黃河水庫下游河段洪水影響規律數值模擬研究

孫繼鑫，王 劍，楊少雄，楊波，陳光照，侯精明

(1.西安航天天繪數據技術有限公司,西安 710100;2.航天恒星科技有限公司，北京 100094；3.西安理工大學省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室,西安 710048)

0 前 言

洪水是破壞性最強的自然災害之一，嚴重危害人民生命財產安全和道路、橋梁等基礎設施[1-3]。統計數據表明洪澇災害已成為危及中國三分之二地區的重大災害，造成的年均經濟損失約占全國經濟總產值的3.15%[4]。在防洪實踐工作中，僅利用工程措施并不能完全抵御洪水威脅，與非工程措施相結合是防洪減災工作的有效方法之一[5-6]。隨著氣候變化，近年來中小流域強降雨事件時有發生，形成較大洪水，尤其是水庫區域，更可能誘發潰壩，造成嚴重的洪澇災害。作為重要的非工程措施之一，提前制定避洪方案能使受災區域更為科學地部署防汛搶險，組織群眾應急避洪轉移，提高避洪和應對洪水災害的綜合能力[7-8]。

近年來，國內外學者在洪水數值模擬方法和模型應用方面開展了深入探索，目前洪水分析常采用方法有水文學法、歷史水災法和水力學法[9-10]。水文學法是通過洪水頻率分析，在獲取不同洪水頻率水位、流量和河段洪量的基礎上，依據區域地形地貌分析流域產匯流特征，采用水文學模型計算得到不同頻率洪水的淹沒范圍和淹沒水深分布圖。劉登嵩等[11]基于新安江等多種水文模型對浙江金華江和龍泉溪流域進行洪水預報與演進過程模擬；郝曉博等[12]基于NAM水文模型對福州市降雨洪水演進過程進行模擬與分析；李瑞等[13]基于河北雨洪模型對黃河上游小流域1994—2010年的10場洪水過程進行模擬,并分別以峰值加權均方根誤差、加權誤差及效率系數為目標函數，研究了不同目標函數對模型模擬結果的影響。歷史水災法是依據歷史洪水系列計算相應的洪水頻率和洪量等，在此基礎上提取典型場次洪水的洪水淹沒范圍和淹沒水深等，通常用于因洪致澇等水災成因比較復雜的區域的洪災風險評估，具有客觀、簡便和實用等特點。由于歷史防洪形勢與當前防洪形勢通常存在一定差異，所得結果通常需要通過水文學和水力學模擬分析進行完善，難以獨立地完成洪災風險評估[14]。在洪水分析工作中，詳細的歷史洪水數據常常出現缺失乃至無法獲取的情況,而水動力模擬方法由于其需要的參數、基礎資料較少，且能夠模擬水力要素在復雜地形上的變化過程，生成準確的洪水演進變化計算結果，近年來受到越來越多研究者的關注[15]。目前已開發了諸多商業軟件及自主開發模型，這些模型在國內外進行了許多實例應用[16-20]，如張兆安等[21]采用耦合潰口演變過程的水動力數值模型,模擬分析了不同淤積程度下淤地壩潰壩洪水演進過程；朱世云等[22]采用MIKE21 FM模型進行水動力數值模擬對岳陽市洪水演進不同時段的淹沒情況、洪水流態和進洪量進行了模擬；程坤等[23]采用MIKE21模型對藏木水電站大壩潰壩洪水過程進行了模擬，計算得到下游河道關鍵洪水要素，為評估河道下游兩岸的受災程度做基礎；付成威等[24]基于實時動態耦合的水力學一、二維模型模擬了谷堆圩蓄滯洪區的潰堤洪水演進情況，得到了一二維耦合模型相較于傳統模型精度及計算效率更高的結論；戴榮等[25]將HEC-HMS模型應用于新疆天山北坡地區各流域的洪水計算，證明了該模型適用于新疆天山北坡地區洪水計算；賀娟等[26]通過HEC-GeoRAS分析長河壩電站水庫大壩下游潰壩洪水演進過程洪水淹沒范圍及流速分布。以上研究多集中于對河道洪水演進過程的模擬，缺少對沿程水力要素變化規律的量化分析及對避洪決策的研究。

