黃河下游北金堤滯洪區洪水演進模擬及風險分析

倪菲菲,李利琴,曹 魁

(河南黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

北金堤滯洪區位于黃河下游高村-陶城鋪寬河段轉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1951年由國務院批準興建，是處理黃河下游超標準洪水的重要措施，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。加快滯洪區建設步伐，不僅關系到滯洪區內100多萬人民群眾及沿黃廣大人民群眾的生命財產安全，還關系到整個黃淮海平原的安危，國家穩定的大局[2]。

1951年，根據政務院“關于預防黃河異常洪水的決定”，黃河下游開辟興建北金堤滯洪區，當時的分洪口門設在長垣縣孟崗石頭莊，采用溢洪埝形式，設計分洪流量5100m3/s。經過對海河“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設計分洪能力10000m3/s，可有效地分滯黃河洪水20億m3，退水口門設在臺前縣的張莊閘。

北金堤滯洪區的洪水演進分析最近的也是“八五”攻關期間開展的“黃河下游灘區、分滯洪區風險分析和減災研究”[3]，鑒于北金堤滯洪區從未啟用，多年來滯洪區內修建很多非防洪工程，地形地貌發生較大變化，滯洪區滯洪淹沒情況可能發生變化，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，開展滯洪區洪水演算模擬研究非常必要的。

1 北金堤滯洪區概述

1.1 北金堤滯洪區現狀

北金堤滯洪區地處黃泛平原，是古黃河與現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。北金堤滯洪區淹沒范圍[4]包含河南、山東2省3市63個鄉(鎮)。全區上寬下窄，狀如羊角，長171km，寬7～40km，總面積2316km2。區內地勢西高東低，平均比降l/5000。區內現狀人口205.07萬，耕地241.23萬畝。

圖1 黃河歷史演變圖

1.2 北金堤滯洪區運用方式

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

1963年國務院《關于黃河下游防洪問題的幾項決定》中明確規定：當花園口發生超過22000m3/s洪峰時，應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，國務院批轉水利電力部《關于黃河、長江、淮河、永定河防御特大洪水方案報告的通知》中確定：花園口站發生22000m3/s以上至30000m3/s時，除利用東平湖滯洪外，還要根據情況，確定是否開放北金堤滯洪區。

小浪底水庫建成后，與其它三庫聯合調度運用，可將花園口1000年一遇洪水由42300m3/s削減至22600m3/s。當發生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，并預測孫口站可能超過17500m3/s，北金堤滯洪區在高村站流量達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20h左右抵達滑縣四間房鄉，歷經約121h后，由臺前縣張莊閘退入黃河。

北金堤滯洪區滯洪后，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“黃河下游灘區、分滯洪區風險分析和減災研究”模擬洪水演進成果，渠村閘分洪20億m3作為北金堤滯洪區滯洪時的典型洪水，對滯洪區內洪水演進情況及其特性進行研究。根據滯洪區內不同位置滯洪水位、最大淹沒水深、淹沒歷時等技術指標，評定各區域的洪水風險程度，以此劃分為10個區域。

目前北金堤滯洪區從未使用，考慮到滯洪區內涉及人口眾多，隨著小浪底水庫的運用，北金堤滯洪區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，在黃河下游發生超標準洪水時，是采取的“犧牲局部，顧全大局”的一項臨時(或應急)分洪措施[7]。

1.3 北金堤滯洪區防洪工程

北金堤滯洪區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，北金堤滯洪區開辟以后，成為滯洪區的北邊圍堤。經1978—1979年培修后，現狀北金堤堤防上起河南省安陽市滑縣白道口鎮，下至山東省陽谷縣陶城埠，長為158.585km，相應樁號為-(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(相應黃河大堤樁號為47+776～48+525)是在黃河發生特大洪水時，向北金堤滯洪區分洪的大型工程，設計最大分洪流量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(相應黃河大堤樁號為193+895)位于河南省臺前縣境內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 北金堤滯洪區主要非防洪工程

