渭河下游南北岸防洪保護區洪水風險分析

張鳳華，崔秋利，陳利軍

（1.河南省水利勘測設計研究有限公司，河南 鄭州450016；2.河南中天招標代理有限公司，河南鄭州450003）

洪水風險圖是直觀表現洪水風險信息空間分布和洪水管理信息地圖的總稱,是建立洪水風險管理制度、開展洪水風險管理的基礎和依據［1］。洪水風險圖作為重要的非工程防洪措施,可直觀地顯示區域內的淹沒水深、洪水到達時間、淹沒歷時等信息［2］,已經成為近年來防災減災管理的重要依據,是由“控制洪水”向“管理洪水”觀念轉變的具體體現［3］。

渭河洪水主要來源于涇河、咸陽以上干流和南山支流,而渭河下游是黃河中游多泥沙河流的匯聚地,也是三門峽建庫以來受水庫泥沙淤積影響最為嚴重的地區［4］,受河床抬高、河槽萎縮以及防洪工程建設不完善等多因素影響,該區域洪澇災害易發。

筆者基于MIKE軟件建立一維、二維耦合模型,分析研究渭河下游兩岸保護區各潰口在相應頻率和洪水條件下的洪水演進過程、淹沒范圍等,并基于社會經濟基本資料統計分析相應損失,為渭河下游防洪體系的不斷完善提供參考。

1 研究區域概況

1.1 地理位置

渭河下游南、北兩岸保護區是自渭河西寶高速橋至渭河入黃口南、北兩岸堤防的保護區,面積1 600 km2,其范圍介于東經 108°40′21″—110°19′54″、北緯34°17′31″—34°36′4″。 其中：渭河下游北岸保護區包括咸陽市秦都區、渭城區,西安市高陵區、臨潼區,渭南市臨渭區、大荔縣等縣（區)；渭河下游南岸保護區包括咸陽市秦都區,西安市未央區、灞橋區、臨潼區,渭南市臨渭區、華縣、華陰市、潼關縣等縣（市、區)。保護區范圍見圖1。

1.2 社會經濟發展情況

渭河下游南北兩岸防洪保護區涉及西安市、咸陽市和渭南市3個市的12個縣（市、區)69個鄉鎮。保護面積1 600 km2,保護人口110.56萬人,保護區2013年GDP為1 393.40億元。

圖1 渭河下游南北岸防洪保護區范圍示意

1.3 歷史洪水災害情況

渭河下游洪水主要來源于涇河、洛河、渭河干流咸陽以上和南山支流。洪水有暴漲暴落、洪峰高、含沙量大的特點［5-6］。 渭河下游曾于 1898年、1911年、1933年、1954年、1968年、1981年、1992年、2000年、2003年發生多次嚴重洪水災害,給兩岸人民生命財產造成了嚴重威脅,嚴重制約了該區域經濟的可持續發展。其中：1968年9月10日2時,華縣畢家堤段發生決口,口門寬約100 m,畢家防護區4個鄉（鎮)的十幾個村莊、0.37萬hm2耕地被淹,倒塌房屋1.1萬間,1.64萬人受災；1981年8月23日華縣站洪峰流量為5 380 m3/s,洪水過程中臨潼南屯堤段決口,淹沒耕地0.11萬 hm2［7］；“2003·8”洪水是渭河下游有實測資料以來災害最為嚴重的一場洪水,給渭河下游咸陽、西安、渭南三市12個縣（市、區)造成嚴重損失,受災人口達56.25萬人,累計遷移人口29.22萬人,總受災面積達91 866.67 hm2,經濟損失29億元。

1.4 區域防洪工程及防洪調度情況

渭河干流堤防工程多修建于20世紀60年代以后,在修建堤防的基礎上多次加培而成,堤防標準低、質量差［8］。20世紀90年代后,渭河治理得到中央和地方的高度重視和社會各界的普遍關注,《渭洛河下游治理規劃》及“三門峽庫區陜西返遷移民防洪保安工程”“渭河‘2003·8洪水’災后重建工程”“陜西省渭河中游干流防洪工程”等多個項目逐步實施。2011年1月《陜西省渭河全線整治規劃及實施方案》經省政府批準實施,隨著該整治工程的實施及逐步完工,渭河中下游堤防工程更加完善。

目前,渭河南岸西寶高速橋至西安咸陽交界堤防防洪標準為100 a一遇,西安咸陽交界至西安高陵交界堤防防洪標準為300 a一遇,西安高陵交界至赤水河口堤防防洪標準為100 a一遇,赤水河口至方山河口堤防防洪標準為50 a一遇,方山河口至吊橋渭河口移民防洪圍堤防洪標準為5 a一遇。渭河北岸西寶高速橋至石川河口堤防防洪標準為100 a一遇,石川河口至臨潼渭南界堤防防洪標準為50 a一遇,臨潼渭南界至龍背堤防防洪標準為100 a一遇,孝義至大荔官池堤防防洪標準為50 a一遇,官池至洛河口堤防防洪標準為5 a一遇。