近年來，吉林市黃河水庫進行了規劃整治，并建立了相對完善的防洪體系。但是依然存在著部分工程老化損壞嚴重，水庫下游飲馬河河道行洪能力不足、部分河道沖刷嚴重、防洪標準降低等問題。本文以水力學方法為理論基礎，搭建黃河水庫一、二維耦合洪水數值模型，根據當地潛在的洪澇風險因素情況設置多套洪水情景模擬方案，并結合社會經濟數據分析災害影響并確立避洪減災方案，旨在增強當地人民群眾及決策者的避災減災能力，為洪災損失評估和避險轉移策略制定提供技術支撐。

1 研究方法

洪水風險分析模型由水動力數值模型、大壩潰決分析模型、災害影響評估分析模型、避洪轉移決策模型構成。一、二維水動力數值模型用于洪水演進過程計算，確定洪水淹沒要素(淹沒范圍、淹沒水深和淹沒歷時等)，災害影響評估分析模型及避洪轉移決策模型用于避災方案制定。

1.1 一、二維耦合水動力數值模型

本文所用水動力學模型為HydroMPM-FloodRisk模型，該模型可實現明渠、排水河道、水工構筑物及二維坡面流的模擬，主要應用于同時出現一、二維流動特征的數值模擬，實現一維河道計算和平面二維流動計算的無縫連接。河道非恒定流的水動力學模擬基于圣維南方程，方程守恒形式如下：

(1)

(2)

公式(1)～(2)中：q為側向入流，m3/s；Q為流量，m3/s；s為距離坐標，m；V為斷面平均流速，m/s；h為水深，m；A為過水斷面面積，m2；B為河道斷面寬度，m；i為渠底坡降；R為水力半徑。

二維水動力計算模型基本原理如下：

(3)

(4)

公式(3)～(4)中：H為水深，m；Z為水位，m；q為連續方程中的源匯項；M與N分別為x和y方向的垂向平均單寬流量，m2/s；u和v分別為垂向平均流速在x與y方向的分量，m/s；n為曼寧系數；g為重力加速度，m/s2。

一維模型采用Abbott六點隱式格式離散控制方程組，該離散格式在每一個網格節點按順序交替計算水位和流量。因此能夠在較大庫倫數的條件下保證計算穩定，實現大時間步長計算以節省計算時間。二維模型采用有限體積法離散求解模型控制方程，保證了水量和動量在計算域內守恒。并使用三角形非結構網格單元離散計算域，更有利于擬合復雜邊界線，如堤防、橋、閘等；應用干濕網格判別法，能夠高效高精度地處理潮灘動邊界。本文在計算時，以設計流量過程作為輸入條件，設定庫區及下游無降雨過程，故在建模時并未耦合產匯流模型，在計算時河道洪水采用一維水力學方法進行洪水分析計算；淹沒區洪水演進過程采用二維水動力學方法，模擬已設定計算方案對應的洪水演進過程，同時建立一、二維洪水耦合計算模型實現河道和淹沒區的洪水演進過程計算。

1.2 避洪轉移決策模型

按照《避洪轉移圖編制技術要求(試行)》[27]規范要求，選取各方案最大量級洪水作為避洪轉移分析對象，分析洪水計算結果，提取滿溢分流形成的最大淹沒水深及淹沒范圍，繪制包絡圖，以形成包絡圖的淹沒水深、淹沒范圍、洪水流速作為洪水風險圖層，繪制基本洪水風險圖。在基本風險圖基礎上，增加危險區及避洪轉移范圍圖層、轉移單元圖層、安置場所圖層、避洪轉移路線圖層，繪制形成避洪轉移圖。