北金堤滯洪區內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，引黃入冀補淀工程河南段內全長約84km，在第三濮清南干渠基礎上改建而成。位置圖如圖3所示。

圖3 北金堤滯洪區主要非防洪工程位置圖

2 滯洪區洪水演進模擬

本次模擬采用二維非恒定流洪水演進數學模型，對北金堤滯洪區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，本次在八五攻關成果的基礎上建立二維洪水演進模型。根據河南省測繪局2017年實測的北金堤滯洪區地形圖(1∶10000)，結合實地調查，主要是近年來新增的規模較大的路、橋要加入地形中，確定模型采用的滯洪區的地形，生成計算區域的數字高程模型(DEM)。道路和渠堤等，除各道路沿線設置的特大橋、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)，并沿其走向對網格進行加密。

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

圖4 滯洪區邊界圖

圖5 滯洪區高程圖

圖6 北金堤為邊界的滯洪區網格剖分圖

2.2 邊界條件及參數選取

模型計算范圍確定后，根據滯洪區地理位置、構筑物、地形及使用方式等情況，確定模型計算的邊界條件和參數。

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洪水運動模型，采用二維非恒定流洪水演進數學模型，對北金堤滯洪區洪水演進過程進行模擬，模型計算條件采用“八五”攻關成果的計算條件，即黃河下游發生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雜，目前尚難建立糙率與二維模型中的可利用變量的關系，如流量、含沙量、水深等之間的關系，為此主槽糙率取常數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

干濕邊界和渦粘系數等指標采用默認值，不考慮風浪、溫度等因素的影響。

3 洪水演進計算結果分析

3.1 模型驗證

選取“八五攻關”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整目標，進行洪水演進驗證。

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

3.2 演進分析

根據選定的計算范圍和條件，經計算得到北金堤滯洪區不同時段(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，北金堤滯洪區由渠村閘開始向滯洪區分洪，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，滯洪區工程前后水深、流速分布見圖8—9。根據計算此時滯洪區入洪量為4.25億m3。

圖8 第16小時末滯洪區水深分布圖(單位：m)

圖9 第16小時末滯洪區流速分布圖(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，金堤河繼續入流，流量保持800m3/s。至第72h末，滯洪區工程前后水深、流速分布見圖10—11。此時滯洪區入洪量為22.39億m3。

圖10 第72小時末滯洪區水深分布圖(單位：m)

第72h后，渠村閘關閉不再分洪，洪水在滯洪區內繼續推進，金堤河繼續入流流量800m3/s，直至第240h末。此時滯洪區的總滯洪量為27億m3，滯洪區工程前后水深、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，由于渠村閘關閉以后，洪峰過程繼續在滯洪區內行進，當洪峰到達滯洪區末端后，-(35+250)～1+800沿線堤段部分區域的洪水開始消退，露出地面。

3.3 北金堤堤防風險分析

根據北金堤滯洪區洪水運動模型成果，滯洪區蓄洪水深情況見表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，堤防所承擔的滯洪任務下降，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，結合實測地形，該區域地形地貌變化較大，現狀地勢較高，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滯洪作用。

表2 北金堤滯洪區風險分區及相應水流特性

表3 北金堤滯洪蓄水情況統計表

4 結語

根據北金堤滯洪區洪水演進模擬成果，在渠村閘分洪總量20億m3，金堤河入流7億m3為條件下，北金堤滯洪區可在黃河下游超標準洪水條件下有效承擔滯洪作用，自“八五攻關”以來，北金堤滯洪區地形地貌變化致大廣高速西北區域滯洪能力下降。結合這部分區域經濟發展的情況，在不影響北金堤滯洪區分洪總量的前提下，可將該區域有序的調整出北金堤滯洪區域，大力發展經濟，提高當地的經濟發展能力。下一步應對北金堤滯洪區大廣高速的涵洞和橋梁進行防洪封堵方案研究，為調整北金堤滯洪區提供可操作性的防洪方案，既滿足防洪需要，又促進地方的經濟發展。