河道阻塞對行洪能力影響數值模擬研究

收稿日期：2023-08-08；接受日期：2023-11-16

基金項目：國家自然科學基金項目（52009104，52079106）；中德合作交流項目（M-0427）；陜西省科技創新團隊（2020TD-023）

作者簡介：張凡，女，碩士研究生，主要從事水力學及河流動力學研究。E-mail：3143527026@qqcom

通信作者：

侯精明，男，教授，博士，主要從事水力學及河流動力學研究。E-mail：jingminghou@xauteducn

EditorialOfficeofYangtzeRiverThisisanopenaccessarticleundertheCCBY-NC-ND40license

文章編號：1001-4179（2024）03-0169-08

引用本文：張凡，侯精明，馬勇勇，等河道阻塞對行洪能力影響數值模擬研究［J］人民長江，2024，55（3）：169-176

摘要：

為定量探究堵塞體擁堵河道引起的洪泛區淹沒情況，以陜西省灞河上游河段為例，基于二維水動力模型模擬了不同流量及堵塞工況下堵塞體上下游水流運動，并計算了淹沒水深、淹沒范圍等。結果表明：垂向堵塞后堵塞位置的上游水深會急劇增大，上游斷面流速顯著減小，在洪峰流量為127m3/s的工況下，垂向堵塞率100%時上游水深、淹沒面積達到未堵塞時的236和1236倍。隨著垂向堵塞率的增加，上下游水深差距增大，且該河段垂向堵塞率達到50%以上后，淹沒面積會驟增，垂向堵塞率75%時淹沒面積較堵塞率50%時增加8343%；橫向堵塞河道時，其上游斷面水深增長較緩。此外，與“垂向堵塞率50%+橫向堵塞率50%”這一基準工況相比，大流量工況下改變垂向堵塞率，其上游斷面水深及淹沒面積變化更為顯著，而小流量工況下橫向堵塞更易造成較大淹沒面積。因阻塞河道而造成的淹沒范圍有限，受影響的河段長度約占總長度22%。研究結果可為類似河流復雜洪水演進分析及減小洪水風險提供理論參考。

關鍵詞：河道行洪；淹沒范圍；垂向堵塞率；橫向堵塞率；灞河

中圖法分類號：TV122

文獻標志碼：A" " " " " " " " " " " "DOI：1016232jcnki1001-4179202403023

0引言

受極端暴雨及強人類活動等綜合影響，當前中小河流的洪水災害形勢依然嚴峻，潰壩潰堤、生產活動造成的河道淤積、河道堵塞等問題日益突出［1-2］。值得注意的是，由特大暴雨引發泥石流、滑坡、道路阻水、樹木、石塊擁堵河道現象愈發常見，易導致河道阻塞而形成堰塞湖，在上游來流較大時會增加堰塞體潰決風險，對河道行洪造成重大不利影響。同時，復雜河道洪水問題帶來的一系列災害損失更為嚴重［3-4］。因此，針對河道阻塞問題進行研究對河道行洪及風險管理有實際應用價值。

針對此類復雜河道洪水過程問題，目前學者們多數采用數值模擬方法，如魏凱等［5］利用InfoWorksRS軟件模擬了河道的斷面水位，從而提出最佳行蓄洪區工程啟用方案。劉寧寧等［6］采用LatticeBoltzmann方法求解擴散波方程并建立D1Q5模型，有效提高了洪水演算效率。吳濱濱等［7］構建的考慮動態下滲的河道模型能實際反映出洪水演進過程。劉曉琴等［8］在模擬小洪河賀道橋潰口潰決過程時發現潰口出流能力小于河道斷面過流能力。楊哲豪等［9］通過典型算例驗證了三角形非結構網格的潰壩洪水模型具有良好的模擬效果。任杰等［10］研究了種植防浪林對河道行洪能力的影響，得出現狀及設計布局下防浪林對水位及流速的影響較小，不會構成較大威脅。郭夢京等［11］通過模擬發現渣場束窄河道后改變了水流流態，流速增大對行洪產生不利影響。李桂伊等［12］通過計算得出礦渣堆積引起地形改變會對下游行洪產生滯洪削峰效果這一結論。段金曉［13］分析了淤地壩不同淤積階段對溝道洪水的不同作用，發現建壩未淤階段的削峰效果最明顯。在河道阻塞的具體過程方面，國內外學者亦開展了深入研究，并有了新的發現。蔣衛威等［14］借助水動力模型對洪泛區橋梁雍水現象進行模擬，發現橋梁雍水對洪泛區最大淹沒水深有較大貢獻作用，橋前水位與橋孔堵塞呈線性關系。Wallerstein等［15］提出了一種計算碎屑、碎片阻塞涵洞入口平均面積的方法。Xia等［16］通過構建河流物理模型研究了車輛阻塞橋洞后的水動力現象，發現車輛堵塞導致上游水深顯著增加，其深度大小取決于橋梁構型及堵塞方式。Liao等［17］通過實驗模擬巖石滑坡阻塞河道，發現河流深度在河流阻塞類型中起著重要作用，水深較小的河流容易發生完全阻塞。Yu等［18］通過實驗驗證了河流堵塞程度及其臨界條件，并提出了多參數的泥石流堵塞河道預測模型。