2 模型構建及參數選擇

2.1 研究區概況

黃河水庫位于第二松花江流域飲馬河水系，距煙筒山承德村李塘房屯0.5 km，流域面積784 km2，河道長度62.5 km，河道平均比降1.43‰，黃河水庫是磐石市境內規模最大且集灌溉、防洪、發電、旅游等功能于一體，各項設施基本配套的中型水庫。庫區下游區間包括黃榆鄉、山河街道、煙筒山鎮、齊家鎮和金家滿族鄉等，人口、經濟較為集中。

2.2 模型構建

黃河水庫下游洪水風險分析區至金家鄉蘆家村長嶺水文站處，河段一、二維耦合計算模型范圍包括黃河水庫～長嶺水文站河道兩岸洪水影響區域，河段控制點位于長嶺水文站，采用最大量級設計洪水試算得到最大淹沒范圍，在此淹沒邊界基礎上適當外拓并參照地形等高線劃定二維計算區，區域面積142.83 km2。分別對該段河道和兩岸區域建立一維水動力模型和二維水動力模型，同時實現兩者的動態耦合。

2.2.1一維河道水動力模型構建

根據飲馬河地形地貌特征，一維模型構建的河段(黃河水庫壩下至長嶺水文站)全長53.6 km，共設置21個關鍵斷面，斷面間距變化范圍為100～1 500 m。河道斷面和河道斷面布置分別如圖1、2所示。

一維非恒定流模型的邊界條件包括上及下邊界條件。上邊界條件選用流量過程，下邊界條件選用水位過程或水位流量關系曲線，本次計算一維模型邊界如表1所示。參考《吉林省磐石市飲馬河重點段治理工程初步設計報告》[28]內容論述，曼寧系數設定為0.033。綜合黃河水庫下游實際情況及現場查勘結果，考慮模型穩定及運算效率等多種因素，設定黃河水庫下游(黃河水庫～金家鄉蘆家村)河道一維水動力模型計算初始水深為0.2 m。

表1 一維河道洪水計算邊界

2.2.2二維水動力模型構建

模型采用非結構網格技術對模擬范圍進行網格劃分，最大網格面積不超過0.003 km2，重要地區、地形變化較大地區的計算網格適當加密。網格總數54 980個，計算總面積218 km2。在本次洪水分析過程中，二維水流模型的邊界條件分為兩類。第一類包括與一維模型耦合處的邊界，具體包括與黃河水庫下游河道的側向連接處邊界，此類邊界均為動水位邊界，由模型自動耦合計算；第二類是二維模型模擬區域外邊界，由于在確定建模范圍時已考慮了河道洪水邊界，模型計算范圍內區域與區域外不存在水量交換，因此確定為固邊界?？紤]到編制區域內地物種類的不同且分布零散，為保證二維模型計算精度，曼寧系數按編制區域土地利用情況進行分區，并參照其他類似區域糙率設定，無實測資料的地區可根據水力學手冊確定，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，故按照《洪水風險圖編制技術細則(試行)》及《水力計算手冊(第二版)》[29-30]所列的合理范圍內取值，如表2所示。

表2 洪水風險區域曼寧系數取值

2.2.3一、二維水動力耦合模型構建

采用側向連接的耦合方式，實現河道一維水動力模型與二維水動力模型的耦合，實時耦合計算河道洪水漫溢淹沒風險。側向連接方式為通過河道斷面標注堤頂等效為堰，堰頂高程及堰寬以該處斷面左右堤頂高程及寬度為準；沿一維河道邊界線在二維區域設定耦合線，耦合線由具體坐標確定，在運行期，耦合線映射到網格單元的邊上，確定耦合的網格單元。模型通過比較二維網格與相應里程處一維河道內斷面水深，利用堰流公式計算通過側向連接的流量，實現一維河道堤頂過流水流漫溢進入二維平面區域和一二維水流的動態交互。耦合模型計算時間步長設定為較小值60 s。

3 模型驗證

本文所用水動力學模型為HydroMPM-FloodRisk模型，該模型2014年被國家防汛抗旱總指揮部辦公室批準列入重點地區洪水風險圖編制項目軟件名錄，模型精度較高，計算結果的準確性得到了廣泛的認可和驗證[31-33]。

