黄河、漳卫河系流域超标准大洪水传播数值模拟研究

王万战，李岩

（1.黄河水利科学研究院，河南郑州450003；2.华北水利水电大学，河南郑州450045）

黄河、漳卫河系流域超标准大洪水传播数值模拟研究

王万战1，2，李岩2

（1.黄河水利科学研究院，河南郑州450003；2.华北水利水电大学，河南郑州450045）

基于平面二维水动力数学模型，模拟研究了超标准大洪水在漳卫河和黄河之间传播过程和特性。研究发现行洪能力较小的卫河河段起分流、限流作用；卫河超标大洪水溢出卫河后分两路传播，一路在马颊河以北经漳卫河流域流入渤海，另一路经黄河下游防洪体系的北金堤滞洪区进入徒骇河马颊河等最后流入渤海。模拟研究表明，当位于河南省武陟县境内黄河下游左岸秦厂附近堤防在遭遇近千年一遇大洪水发生溃口后，溃口洪水经人民胜利渠流到漳卫河流域后传播路线与卫河超标大洪水的传播路线基本一致。

洪水模拟；黄河；漳卫河；跨流域；平面二维水动力数学模型

新中国成立以来，水利事业迅速发展，黄河、漳卫河系等堤防工程得到全面系统的建设，为流域社会经济的发展提供了基础保证。

目前，黄河下游堤防防洪标准按照近千年一遇洪水设计[1]。当花园口发生22 000 m3/s的洪水时，黄河下游防洪体系能够把洪水控制在黄河大堤和北金堤等滞洪区内，避免黄河洪水泛滥到其它流域。

漳卫河系各河段防洪标准为50 a一遇[2]，从现有成果来看，漳卫河系发生50 a一遇洪水，洪水淹没范围到达马颊河左岸堤防，没有越过马颊河，淹没区域主要为漳卫河与马颊河左岸堤防之间[3]。

由于人类活动干扰、气候变化异常以及不可抗力等因素影响，仍有可能发生超标准洪水，笔者采用平面二维水动力数学模型，对漳卫河系和黄河发生超设计标准洪水时洪水传播路径和淹没范围等进行模拟研究，为超标大洪水跨流域防洪减灾管理提供技术支撑。

1 研究区域

研究区域覆盖黄河水利委员会管辖的黄河下游北岸的北金堤滞洪区、海河水利委员会管辖的徒骇河—马颊河流域、漳卫河系，其中漳卫河系包括卫河、卫运河、漳卫新河，涉及河南、河北和山东3个省的焦作、新乡、安阳、濮阳、鹤壁、邯郸、聊城、德州、济南及滨州10个地级市的48个县（市、区）。

该区域属华北平原，地势由西南向东北缓倾，西南部武陟县东南部地区海拔最高约92 m，东北部无棣县及入海口一带地势最低，下界为渤海湾。地貌类型主要有故河漫滩、沙地沙丘、洼地、冲积平原及河谷平原等。

2 模型介绍

洪水计算采用非结构网格平面二维水动力数学模型模拟大洪水演进过程。

模型控制方程包括连续方程和动量方程，控制方程采用有限体积法离散，空间项按照近似黎曼间断问题求解，时变项采用显格式求解。

连续方程为：

动量方程为：

式中：uˉ和vˉ为基于水深平均的流速（m/s），分别为垂向平均流速在x与y方向的分量；t为时间（s）；x、y、z为笛卡尔坐标；η为河底高程（m）；d为静水水深（m）；h=η+d为总水头（m）；u、v为x、y方向的速度分量（m/s）；g为重力加速度（m/s2）；ρ为水的密度（kg/m3）；Sxx、Sxy、Syx、Syy为辐射应力的分量（m3/s2）；Pa为大气压强（Pa）；ρ0为水的相对密度（kg/m3）；S为点源流量（m3/s）；us、vs为源汇项水流的流速（m/s）。本项目暂不考虑风和气压的影响。

本研究模拟范围北至卫河—卫运河—漳卫新河的左堤外围，南至黄河下游河左岸堤防，其中夹河滩至高村取黄河右岸堤防，东至渤海湾东风港附近海域，模拟面积约6.4万km2，如图1所示。

图1 模拟范围

2.1 网格剖分

本次模拟地形是基于1∶50 000矢量图和DEM数据，计算区域采用不规则三角形网格，对区域内地形变化大、边界复杂及高出地面的线状物（铁路、公路等）沿线两侧以及金堤河、卫河、漳河、卫运河、漳卫新河、马颊河、徒骇河及德惠新河河道网格适当加密。模拟区域部分网格剖分结果，如图2所示。