但同時可以看到，以上研究對象多為泥石流滑坡、淤地壩淤積等造成的河道堵塞，且多數結合了物理實驗方法，而通過高效高精度二維水動力模型研究河道阻塞問題的研究則較為少見。考慮到灞河上游洪水災害風險較大，一旦發生較大暴雨洪水，易形成堵塞體阻塞河道等現象，威脅沿岸人民生命安全。基于此，本文通過高效高精度二維水動力模型研究河道阻塞的復雜水動力過程，以期為灞河上游河段治理及防災減災提供參考。

1研究方法

11控制方程

本文采用基于顯卡加速的地表水及其伴隨輸移過程模型（GPUAcceleratedSurfaceWaterFlowandTrans-portModel，GAST）作為水動力模型，它使用具有守恒格式的平面二維淺水方程（簡稱SWEs）作為水動力過程模擬的控制方程［19］。不考慮運動黏性項、紊流黏性項、風應力和科氏力，二維非線性淺水方程守恒格式的矢量形式如下：

式中：q為變量矢量，包括水深h，m，兩個方向單寬流量qx和qy，m3/s；g為重力加速度，m/s2；u，v分別為x，y方向的流速，m/s；f，g分別為x，y方向的通量矢量；S為源項矢量，包括底坡源項，摩阻力源項；zb為河床底面高程，m；Cf=gn2/h1/3，為謝才系數，n為曼寧系數。

12數值方法

采用Godunov格式的有限體積法求解二維淺水方程。通過靜水重構來修正干濕邊界處負水深問題，采用HLLC格式的近似黎曼求解器求解單元內物質與動量通量［20］，根據底坡通量法計算底坡源項，半隱式法計算摩阻源項，時間迭代采用二階顯式RungeKutta方法。除此之外，采用GPU加速技術提高模型計算速度［21］。

2基礎數據

21研究區概況

研究區域位于陜西省西安市藍田縣灞源鎮境內灞河上游段，屬暖溫帶半濕潤大陸性氣候，四季冷暖分明，年平均氣溫131℃。灞河大道藍田縣段全長186km，縣內河流彎曲甚多，研究區域面積為057km2，河流長度約113km，河道縱比降約2%，圖1為陜西藍田縣境內水系圖。降水主要集中在7～9月，占全年總降雨量的55%。夏季易發生暴雨，洪水猛漲猛落，水流湍急。

22模型數據及設置

GAST模型輸入資料主要為地形數據、入流數據。

地形數據源自灞河上游河段數字高程模型，網格分辨率為5m，網格數22188。圖2為研究區域數字地形高程圖。堵塞位置位于灞河上游段，距離灞源鎮中心約53km，此處河段較窄，且實地調研得知易發生堵塞現象，S1、S2斷面依次為堵塞體上下游斷面，分別距堵塞位置10m。

依據“2021·8·19”藍田暴雨洪水模擬驗證后的結果，提取入流斷面位置流量隨時間變化過程。入流邊界為河道上游邊界，出流邊界為自由出流開邊界，其余均設置為閉邊界。根據研究區域實際情況，灞河上游為山區段河道，夏季暴雨洪水易導致上游來沙量大，土沙質和礫石粗砂多，水流較為通暢，河道斷面多為“U”形。同時，查閱文獻［22］后，曼寧系數取0023。

由于本文著重考慮河道正常過水和遭堵塞體堵塞時對河道兩岸的淹沒程度，故采用“堰”的形式概化堵塞體，在地形數據中對堵塞體所在位置的網格進行標記，具體數值處理方式詳見文獻［23］。本次研究著重探討河道阻塞對行洪能力的影響，因此概化后的堵塞體形狀、大小不隨時間、流量及水深變化而變化，堵塞體起到阻水作用。

