溃口宽度和糙率对黄河下游保护区洪水风险影响分析

苏磊 张宝森 田治宗 谢志刚 于国卿

摘 要：以黄河下游台前—津浦铁路桥左岸防洪保护区为研究对象，基于Mike21 模型建立了防洪保护区洪水演进模型，模拟了保护区内下垫面糙率、溃口宽度变化时保护区内洪水演进规律，定量分析了下垫面改变、溃口展宽对保护区内洪水淹没面积和洪水演进速度的影响，并用水量平衡法对模型精度进行了验证。研究表明：随着保护区内糙率的改变，保护区内淹没面积变化率不大。溃口展宽对保护区内洪水演进的影响更明显;随着溃口宽度的增大，保护区内淹没面积明显增大，洪水演进速度更快。针对变化环境下黄河下游溃堤洪水淹没面积较大且演进距离较长的情况，溃口展宽比糙率变化对淹没范围和洪水演进速度影响更大，会造成更大的淹没损失;且保护区面积越大，其淹没面积绝对值越大，堵口的作用越大，越早越快堵口总损失越小。

关键词：洪水;风险;溃口宽度;糙率;防洪保护区;黄河下游

中图分类号：O383;TV882.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.12.010

引用格式：苏磊，张宝森，田治宗，等.溃口宽度和糙率对黄河下游保护区洪水风险影响分析[J].人民黄河，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

黃河下游河道极其特殊，河床高悬，河势复杂多变，“二级悬河”形势严峻，大洪水风险依然没有根本解除。黄河下游保护区涉及河南、河北、山东、安徽及江苏5个省的110个县（区），还涉及淮河、沂沭泗河、小清河、漳卫新河、马颊河、徒骇河等流域[1]。随着经济社会的飞速发展，防洪保护区内的人口和财富不断增加，尤其是保护区内公路、铁路、桥梁等基础设施的不断建设，使得保护区内社会经济、防洪形势发生变化。因此，研究变化环境下保护区内洪水风险、洪水演进规律及其灾害特征，分析变化环境下溃堤洪水演进规律，对黄河下游防洪减灾具有重要意义。本文以黄河下游台前—津浦铁路桥左岸防洪保护区为研究对象，基于Mike21 模型建立防洪保护区洪水演进模型，模拟保护区内下垫面糙率、溃口宽度变化时保护区内洪水演进规律，定量分析下垫面改变、溃口展宽对保护区内洪水淹没面积和洪水演进速度的影响，以期为黄河下游保护区洪水风险管理、防灾避险提供技术参考。

2 研究区域概况

本研究防洪保护区范围西起金堤河入黄口，北沿东阿—茌平—禹城—临邑—商河—惠民—无棣一线向东至渤海，南沿黄河大堤向东至滨州后折向北，于沾化县沿徒骇河至渤海，面积约20 000 km2。保护区涉及山东省5个市24个县（区）：聊城市的东阿县、东昌府区、高唐县、临清市、莘县、阳谷县、茌平县，德州市的乐陵县、陵县、临邑县、齐河县、禹城市、宁津县、庆云县、平原县，济南市的济阳县、商河县，滨州市滨城区及所属的惠民县、沾化区、无棣县、阳信县，东营市河口区、利津县，保护区位置及范围见图1。

3 数学模型

3.1 控制方程

由于本次研究区域计算边界不规则，结构化网格难以满足精度要求，因此选用Mike21非结构化网格模型来进行洪水演进模拟。Mike21 FM二维非恒定流计算模块是基于二维不可压缩流体雷诺平均应力方程式（1）～式（6）开发的。

模型计算范围如图1所示，右侧以黄河大堤为界，右上侧以渤海湾为界，左侧边界根据前期多次试算结果确定。确定边界后，采用Mike21模型基于非结构化网格[2]对模拟区域划分网格，对区域内地形变化大、边界复杂及高出地面0.5 m的线状物沿线两侧以及徒骇河、马颊河等重要河湖网格进行局部加密。剖分后计算区域内网格总数为145 767个，节点数为80 079个。

3.2 计算条件

本次洪水风险影响分析选择历史上多次发生险情的周门前村口门为研究对象，分析此处堤防决口后，洪水在保护区内的演进过程。根据溃口相关研究成果[3-4]，考虑最不利的情况，假定黄河干流发生“1933型”近1 000 a一遇洪水并将其演进至溃口断面，得到断面相应的流量过程。口门的决口时机为口门断面大河流量超过10 000 m3/s。根据文献[4]中提出的溃口分流比计算方法，决口48 h内，口门分洪流量占断面比例由60%增至80%，48 h后分流比进一步加大，4 d后全河夺流，分洪比达到100%，分洪情况见表1、图2。

3.3 计算参数与计算方案

本次研究分两种情况，即糙率变化和溃口宽度变化情况下保护区洪水演进情况，计算方案见表2，溃口均为矩形，考慮堤防瞬时溃决。方案1～3研究不同糙率条件下保护区内洪水演进情况，方案4～6研究不同溃口宽度对保护区洪水演进的影响。