為保證一二維耦合水動力數值模型在本次模擬中結果的可靠性，從水量平衡、流場分布、淹沒水深、淹沒面積進行對比分析。對50年一遇洪水模擬計算方案進行了水量平衡統計分析，表3列出了洪水模擬計算方案模擬得到的保護區初始水量、進洪量、出水量以及最終蓄水量。水量平衡誤差為-0.48×106m3，均低于106數量級，滿足水量平衡要求。

表3 水量平衡對比 /(×106 m3)

對比圖3所示的DEM整體高程與淹沒區域流場分布模擬結果，可以明顯看出流場分布均勻一致，流速較大的區域集中在坡度變化劇烈，高低落差較大的地形區，洪水演進的趨勢遵循地形高程從高到低的原則，洪水態勢較準確，洪水模擬流速合理，淹沒區域與DEM地形所示的地勢低洼區相符。模擬結果表明模型計算較為合理，且精度較高，可應用于洪水風險計算。

4 黃河水庫下游河段洪水研究規律

黃河水庫下游(黃河水庫～金家鄉蘆家村)河道洪水來源主要有上游來洪、黃河水庫至金家鄉蘆家村區間洪水、潰壩洪水。黃河水庫下游現有堤防1處，堤防位于黃榆鄉平埠子村-茶壺嘴村飲馬河河段，防洪標準為20年一遇，堤防長度為10.5 km，河道安全泄洪量為820 m3/s。由于堤坊工程缺乏維護，局部堤段存在隱患，致使防洪標準降低。為了量化黃河水庫下游水力要素與來流量的規律，分別對10、20、50年一遇上游來洪進行模擬分析，并對下游關鍵斷面處最高及最低水位進行統計整理，并基于回歸分析法法對其進行擬合。

4.1 設計洪水方案

采用SL 44-2006《水利水電工程設計洪水計算規范》[34]中所列的Pearson-Ⅲ曲線進行頻率計算，利用矩法初步估算水文連序系列和不連序系列的均值、Cv、Cs等統計參數值，頻率分析成果見表4。

表4 長嶺站設計洪水成果

根據洪水量級分析，推求出長嶺水文站的10、20、 50年一遇的設計洪水過程。依據SL 44-2006《水利水電工程設計洪水計算規范》，設計洪水采用放大典型洪水過程線的方法，并選擇能夠反映洪水特性、對工程防洪運用較不利的大洪水作為典型。長嶺水文站的2017年7月19日至7月24日的實際洪水過程峰高量大，能夠反映黃河水庫下游大洪水的洪水特性。因此，選擇此次洪水作為典型洪水，流量放大后的設計洪水過程線見圖4。

4.2 洪水過程水力要素模擬計算

4.2.1不同洪水條件下最大淹沒水深模擬結果分析

基于HydroMPM-FloodRisk水力學模型對黃河水庫下游不同重現期來洪條件下洪水演進過程進行模擬，在模擬時，對研究區域內高于0.5 m的道路等線狀地物進行適當概化。當洪水未達到阻水建筑物頂高程時，線狀地物起阻水作用，區域不過水；當洪水超過線狀地物頂部高程時，水流以漫溢的形式通過。模型計算時間步長為60 s。根據模擬結果，得到10、20、50年一遇來洪條件下黃河水庫下游最大淹沒水深如圖5所示，圖中以色帶的顏色深淺表征洪水水深程度。

由圖5可知，隨著上游來洪重現期的增加，在研究區域內，淹沒面積和最大淹沒水深均增加。在各重現期條件下，均產生不同程度的漫溢，但隨著重現起的增大，漫溢的面積和水深逐漸增大，為了量化不同重現期條件下研究區域水位的變化規律，需提取重要斷面的水力要素，并對其進行分析。

4.2.2不同洪水條件下沿程斷面水力要素結果分析

模擬黃河水庫下游段10、20、50年一遇洪水演進過程，根據河道上斷面入流流量過程，結合各斷面水力參數，采用非恒定流水動力計算方法推算各斷面水位及流量過程，統計計算結果，提取河道計算斷面最高、最低水位。如表5所示。繪制河道最高水面線，如圖6所示。