考慮到遭遇洪水時堵塞常發生在河道較窄處，以及洪水對河岸周圍區域的淹沒程度，因此分別設置兩種不同堵塞形式來研究河道阻塞對行洪能力的影響，即垂向堵塞和橫向堵塞。

垂向堵塞是改變堵塞體的垂向高度，即采用堵塞體位置處河岸高的25%，50%，75%，100%，此時保持對應的橫向堵塞率為定值100%；橫向堵塞是改變堵塞體的橫向寬度，即采用堵塞體位置處河槽寬的25%，50%，75%，100%，對應的垂向堵塞率為定值50%。除此之外，為對比橫向和垂向堵塞，文中設置了一組基準工況，即垂向堵塞率50%、橫向堵塞率50%，之后保持垂向堵塞率50%不變，改變橫向堵塞率和保持橫向堵塞率50%不變，改變垂向堵塞率并與基準作比較，從而對比發生垂向堵塞與橫向堵塞的淹沒水深、淹沒面積大小。

23模型驗證

由于缺乏該地區相應的洪水過程觀測資料，本次研究采用洪痕附近位置的水深和模型模擬的水深對比驗證，洪痕位置如圖3（a）所示。根據實際調研測量和走訪當地居民可知，“2021·8·19”暴雨導致洪痕位置處最大水深約350m。本文通過GAST模型對灞河上游流域該場次洪水過程進行模擬，其降雨過程及洪痕附近斷面的模擬水深如圖3（b）所示。由圖可以看出最大水深為344m，模擬結果和實際洪痕接近，表明模型可準確用于研究該區域的洪水過程。

為模擬兩種河道堵塞形式（垂向堵塞和橫向堵塞）下不同洪水大小所產生的淹沒現象，即①小洪水下河道基本無淹沒，堵塞后造成淹沒的現象；②大洪水下堵塞附近出現大面積漫灘淹沒的現象，本文在缺少不同重現期洪水資料的情況下，通過對上文已驗證的流量過程進行縮放，得到4種不同流量工況：小流量工況是流量一31m3/s、流量二63m3/s；大流量工況是流量三127m3/s、流量四254m3/s。

3結果與分析

31垂向堵塞率對河道行洪影響分析

考慮到洪水來臨時堵塞常發生在河道較窄處，垂向堵塞率分別設置為河岸高的25%，50%，75%，100%，此時橫向堵塞率為100%。

311堵塞后上下游淹沒水深變化

本文選取2種不同流量（流量一和流量三）、發生不同程度堵塞的16種工況（見圖5），并借助GAST二維水動力模型工具模擬不同工況，得出堵塞附近上下游的淹沒情況，再將其與河道正常過水工況的結果進行比較，最終分析河道阻塞對行洪能力的影響。

由圖5可以發現，隨著垂向堵塞率的增加，上下游水深差越來越大。在流量一、流量三工況下，上游水深比下游水深分別高099～397m、161～352m。另一方面，以流量一為例，其上游水深分別是未堵塞時的232，418，564，594倍，下游水深分別是未堵塞時的106，106，090，048倍，這表明發生垂向堵塞后，堵塞位置的上游水深會急劇增大。除此以外，同一堵塞率下，堵塞附近的上游水深均大于下游水深，且上游斷面水深越大，下游反而越小。

312堵塞后上游流速變化

由于堵塞對水流運動造成巨大的沖擊，使得堵塞附近上下游流速變化顯著，參考文獻［24］，流速變化對河道行洪有較大的影響。以流量三工況為例進行分析（流量一工況結論與其相似），堵塞附近上游斷面流速隨時間變化如圖6所示。

根據圖6可知，上游斷面流速隨垂向堵塞率的增加而減小。垂向堵塞率為25%，50%，75%，100%的最大流速較堵塞率為0時依次減小了004，183，269，329m/s，當t=275h時，垂向全堵塞工況下的最大流速減小至033m/s。發生垂向堵塞后，上游流速顯著降低，而隨著洪水沖擊力增強，水流翻越堵塞位置到達下游后，河道又逐漸恢復正常過水狀態，下游水流流速會增大。

313淹沒范圍分析

對模擬結果計算處理后，可得到不同垂向堵塞率下淹沒范圍及淹沒面積大小。同樣以流量三工況為例，垂向堵塞率為0，50%，100%時的淹沒范圍、淹沒面積對比結果如圖7所示。