3.4 模拟结果

当黄河发生“1933型”近1 000 a一遇上大洪水，周门前村口门处堤防发生溃决时，洪水历时954 h，洪水演进最终时刻淹没水深、范围见图3、表3、图4，其中图3（a）～图3（c）对应表2中方案1～3，图4（a）～图4（c）对应表2中方案4～6。

3.4.1 糙率变化对洪水淹没面积的影响

根据研究区域1∶50 000基础地理信息数据，提取区域内土地利用类型，并依据《洪水风险图编制导则》设置不同土地类型的糙率[5-6]。由计算结果可知，方案1、方案2和方案3洪水最终淹没面积分别为13 484.1、13 686.4、13 376.2 km2，与方案1相比，方案2淹没面积增大约1.5%，方案3减少约0.8%，表明糙率值在一定范围内的变化对洪水最大淹没面积影响较小。

与方案1相比，方案2洪水演进速度变慢，相同时刻洪水淹没面积变小，洪水在近处洼地水深变大，远处洼地水深变小，从而导致近处洼地淹没水深及范围略大，远处洼地淹没水深及范围略小，当洪水演进至稳定后，两个方案最终淹没面积和最大淹没水深差别不大。与方案1相比，方案3洪水演进速度变快，相同时刻洪水淹没面积变大，洪水在近处洼地水深变小，远处洼地水深变大，从而导致近处洼地淹没水深及范围略小，远处洼地淹没水深及范围略微增大。当洪水演进至稳定后，两个方案最终淹没面积和最大淹没水深差别不大。

3.4.2 溃口宽度对淹没面积、洪水演进时间的影响

方案4～方案6溃口宽度对淹没面积、洪水演进时间的影响见表4。由图4、表4可知，溃口宽度变化对保护区淹没面积和洪水演进时间影响都较大，溃口宽度从300 m增大至700 m时保护区内淹没面积增大2.2%;溃口宽度从300 m增大至1 400 m时保护区内淹没面积增大7.9%。溃口宽度增大，淹没面积变化率呈增大趋势。

由图5可以看出，随着溃口的展宽，保护区内淹没面积、洪水演进速度均有不同程度的增大，而且淹没面积越大的保护区，其淹没面积增加的绝对值越大。与保护区内糙率的变化相比，溃口宽度的展宽会造成更大的淹没损失。溃口宽度的增大对洪水演进的影响更明显，随着溃口的展宽，保护区内淹没面积明显增大，洪水演进速度更快。

4 模型验证

水量平衡分析，即根据计算分区来流量、出流量和区内分区淹没水量，分析来流量减去出流量与区内总水量的误差。以发生“1933型”近1 000 a一遇上大洪水、溃口处发生700 m宽度溃决为计算条件，模型计算来流量为189.9 亿m3，保护区内总水量为计算时段末保护区总水量减去计算时段初保护区总水量，见表5。来流量减去出流量与区内淹没总水量的相对误差为4.21×10-5，满足水量平衡要求，认为洪水模拟结果合理。

5 结 论

本文以黄河下游台前—津浦铁路桥左岸防洪保护区为研究对象，基于Mike21 模型建立了防洪保护区洪水演进模型，模拟了保护区内下垫面糙率、溃口宽度等条件变化时保护区内洪水演进情况，模型计算精度高，严格满足水量平衡。综合分析以上6种计算方案表明，随着保护区内糙率的改变，保护区内淹没范围的变化不大;溃口宽度的增大对洪水演进的影响更明显，随着溃口的展宽，保护区内淹没面积增大明显，洪水演进速度更快。针对变化环境下黄河下游溃堤洪水淹没面积较大且演进距离较长的情况，溃口展宽比糙率变化对淹没范围和洪水演进速度影响更大，会造成更大的淹没损失。保护区面积越大，其淹没面积绝对值越大，堵口的作用越大，越早越快堵口总损失越小。

参考文献：

[1] 陈卫宾，郭晓明，罗秋实，等.黄河下游防洪保护区洪水风险分析[J].中国水利，2017（5）：56-58.

[2] 郭晓明，田治宗，李书霞，等.基于keller-Box格式的三维非静压水动力学模型[J].华中科技大学学报（自然科学版），2015，43（7）：29-33.

[3] 翟家瑞，张素平，丁大发.黄河堤防溃口对策研究[J].人民黄河，2003，25（3）：3-4.

[4] 刘树坤，宋玉山，程晓陶，等.黄河滩区及分滞洪区风险分析和减灾对策[M].郑州：黄河水利出版社，1999：36-42.

[5] 国家防汛抗旱总指挥部办公室.洪水风险图编制导则[M].北京：国家防汛抗旱总指挥部办公室，2010：12-20.

[6] 王晓磊，韩会玲，李洪晶.宁晋泊和大陆泽蓄滞洪区洪水淹没历时及洪水风险分析[J].水电能源科学，2013，31（8）：59-62.

【责任编辑 许立新】