擋水建筑物對河道洪水演進和淹沒的影響分析

盧 岳 官慶朔 吳先敏 侯龍潭 薛 霞

(1.山東農業規劃設計院有限公司，山東 濟南 250013；2.山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250013； 3.濟南大學，山東 濟南 250022)

水利工程項目建設中，通常在河道中設立堤壩、水閘、攔河堰等擋水建筑物，使河道工況和洪水演進與淹沒變的更為復雜，洪水風險性分析、洪水防御甚至河道工程建設等相關工作也因此受到影響[1]。

近年來，河道水力和洪水風險的模擬計算和研究逐漸增加，并獲得了大量成果。王穎[2]利用一維、二維水動力學模型構建了MIKE FLOOD洪水演進動態耦合模型，模擬分析了洪水淹沒風險與滿溢演進過程，計算了不同時段的洪水淹沒水深和分布范圍；陳俊鴻等[3]建立了能夠模擬潰堤洪水水流演進的一、二維耦合水動力模型并開展洪水風險性分析；王自明等[4]耦合地表二維水動力模型與地下管網模型，對城市暴雨內澇進行了模擬，該方法具有無時間尺度問題、數據交換方便和結果準確的優勢；張鳳華等[5]以渭河下游防洪保護區為研究對象，基于MIKE軟件建立耦合模型，分析該保護區各潰口在相應類型和頻率洪水條件下的洪水演進過程、淹沒范圍和淹沒損失等。以上及其他相關研究[6,7]充分說明基于MIKE建立水動力模型，對河道洪水演進和淹沒的模擬分析有一定的適用性和準確性。

因此，本文基于MIKE21建立水動力模擬模型，模擬分析有無水工建筑物兩種工況下河道洪水演進過程、淹沒歷時、保護區(監測點)的淹沒情況等，研究擋水建筑物對河道上下游的洪水風險性的影響，為工程實踐提供建設參考和判斷依據。

1 研究區概況

1.1 研究背景

沂源縣張家坡鎮紅水河工程項目建設中，由于施工需要，在紅水河干流樁號7+400處建有一座臨時擋水圍堰，一次性攔斷河床，利用上游圍堰對河道來水進行調蓄，同時利用水泵將上游來水抽排至下游河道內。圍堰結構形式為：頂寬3 m，邊坡采用1∶2。由于河道及圍堰距離居民的房屋較近，圍堰填筑后河道水位上升，對附近的房屋和道路的安全產生威脅，因此，采用模擬模型進行河道洪水演進和淹沒的影響分析，確保圍堰填筑對人民生命財產安全不產生影響，項目建設也能夠順利進行。

1.2 流域概況

紅水河屬沂河流域，發源于濰坊市臨朐縣，在沂源縣張家坡鎮東北店子村北匯入北店子水庫，流經張家坡鎮、東里鎮，在東里鎮阮峪村西匯入沂河。河道全長24 km，流域面積97.3 km2，平均比降8.24‰。流域上游有北店子水庫，該水庫規模為小(1)型，水庫以上流域面積22 km2，興利庫容188萬m3，總庫容411.95萬m3。

1.3 洪水計算

根據紅水河流域水文資料情況，由實測暴雨資料推求洪水，臨時擋水圍堰工程上游600 m處(干流樁號8+000)以上及紅水河支流前瓜峪河洪水過程如圖1所示。

2 二維洪水演進數學模型

2.1 計算方法

采用二維水動力模型MIKE21進行洪水模擬計算，以滿足洪水演進分析計算的需求。模擬過程中，主要考慮堤防、鐵路、公路等構筑物的擋水和導流作用。模型的數值計算方法采用有限體積法。

2.2 模型設置

2.2.1計算區域網格劃分和構筑物概化

計算區域自紅水河以圍堰工程上游600 m處(樁號8+000)起，至沂河河口處(樁號0+000)止，左右大致以河道兩側道路為界，計算區域面積為137.11萬m2。采用不規則三角形網格，綜合考慮分區面積、模擬精度、計算時間及軟件性能等因素，限定單個網格最大面積為50 m2，網格最小角度為26°，并對局部區域網格進行適當加密，共劃分網格49 843個，節點25 958個。地形插值采用自然臨近法，高程點由紅水河帶狀地形圖插值提取，共提取高程散點13 059個，插值后的局部地形如圖2所示。

為充分考慮計算區域內高于地面0.5 m以上的線狀地物(堤防、公路、鐵路路基、阻水建筑物等)對洪水演進的影響，采用局部加高的方法對堤防、道路進行概化處理，以體現其阻水及導流作用。本次計算區域高于地面0.5 m 以上的線狀地物主要為攔河堰。計算區域內共涉及攔河堰36座。由于堰頂較窄，在模型中采用雙線對其進行概化(見圖2)。

2.2.2邊界條件

將干流樁號8+000斷面處與前瓜峪支流口設置為流量邊界，采用上述洪水計算成果；將紅水河入沂河河口設置為水位邊界，采用沂河干流紅水河河口附近水位；模擬降水條件采用張家坡鎮雨量站監測成果，均勻加入模型計算區域內，并與上述洪水進行錯時段疊加。排水設置中，根據調查資料，計算區域內沒有排澇泵站，因此不再考慮泵站的影響。