2 分析方法及原理

2.1 洪水分析方法及計算模型

本次主要研究渭河下游南、北兩岸防洪保護區遭遇渭河干、支流洪水潰堤時所產生的洪水風險,需要計算保護區在遭遇洪水時的洪水演進過程、淹沒水深及洪水前鋒到達時間等平面變化的水力因素。渭河干支流水文站網完善,規劃設計及相關水文、泥沙研究成果豐富,保護區測繪成果完整,能夠滿足二維洪水演算輸入條件的需求。

基于以上考慮,本次根據渭河下游地形和洪水特征,采用一維水動力數學模型模擬渭河河道洪水演進過程,采用二維水動力數學模型模擬渭河下游南、北兩岸保護區洪水演進過程,采用一維和二維耦合水動力數學模型來模擬潰堤或漫堤洪水過程。

最終選取計算成果穩定可靠且精度高的MIKE軟件進行建模計算,采用MIKE 11模擬一維河道洪水、MIKE 21模擬防洪保護區洪水演進。

2.2 模型計算范圍與網格劃分

本次計算范圍為渭河西寶高速橋至入黃口南、北兩岸堤防的保護區,面積1 600 km2。河道建模范圍自渭河西寶高速橋至黃河潼關（八)斷面,河道長度為212.56 km。

對于一維河道模型,在已有實測大斷面的基礎上,根據渭河的實際寬度及河道蜿蜒情況,對河道斷面進行內插加密處理,使得計算斷面間距盡可能小,重要河段斷面間距為0.50 km。對于河道形態變化較大的河段和布置建筑物的位置,網格進行再加密處理。

對于二維水動力模型,以渭河下游南、北兩岸保護區的計算范圍作為網格剖分的邊界約束條件,將內河堤防、高速公路、鐵路等阻水建筑物作為網格剖分的內部約束條件,進行網格剖分,網格最大面積不大于0.10 km2。

2.3 設計洪水

本次渭河下游南、北兩岸防洪保護區風險分析主要考慮的洪水來源為：①涇渭洛河同時來水形成的流域型洪水（“1933·8”洪水,以下簡稱“33”型)；②以涇河或渭河單獨來水形成的上游來水型洪水（“1954·8”洪水,以下簡稱“54”型)；③渭河支流北洛河、南山支流等單獨出現洪水的支流來水型洪水。

洪水頻率考慮的方案為：①渭河干流洪水量級選取設計標準洪水,并增加一組低于堤防標準的洪水,渭河干流計算20、50、100 a一遇洪水；②支流洪水量級選取設計標準洪水、超標準洪水及100 a一遇洪水,渭河北岸支流和南山支流主要計算10、20、50、100 a一遇洪水。

2.4 潰口設置方案

在綜合考慮干堤歷史潰口、險工險段的實際狀況及防洪大堤保護對象重要性的基礎上,各潰口寬度設置如下：①渭河干流咸陽、西安區域內的潰口口門寬度取100 m,干流其余潰口口門寬度取200 m；②南山支流及北岸支流潰口口門寬度取50 m。

按渭河干流北岸、渭河干流南岸、渭河北岸支流和渭河南山支流分為4個區域,共設置54個潰口,其中：渭河干流北岸8個,渭河干流南岸27個,渭河北岸支流3個,南山支流16個。各區域潰口統計見表1。

表1 潰口信息統計

2.5 計算方案及邊界條件

2.5.1 一維水動力模型計算方案

根據渭河水文站網分布和現有水文資料情況,將渭河干流按照咸陽水文站、華縣水文站和潼關水文站劃分為3段進行一維建模計算,即咸陽西寶高速橋—臨潼水文站、臨潼水文站—華縣水文站、華縣水文站—潼關（八)水文站。

一維計算模型的邊界條件見表2。

表2 一維計算模型邊界條件

2.5.2 二維水動力模型計算方案

由于渭河目前干支流堤防均達到了設計標準,因此本次不考慮多潰口組合,僅考慮單潰口潰決進行計算,結合對渭河洪水來源、洪水組合方式、歷史潰口情況、洪水頻率等進行分析,最終共設置潰口54個,計算方案155個。計算方案組合見表3。

根據防洪保護區的地形、水系堤防及公路鐵路等分布情況,劃分17個計算區進行二維水動力模型計算。在計算中,對相關參數進行設置后,將二維水動力模型與一維河道水動力模型通過潰口處的流量過程進行耦合鏈接,各潰口處的潰決流量過程作為二維水動力模型計算的水文邊界條件［9］。

