擋水建筑物對(duì)河道洪水演進(jìn)和淹沒的影響分析

盧 岳 官慶朔 吳先敏 侯龍?zhí)?薛 霞

(1.山東農(nóng)業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，山東 濟(jì)南 250013；2.山東省水利勘測設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250013； 3.濟(jì)南大學(xué)，山東 濟(jì)南 250022)

水利工程項(xiàng)目建設(shè)中，通常在河道中設(shè)立堤壩、水閘、攔河堰等擋水建筑物，使河道工況和洪水演進(jìn)與淹沒變的更為復(fù)雜，洪水風(fēng)險(xiǎn)性分析、洪水防御甚至河道工程建設(shè)等相關(guān)工作也因此受到影響[1]。

近年來，河道水力和洪水風(fēng)險(xiǎn)的模擬計(jì)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(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建了MIKE FLOOD洪水演進(jìn)動(dòng)態(tài)耦合模型，模擬分析了洪水淹沒風(fēng)險(xiǎn)與滿溢演進(jìn)過程，計(jì)算了不同時(shí)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(jìn)的一、二維耦合水動(dòng)力模型并開展洪水風(fēng)險(xiǎn)性分析；王自明等[4]耦合地表二維水動(dòng)力模型與地下管網(wǎng)模型，對(duì)城市暴雨內(nèi)澇進(jìn)行了模擬，該方法具有無時(shí)間尺度問題、數(shù)據(jù)交換方便和結(jié)果準(zhǔn)確的優(yōu)勢；張鳳華等[5]以渭河下游防洪保護(hù)區(qū)為研究對(duì)象，基于MIKE軟件建立耦合模型，分析該保護(hù)區(qū)各潰口在相應(yīng)類型和頻率洪水條件下的洪水演進(jìn)過程、淹沒范圍和淹沒損失等。以上及其他相關(guān)研究[6,7]充分說明基于MIKE建立水動(dòng)力模型，對(duì)河道洪水演進(jìn)和淹沒的模擬分析有一定的適用性和準(zhǔn)確性。

因此，本文基于MIKE21建立水動(dòng)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(jìn)過程、淹沒歷時(shí)、保護(hù)區(qū)(監(jiān)測點(diǎn))的淹沒情況等，研究擋水建筑物對(duì)河道上下游的洪水風(fēng)險(xiǎn)性的影響，為工程實(shí)踐提供建設(shè)參考和判斷依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究背景

沂源縣張家坡鎮(zhèn)紅水河工程項(xiàng)目建設(shè)中，由于施工需要，在紅水河干流樁號(hào)7+400處建有一座臨時(shí)擋水圍堰，一次性攔斷河床，利用上游圍堰對(duì)河道來水進(jìn)行調(diào)蓄，同時(shí)利用水泵將上游來水抽排至下游河道內(nèi)。圍堰結(jié)構(gòu)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(duì)附近的房屋和道路的安全產(chǎn)生威脅，因此，采用模擬模型進(jìn)行河道洪水演進(jìn)和淹沒的影響分析，確保圍堰填筑對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全不產(chǎn)生影響，項(xiàng)目建設(shè)也能夠順利進(jìn)行。

1.2 流域概況

紅水河屬沂河流域，發(fā)源于濰坊市臨朐縣，在沂源縣張家坡鎮(zhèn)東北店子村北匯入北店子水庫，流經(jīng)張家坡鎮(zhèn)、東里鎮(zhèn)，在東里鎮(zhèn)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(guī)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(jì)算

根據(jù)紅水河流域水文資料情況，由實(shí)測暴雨資料推求洪水，臨時(shí)擋水圍堰工程上游600 m處(干流樁號(hào)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(jìn)數(shù)學(xué)模型

