潰口的展寬，保護區內淹沒面積明顯增大，洪水演進速度更快。

4 模型驗證

水量平衡分析，即根據計算分區來流量、出流量和區內分區淹沒水量，分析來流量減去出流量與區內總水量的誤差。以發生“1933型”近1 000 a一遇上大洪水、潰口處發生700 m寬度潰決為計算條件，模型計算來流量為189.9 億m3，保護區內總水量為計算時段末保護區總水量減去計算時段初保護區總水量，見表5。來流量減去出流量與區內淹沒總水量的相對誤差為4.21×10-5，滿足水量平衡要求，認為洪水模擬結果合理。

5 結 論

本文以黃河下游臺前—津浦鐵路橋左岸防洪保護區為研究對象，基于Mike21 模型建立了防洪保護區洪水演進模型，模擬了保護區內下墊面糙率、潰口寬度等條件變化時保護區內洪水演進情況，模型計算精度高，嚴格滿足水量平衡。綜合分析以上6種計算方案表明，隨著保護區內糙率的改變，保護區內淹沒范圍的變化不大;潰口寬度的增大對洪水演進的影響更明顯，隨著潰口的展寬，保護區內淹沒面積增大明顯，洪水演進速度更快。針對變化環境下黃河下游潰堤洪水淹沒面積較大且演進距離較長的情況，潰口展寬比糙率變化對淹沒范圍和洪水演進速度影響更大，會造成更大的淹沒損失。保護區面積越大，其淹沒面積絕對值越大，堵口的作用越大，越早越快堵口總損失越小。

參考文獻：

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[6] 王曉磊，韓會玲，李洪晶.寧晉泊和大陸澤蓄滯洪區洪水淹沒歷時及洪水風險分析[J].水電能源科學，2013，31（8）：59-62.

【責任編輯 許立新】