表5 不同重現期洪水下游斷面水位

基于黃河水庫下游各監測斷面在10、20、50年一遇洪水工況下的水位數據，擬合以里程為自變量，斷面水位為因變量的線性方程，如圖7所示?？梢酝ㄟ^線性方程獲知在10、20、30年一遇工況下不同里程的河道斷面水位變化情況，從而實現通過少量斷面數據獲知河道沿程水位變化情況，極大地縮短了研究人員的數據處理和分析決策時間。

4.3 避洪轉移決策分析

基于研究區50年一遇洪水演進模擬結果，分析淹沒水深風險信息，提取最大淹沒水深和最短到達時間數據，繪制最大水深最短時間范圍包絡圖，確定淹沒范圍即為危險區，淹沒區內居民地將被定為轉移單元。當黃河水庫下游計算區遭遇50年一遇洪水時，黃河水庫至金家鄉蘆家村發生河道洪水漫溢，不同淹沒水深等級全區資產影響統計見表6。

表6 50年一遇洪水損失統計結果

采用GIS技術開展空間分析，根據轉移單元人數、安置區容納能力、距離遠近、行政區界等因素，確定轉移單元和安置區的對應關系。在盡可能避免交通(特別是交匯路口)擁堵、避免跨縣級以上行政區安置，且各安置人口密度相當的情況，按照就近原則，結合道路分布情況，確定轉移方向及路徑，建立轉移單元與安置區的對應關系，避洪轉移方案如圖8所示。

5 結 論

針對中小流域洪水分析資料匱乏，本文采用了一、二維耦合水動力模型精細化模擬黃河水庫下游洪水演進過程。結合社會經濟基礎數據，進行了災情分析和損失評估并制定避洪轉移方案。文中綜合考慮了黃河水庫洪源、防洪工程以及河道防洪標準，以不同重現期設計洪水方案為例，對水庫下游建立一、二維耦合水動力模型模擬河流洪水漫溢分流演進過程，并提取了關鍵斷面水力要素值進行量化分析，且基于標準洪水風險劃分及避洪轉移要求，繪制了50年一遇工況條件下研究區域避洪轉移圖，形成結論如下：

(1) 中小流域普遍存在徑流觀測資料缺失或不足的情況，而本次采用一、二維耦合水動力模型能夠良好地避免受到制約。通過對模擬結果分析，精度滿足要求，具有一定的可靠性，可為其他缺乏徑流觀測資料中小流域的洪水風險分析及避洪決策制定提供參考。

(2) 通過對不同洪水重現期條件的洪水演進過程模擬，隨著洪水重現期的增大，淹沒水深及淹沒面積逐漸增大，且在各重現期洪水條件下，河道兩岸沿程多處發生河道漫溢現象。

(3) 通過對不同洪水重現期條件下斷面水力要素的提取與分析，發現河道沿程水位呈現線性變化規律，且隨著洪水重現期的增大，沿程最低與最高水位均逐漸增加。如在水庫下游4 000 m處，當洪水重現期為10年一遇時，最低水位為252.84 m，最高水位為255.43 m，當洪水重現期增大至50年一遇時，最低水位增高至253.34 m，最高水位升高至256.89 m。

(4) 根據洪水模擬計算結果，進行洪災影響分析評估，確定了防洪保護區在遭受上述洪水時需轉移單元及人口數量、規劃安置場所、制定轉移路線，避洪方案的合理性分析。

本文提出的水庫洪水風險分析及避洪決策方法能夠較好地預測洪水演進過程，可據此制定正確的避洪轉移方案。未來研究中將完善該洪水風險分析方法，開展實時洪水風險計算分析，結合水庫調度及風險管理開發基于動態洪水風險圖的防汛決策系統，同時，還可具有災情評估分析、避洪轉移分析等功能，所有結果在系統平臺上實時表現，應用靈活，效果直觀。