由計算結果可知，淹沒面積隨垂向堵塞率的增加顯著增大。在流量一、流量三工況下，垂向全堵塞的淹沒面積分別達到了10100m2和15570m2（見表1），是未堵塞時的2148、1236倍，即垂向堵塞此河段后，淹沒面積顯著增加。值得注意的是，堵塞率從50%上升到75%，淹沒面積出現了劇烈增大，兩種工況下分別增長了10332%和8343%，增加量依次是堵塞率為50%時的221和205倍。由此說明，發生阻塞對河道行洪產生了較大阻礙作用，當該河段垂向堵塞率達到50%以上后，在遭遇不同大小洪水時均會出現淹沒面積驟增，需引起注意。

32橫向堵塞率對河道行洪影響分析

考慮到洪水對河岸周圍區域的淹沒程度，橫向堵塞率分別采用河槽寬的25%，50%，75%，100%，對應的垂向堵塞率為50%。

321堵塞后上下游淹沒水深變化

流量一、三工況下不同橫向堵塞率時，上下游斷面最大水深如圖8所示。與垂向堵塞率的分析同理，觀察圖8可以發現，隨著橫向堵塞程度增大，上游最大水深緩慢增加，下游水深基本無明顯變化。以流量三工況為例，橫向堵塞率為0，25%，50%，75%，100%時，上游水深依次較前一個工況增大了083，048，029，005m，即上游水深增長速率隨橫向堵塞率增加而減小。分析認為，發生橫向堵塞的過程是：隨堵塞率增加，逐漸堵塞河槽，水流可能會從兩岸未堵塞部分流向下游，因此不會造成明顯雍水，水深不會顯著增加；另一方面，下游水深較正常過水條件下變化不大，變化范圍在004～012m之間。

322堵塞后上游流速變化

流量三工況下不同橫向堵塞率時堵塞位置上游斷面流速如圖9所示。觀察圖9可以看出，上游流速隨時間變化呈現出先升高后降低的規律。橫向堵塞率越大，上游流速越小。與堵塞率為0的工況進行對比，隨著橫向堵塞率的增加，上游最大流速減小了082～135m/s。

張兆安等［25］在研究淤地壩淤積高度對洪水過程影響時發現，不同淤積高度下洪峰流量隨淤積高度的增加而減小，文中也得到了與之相符的結論，即堵塞后上游流速隨垂向及橫向堵塞率增加而減小，且與李桂伊等［12］得出的礦渣堆積高度引起洪峰削減對河道行洪造成影響這一規律一致。

323淹沒范圍分析

堵塞率為0時河道淹沒情況見圖7（a），而橫向堵塞率為50%，100%時，淹沒范圍及淹沒面積對比結果如圖10所示。

觀察表2可知，隨著橫向堵塞率增加，淹沒面積增大，但其增加幅度較小。在流量一、三工況下，橫向堵塞率50%時的淹沒面積較堵塞率25%時分別增加了1204%和5320%，而橫向堵塞率75%時淹沒面積較堵塞率50%時分別增加了7194%和4108%，橫向堵塞率100%時淹沒面積較堵塞率75%時分別增加了972%和1561%；流量一、三工況下變化橫向全堵塞的淹沒面積分別是未堵塞時的672、479倍。

33對比垂向堵塞與橫向堵塞對河道行洪影響

為比較垂向堵塞與橫向堵塞對河道過流能力的影響大小，本文采用4組不同大小流量，并以垂向堵塞率50%、橫向堵塞率50%作為基準，之后保持垂向堵塞率50%不變，改變橫向堵塞率為25%，75%，100%；保持橫向堵塞率50%不變，改變垂向堵塞率為25%，75%，100%展開試驗，并分別和基準作比較，從而對比發生垂向堵塞與橫向堵塞的淹沒水深、淹沒面積大小。

331不同堵塞工況上下游淹沒水深對比

由圖11可以發現，同一流量工況下上游水深變化幅度遠大于下游水深變化幅度。因此，對上游水深著重進行分析。

結合表3可以看出，在流量一、流量二工況下（小流量工況），與基準工況相比，垂向堵塞率不變、橫向堵塞率增加導致的上游水深的變化率顯著大于橫向堵塞率不變、垂向堵塞率增加導致的水深的變化率。以流量二為例，“垂向堵塞率50%+橫向堵塞率75%”時的水深變化率是“垂向堵塞率75%+橫向堵塞率50%”時的288倍。即在小流量工況下，改變橫向堵塞率能夠更大程度上改變上游水深變化幅度。