2.1 計(jì)算方法

采用二維水動(dòng)力模型MIKE21進(jìn)行洪水模擬計(jì)算，以滿足洪水演進(jìn)分析計(jì)算的需求。模擬過程中，主要考慮堤防、鐵路、公路等構(gòu)筑物的擋水和導(dǎo)流作用。模型的數(shù)值計(jì)算方法采用有限體積法。

2.2 模型設(shè)置

2.2.1計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分和構(gòu)筑物概化

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

為充分考慮計(jì)算區(qū)域內(nèi)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(duì)洪水演進(jìn)的影響，采用局部加高的方法對(duì)堤防、道路進(jìn)行概化處理，以體現(xiàn)其阻水及導(dǎo)流作用。本次計(jì)算區(qū)域高于地面0.5 m 以上的線狀地物主要為攔河堰。計(jì)算區(qū)域內(nèi)共涉及攔河堰36座。由于堰頂較窄，在模型中采用雙線對(duì)其進(jìn)行概化(見圖2)。

2.2.2邊界條件

將干流樁號(hào)8+000斷面處與前瓜峪支流口設(shè)置為流量邊界，采用上述洪水計(jì)算成果；將紅水河入沂河河口設(shè)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(zhèn)雨量站監(jiān)測成果，均勻加入模型計(jì)算區(qū)域內(nèi)，并與上述洪水進(jìn)行錯(cuò)時(shí)段疊加。排水設(shè)置中，根據(jù)調(diào)查資料，計(jì)算區(qū)域內(nèi)沒有排澇泵站，因此不再考慮泵站的影響。

計(jì)算采用分區(qū)糙率。根據(jù)《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制細(xì)則》[8]，糙率取值一般應(yīng)利用實(shí)測洪水資料進(jìn)行率定，無實(shí)測資料的地區(qū)可根據(jù)《水力學(xué)計(jì)算手冊》[9]確定，或參考采用相似條件地區(qū)的糙率。本地區(qū)缺少潰堤洪水演進(jìn)實(shí)測資料，故采用《水力學(xué)計(jì)算手冊》中的建議值，對(duì)計(jì)算區(qū)域內(nèi)的村莊、道路、耕地、河流等地物設(shè)置不同的糙率，以反映計(jì)算區(qū)域下墊面對(duì)洪水演進(jìn)的影響。

針對(duì)有無擋水圍堰兩種工況，在圍堰上下游分別設(shè)置3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)(如圖3所示)代表河道洪水演進(jìn)和淹沒情況。另外，下游樁號(hào)2+900～3+200處河道右岸居民房屋較多，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，當(dāng)?shù)鼐用穹从呈謸?dān)心河道洪水淹沒情況，因此在右岸道路內(nèi)腳內(nèi)側(cè)設(shè)置6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)(見圖4)，對(duì)其淹沒過程進(jìn)行計(jì)算。

2.2.3其他

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

3 洪水演進(jìn)和淹沒分析計(jì)算

3.1 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型可靠性，輸出各個(gè)時(shí)刻計(jì)算區(qū)域的積水量、為模型穩(wěn)定而設(shè)置的初始水量、由模型開邊界流入或流出計(jì)算區(qū)域的水量、降雨及蒸發(fā)水量等，以此分析模型計(jì)算誤差。經(jīng)分析，該方案計(jì)算誤差約為2E-006 m3，模擬誤差滿足計(jì)算精度要求，具有良好的物質(zhì)質(zhì)量守恒性，滿足水量平衡，模型運(yùn)算穩(wěn)定，計(jì)算結(jié)果可靠。

3.2 計(jì)算工況

模擬共兩個(gè)工況，分別針對(duì)樁號(hào)7+400附近擋水建筑物存在與拆除兩種情況，對(duì)紅水河中洪水的演進(jìn)與淹沒情況進(jìn)行分析，并對(duì)幾個(gè)典型時(shí)刻累計(jì)進(jìn)洪量、洪水前鋒到達(dá)位置、演進(jìn)距離、淹沒范圍、淹沒歷時(shí)等進(jìn)行說明，同時(shí)提取、計(jì)算、比較計(jì)算區(qū)域內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)的水位、淹沒水深等數(shù)據(jù)，分析計(jì)算區(qū)域(監(jiān)測點(diǎn))洪水淹沒情況。