表3 二維計算方案

3 洪水演進計算結果及分析

3.1 參數率定與模型驗證

3.1.1 一維水動力模型驗證

（1)流量驗證。一維水力計算模型采用2013年水文資料進行率定,選取資料較齊全的2005年及2011年水文資料進行模型驗證。以咸陽—臨潼段為例,以咸陽站2005年、2011年實測洪水過程為輸入條件,通過模型計算得出下游臨潼站的洪水過程。計算結果與實測資料對比如圖2所示。

圖2 臨潼站（流量）模型計算結果與實測數據對比

臨潼站洪峰流量計算值與實測值相對誤差（實測流量與計算流量之差的絕對值/實測流量)2005年為2.02%,2011年為4.38%,均小于5.00%。

（2)水位驗證。通過模型計算出咸陽站與臨潼站之間的耿鎮水位站2005年與2011年的水位變化過程,與實測資料的對比如圖3所示。模型計算水位與實測洪水位的最大誤差（實測水位與計算水位之差絕對值的最大值)分別為0.17、0.07 m,均小于0.20 m。

圖3 耿鎮站（水位）模型計算結果與實測數據對比

臨潼—華縣段、華縣—潼關段均采用以上方法進行模型驗證,驗證結果見表4。各河段的最大流量相對誤差及最大水位誤差均在允許范圍內,且水位與流量變化趨勢基本一致,因此模型的計算結果基本合理可靠。

表4 渭河下游南北岸防洪保護區洪水影響統計

3.1.2 二維水動力模型驗證

選取2003年石堤河東堤潰口實測及調研資料進行二維水動力模型驗證,將模型計算出的淹沒面積、淹沒水深等計算結果與實測資料進行對比,分析其合理性；對于模型計算出的洪水最大流速、最大淹沒水深及洪水前峰到達時間等,通過模型精度驗證、整體流場分布、局部流場分析、同一方案洪水風險信息比較等方法分析成果的合理性。

模型計算淹沒面積為128.40 km2,實測洪水淹沒面積為137.60 km2,相對誤差為6.7%,且模型計算得出的洪水演進和淹沒范圍與實測數據基本一致；淹沒區內水尺實測水位與模型計算結果最大誤差為0.05 m；對比淹沒區域相應5個河道斷面的洪痕資料與模型驗證結果,水位最大誤差皆在0.20 m以內。因此,利用二維水動力模型開展該保護區洪水演進分析是可行的。

3.2 洪水演進及淹沒情況分析

本次潰口設置較多,且防洪保護區地形復雜,不同潰口發生潰決后的淹沒過程有較大差異。以渭河干流南岸梁趙險工遭遇100 a一遇洪水發生潰決為例,簡要介紹其洪水演進過程和淹沒情況。

梁趙險工潰口計算分區面積29.39 km2,發生潰決后,洪水在3 h內淹沒了潰口附近的梁村、羅劉村等部分區域；潰決后12 h洪水向南穿過鄭西高速客運專線,向地勢較低的東部區域演進,逐漸淹沒了西東里、八里店、雙王村等地；潰決后24 h洪水向南演進至樂天大街,沿途淹沒了穆屯、西王、小雷等村,向東南演進至渭河下游堤防,沿途淹沒了槐衙村、北白村等并達到小寨村附近,總淹沒面積為14.09 km2,平均淹沒水深為2.72 m；潰決后48 h洪水演進速度減慢,向南淹沒樂天大街并演進至渭清路,淹沒紅星村委會部分區域及渭南高新區邊緣,向東南演進淹沒龍源新村邊緣,總淹沒面積為15.92 km2,平均淹沒水深為3.30 m；潰決后72 h洪水最終演進南至周家村、泰安花園部分區域,淹沒范圍不再進一步擴大,總淹沒面積為17.96 km2,平均淹沒水深4.20 m。

3.3 洪水影響分析

根據本次所有計算方案的計算結果及不同潰口影響區域的社會經濟情況,對54個潰口不同頻率洪水的災情進行統計,主要包括各頻率洪水的最大淹沒面積、淹沒耕地面積、受影響人口及受影響GDP等指標。統計結果見表5。

表5 渭河下游南北岸防洪保護區洪水影響統計結果

4 結 論

渭河下游河勢復雜多變且潰口位置眾多,不同位置潰口的洪水淹沒范圍、淹沒水深和受影響程度差別較大。

就本次計算結果來看,同頻率洪水下,渭南市臨渭區、大荔縣、華縣、華陰市淹沒面積大；就受災程度而言,單位面積洪災損失最為嚴重的是咸陽、西安等經濟較發達的城區,臨渭區發生堤防潰決時淹沒片區洪災總損失最為嚴重；就避險轉移規模而言,由于淹沒范圍大、人口集中,因此臨渭區、華縣避險轉移規模大。對于這些不同片區,應有側重地做好相應的防洪預警及避險演練等工作,以減少洪災損失。