然而，在流量三、流量四工況下（大流量工況），與基準工況比較，垂向堵塞率不變、橫向堵塞率增加導致的水深變化率明顯小于橫向堵塞率不變、垂向堵塞率增加導致的水深變化率，以流量四為例，“垂向堵塞率75%+橫向堵塞率50%”時水深變化率是“垂向堵塞率50%+橫向堵塞率75%”時的261倍。即在大流量工況下，垂向堵塞率的變化對上游淹沒水深的增加起主要作用。分析出現這種情況的原因為：大洪水峰高量大，流經堵塞斷面水位顯著升高，垂向堵塞高度的增加會更易增大水深，產生的阻礙作用更強；相反，小洪水量小，水深本就較淺，垂向堵塞高度增加對其產生的阻礙并不顯著，而橫向堵塞率增加則會使得小流量工況的水深顯著增大。

綜上表明，與基準工況相比，此處阻塞河段存在小流量工況下橫向堵塞更易造成上游水深顯著增加，而大流量工況下垂向堵塞更易造成上游水深顯著增加的現象。

332不同堵塞工況下淹沒面積對比

根據表4計算得到的淹沒面積進一步得出，與基準工況下相比較，在流量一、二工況下，垂向堵塞率保持不變、橫向堵塞率增加導致的淹沒面積變化量顯著大于橫向堵塞率保持不變、垂向堵塞率增加導致的淹沒面積變化量。如在流量二工況下，和基準工況下的淹沒面積相比，“垂向50%+橫向75%”時淹沒面積增加了3473%，而“垂向75%+橫向50%”時僅增加了641%。而在流量三、四工況下，保持橫向堵塞率不變、垂向堵塞率增加導致的淹沒面積變化量更大。如在流量四工況下，“垂向50%+橫向75%”時淹沒面積僅增加了664%，而“垂向75%+橫向50%”時增加了1076%。除此之外，堵塞造成此處河段的漫灘淹沒范圍有限，在流量四工況下，受影響河道長度約250m，占整個河段的22%。

4結論

研究河道阻塞對河道行洪具有重要意義。本文以灞河上游河段為研究對象，采用二維水動力模型模擬了此處河段不同流量及堵塞率工況下河道阻塞現象，并將結果與此處河段正常過流相比較，得出了以下結論：

（1）發生垂向堵塞后，堵塞位置的上游水深會急劇升高，上游流速顯著減小，即堵塞率與上游水深、淹沒面積呈正相關關系，與上游流速呈負相關關系。流量三工況下，垂向堵塞率為100%時的上游水深是未堵塞時的236倍，其淹沒面積是未堵塞時的1236倍，而最大流速僅為033m/s。

（2）隨著垂向堵塞率的增加，上下游水深差距越來越大。且當該河段垂向堵塞率達到50%以上后，淹沒面積會驟增，流量一、三工況下，淹沒面積的增長率為103%和83%。這表明發生堵塞后，河道局部水流速度會明顯降低，造成上游斷面大量雍水，隨之出現大面積淹沒，嚴重降低河道過洪能力。

（3）流量三工況下，隨著橫向堵塞率增加，上游水深增量逐漸減小，增量為005～083m，即上游水深增加緩慢，下游水深基本無明顯變化，且橫向堵塞時上游流速規律與垂向堵塞相同。

（4）以“垂向堵塞率50%+橫向堵塞率50%”為基準，在小流量工況下，橫向堵塞率的變化對上游水深、淹沒面積的增加起主導作用；而在大流量工況下，垂向堵塞更易造成上游水深及淹沒面積的顯著增加，更為嚴重地影響了河道過流。最后，因堵塞造成的淹沒范圍是有限的，約占研究區域河段總長度的22%。

以上結論對今后初步估算此河段因河道阻塞這類復雜洪水問題所造成的淹沒水深、淹沒范圍具有一定積極意義。其次，相關部門治理該處河段時可結合不同阻塞形式和流量進行針對性處理，建議在上游來洪量較小時，多關注橫向堵塞造成的淹沒；而來洪量較大時，垂向堵塞淹沒更嚴重，需留意垂向堵塞率超過50%后淹沒面積驟增情況，從而為指導灞河上游段河道行洪工作提供參考。

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（編輯：胡旭東）