3.3 結(jié)果及分析

3.3.1洪水演進(jìn)

暴雨開始4 h時(shí)，紅水河上游與前瓜峪支流洪水進(jìn)入計(jì)算區(qū)域內(nèi)，并與區(qū)域內(nèi)降水疊加，產(chǎn)生的洪水在河槽內(nèi)自上游向下游演進(jìn)，洪水前鋒到達(dá)入沂河河口附近，如圖5所示，有圍堰時(shí)其上游區(qū)域比無圍堰時(shí)淹沒范圍更大，說明圍堰工程的建設(shè)對(duì)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(dá)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(kuò)大至最大。河道下游受沂河干流頂托，部分洪水無法進(jìn)入沂河排出，自河槽內(nèi)漫至灘地，甚至越過兩側(cè)道路流入路邊樹林。樁號(hào)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(cè)房屋。暴雨開始28 h后，隨著降雨過程結(jié)束，上游與支流洪水過程也逐漸結(jié)束，河道內(nèi)洪水逐步自入沂河河口排出模型，同時(shí)由于蒸散發(fā)作用，計(jì)算區(qū)域內(nèi)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(shí)

根據(jù)淹沒歷時(shí)計(jì)算結(jié)果，模擬時(shí)間相同的條件下，上游淹沒區(qū)域有圍堰時(shí)略大于無圍堰時(shí)，而下游淹沒區(qū)域基本一致，如圖6所示，說明在擋水圍堰影響下，上游區(qū)域淹沒時(shí)間增加，而下游區(qū)域淹沒時(shí)間與無圍堰工況基本一致。

3.3.3監(jiān)測點(diǎn)洪水過程

1)對(duì)擋水建筑物上、下游六個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的水面、淹沒水深等數(shù)據(jù)進(jìn)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(qū)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(dāng)距離為300 m時(shí)，擋水圍堰對(duì)上游淹沒水深基本無影響。擋水圍堰對(duì)其下游區(qū)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(jiān)測點(diǎn)水面高程對(duì)比情況

2)對(duì)擋水圍堰下游樁號(hào)2+900～3+200處六個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的水面、淹沒水深等數(shù)據(jù)進(jìn)行提取分析，其水面高程如表2所示。可知，兩種工況下各監(jiān)測點(diǎn)最大水位相近，且均小于其外側(cè)路面高程，洪水未越過路面威脅外側(cè)房屋。

表2 下游樁號(hào)2+900～3+200處監(jiān)測點(diǎn)水面高程對(duì)比情況

4 結(jié)論

本文以沂河流域紅水河為研究對(duì)象，基于MIKE21建立水動(dòng)力模擬模型，通過分別模擬計(jì)算河道不同區(qū)域洪水演進(jìn)過程、淹沒歷時(shí)、淹沒情況等，得出以下結(jié)論：

1)擋水建筑物會(huì)使其上游水位雍高，當(dāng)區(qū)域內(nèi)發(fā)生洪水時(shí)，會(huì)延長洪水演進(jìn)過程，增大淹沒歷時(shí)，淹沒水深增大，增加洪水風(fēng)險(xiǎn)。2)擋水建筑物對(duì)其下游區(qū)域洪水演進(jìn)過程、淹沒歷時(shí)、淹沒水深等影響較小，基本不會(huì)增加洪水風(fēng)險(xiǎn)。基于此，本文可為工程建設(shè)實(shí)踐提供較為明確的參考和判斷依據(jù)，便于相關(guān)項(xiàng)目建設(shè)順利進(jìn)行，文中采用的計(jì)算方法也可為相關(guān)問題和復(fù)雜研究提供借鑒。