計算采用分區糙率。根據《洪水風險圖編制細則》[8]，糙率取值一般應利用實測洪水資料進行率定，無實測資料的地區可根據《水力學計算手冊》[9]確定，或參考采用相似條件地區的糙率。本地區缺少潰堤洪水演進實測資料，故采用《水力學計算手冊》中的建議值，對計算區域內的村莊、道路、耕地、河流等地物設置不同的糙率，以反映計算區域下墊面對洪水演進的影響。

針對有無擋水圍堰兩種工況，在圍堰上下游分別設置3個監測點(如圖3所示)代表河道洪水演進和淹沒情況。另外，下游樁號2+900～3+200處河道右岸居民房屋較多，根據現場調查，當地居民反映十分擔心河道洪水淹沒情況，因此在右岸道路內腳內側設置6個監測點(見圖4)，對其淹沒過程進行計算。

2.2.3其他

模擬起止時間為2019/08/10 20:00～2019/8/13 20:00，共計3 d。主時間步長30 s，共8 640步。時間積分與空間離散方式采用高階。由于模擬過程中，計算區域干濕邊界變化頻繁，為避免模型計算的不穩定，采用“干濕判別”來確定計算區域由于水位變化產生的動邊界。

3 洪水演進和淹沒分析計算

3.1 模型驗證

為了驗證模型可靠性，輸出各個時刻計算區域的積水量、為模型穩定而設置的初始水量、由模型開邊界流入或流出計算區域的水量、降雨及蒸發水量等，以此分析模型計算誤差。經分析，該方案計算誤差約為2E-006 m3，模擬誤差滿足計算精度要求，具有良好的物質質量守恒性，滿足水量平衡，模型運算穩定，計算結果可靠。

3.2 計算工況

模擬共兩個工況，分別針對樁號7+400附近擋水建筑物存在與拆除兩種情況，對紅水河中洪水的演進與淹沒情況進行分析，并對幾個典型時刻累計進洪量、洪水前鋒到達位置、演進距離、淹沒范圍、淹沒歷時等進行說明，同時提取、計算、比較計算區域內監測點的水位、淹沒水深等數據，分析計算區域(監測點)洪水淹沒情況。

3.3 結果及分析

3.3.1洪水演進

暴雨開始4 h時，紅水河上游與前瓜峪支流洪水進入計算區域內，并與區域內降水疊加，產生的洪水在河槽內自上游向下游演進，洪水前鋒到達入沂河河口附近，如圖5所示，有圍堰時其上游區域比無圍堰時淹沒范圍更大，說明圍堰工程的建設對上游洪水起到了一定阻擋和防御作用。暴雨開始16 h后，上游洪水達到洪峰，由于流量過大，部分洪水自堤防低洼處漫出河槽，侵占部分灘地。洪水的淹沒范圍逐步擴大至最大。河道下游受沂河干流頂托，部分洪水無法進入沂河排出，自河槽內漫至灘地，甚至越過兩側道路流入路邊樹林。樁號2+900～3+200處河道受附近攔河堰影響，部分河段水面較高，水深較大，但右岸路面較高，洪水未越過路面威脅外側房屋。暴雨開始28 h后，隨著降雨過程結束，上游與支流洪水過程也逐漸結束，河道內洪水逐步自入沂河河口排出模型，同時由于蒸散發作用，計算區域內洪水淹沒范圍與各處淹沒水深均逐漸減小。

3.3.2淹沒歷時

根據淹沒歷時計算結果，模擬時間相同的條件下，上游淹沒區域有圍堰時略大于無圍堰時，而下游淹沒區域基本一致，如圖6所示，說明在擋水圍堰影響下，上游區域淹沒時間增加，而下游區域淹沒時間與無圍堰工況基本一致。

3.3.3監測點洪水過程

1)對擋水建筑物上、下游六個監測點的水面、淹沒水深等數據進行提取分析，其水面高程如表1所示。可知，在擋水圍堰作用下，其上游區域淹沒水深增大，且距離擋水圍堰越近，擋水圍堰的影響越大。而當距離為300 m時，擋水圍堰對上游淹沒水深基本無影響。擋水圍堰對其下游區域淹沒水深、水面高程等基本無影響。

表1 擋水圍堰上下游監測點水面高程對比情況

2)對擋水圍堰下游樁號2+900～3+200處六個監測點的水面、淹沒水深等數據進行提取分析，其水面高程如表2所示。可知，兩種工況下各監測點最大水位相近，且均小于其外側路面高程，洪水未越過路面威脅外側房屋。

表2 下游樁號2+900～3+200處監測點水面高程對比情況

4 結論

本文以沂河流域紅水河為研究對象，基于MIKE21建立水動力模擬模型，通過分別模擬計算河道不同區域洪水演進過程、淹沒歷時、淹沒情況等，得出以下結論：

1)擋水建筑物會使其上游水位雍高，當區域內發生洪水時，會延長洪水演進過程，增大淹沒歷時，淹沒水深增大，增加洪水風險。2)擋水建筑物對其下游區域洪水演進過程、淹沒歷時、淹沒水深等影響較小，基本不會增加洪水風險。基于此，本文可為工程建設實踐提供較為明確的參考和判斷依據，便于相關項目建設順利進行，文中采用的計算方法也可為相關問題和復雜研究提供借鑒。