图2 网格剖分（部分区域）

2.2 参数选取

本研究模拟范围大，区域内地形地物复杂，模型糙率按照不同类型下垫面设置。该模拟范围内下垫面类型包括城镇居民地及居民地设施、河湖、有植被覆盖的土地和无植被覆盖的空地。按照《水力计算手册（第二版）》中确定不同类型下垫面的糙率，如漳卫河系中卫河、卫运河、漳卫新河漫滩糙率范围在0.035～0.10，主槽糙率范围为0.020～0.028，均值约0.025[4]。

3 漳卫河系洪水模拟方案

选取卫河淇门站作为上边界进口，分别设置1 000～4 000 m3/s等不同量级的洪水，模拟漳卫河系长历时洪水演进过程，分析洪水传播特性。

3.1 边界条件和初始条件设置

卫河淇门站作为进口边界，以不同量级流量作为进口条件，设定5种方案，见表1。

表1 5种方案设置条件汇总

出口边界选择漳卫新河入渤海位置，出口条件为平均高潮位0.14 m。

5种方案初始条件设置相同：本模型计算区域较大，不考虑河道水下地形，其基流水面按固结表面考虑，洪水在其表面流动，河道外采用实测地面高程。

下边界条件为渤海湾平均潮位0.14 m。

3.2 模拟结果

漳卫河系中的卫河各段现状行洪能力，如图3所示。卫河淇门至西元村段为250～1 800 m3/s，西元村至元村段为1 500～2 200 m3/s，元村至徐万仓段为2 200～2 500 m3/s。卫运河徐万仓至四女寺段原设计流量为4 000 m3/s，现状行洪能力为2 300～3 700 m3/s；漳卫新河大王铺至孟家庄段原设计流量为3 650 m3/s，现状行洪能力为3 500 m3/s[3]。

图3 漳卫河系中卫河示意

3.2.1 不同方案卫河分流特性研究

为了更清楚了解卫河发生大洪水时各河段过流情况，笔者采用平面二维数学模型模拟卫河向堤外侧分流及向下游河道分流的过程和特性。

表2 卫河分流情况及各个测站流量

从表2可以看出，淇门流量逐渐增大，下游河道通过的流量也相应增加。淇门为1 500 m3/s时，下游河道通过流量为1 360 m3/s，其中有部分洪水从西元村以上河道溢出，流量为140 m3/s；当淇门为2 000 m3/s时，下游河道通过流量为1 422 m3/s，流出去578 m3/s；当淇门为3 000 m3/s时，下游河道通过流量为1 641 m3/s，流出去1 359 m3/s；当淇门为4 000 m3/s时，下游河道通过流量为1 844 m3/s，流出去2 156 m3/s；当淇门为5000m3/s时，下游河道通过流量为1 967 m3/s，流出去3 033 m3/s。卫河西元村以上河段侧向分流和下游河道流量随淇门流量增加而增大，当淇门流量超过约3 500 m3/s时，侧向分流比大于50%，大部分洪水从西元村以上河道溢出。因此，在某种意义上，可发挥行洪能力较小的卫河的分流、限流作用，确保卫河来大洪水时进入卫运河及其以下河流的流量不超过其行洪能力。

3.2.2 不同方案洪水分流位置及传播路线研究

由计算结果可知，当淇门流量为1 500～5 000 m3/s时，洪水从卫河淇门至西元村段侧向分流，西元村以下河道通过的流量低于现状行洪能力，洪水不会漫堤，河道内洪水沿着河道继续向下游传播，经过卫河、卫运河、漳卫新河到渤海。

溢出洪水主要分两路：一路洪水经卫河两侧滞洪区，如柳围坡、长虹渠、白寺坡、小滩坡、任固坡等滞洪区，在冠县附近受邯济铁路阻挡，洪水沿着铁路向东流去，流向马颊河（如图4所示）。另一路洪水在滑县位置（如图3所示）拐弯向东传播，进到黄河下游防洪体系的北金堤滞洪区，少量洪水可通过一些水利工程设施进到黄河。当北金堤滞洪区蓄满时，莘县古城三里营和阳谷孟堤口附近堤段较长时间被洪水淹泡，结构变弱发生溃口，滞洪区洪水通过北金堤继续向下游传播，经徒骇河、马颊河流域，流入渤海，洪水主要淹没马颊河以南地区（如图4所示）。

图4 洪水第50天演进方向（淇门流量4 000 m3/s）

4 黄河左岸溃口洪水模拟应用

假设黄河下游发生近千年一遇大洪水且在武陟县秦厂村附近黄河左岸大堤发生溃口，模拟溃口洪水传播路线及淹没范围。

黄河下游左岸秦厂附近大堤溃口为模拟的上边界。近千年一遇大洪水溃口分流比参考黄河堤防溃口分流试验结果[5]，分流过程如图5所示。初始条件、出口条件及模型参数选择与上文第3节相同。

图5 溃口流量过程

模拟结果表明，溃口洪水以溃口为中心呈扇形向外扩散。溃口洪水首先沿着人民胜利渠向东北方向推进，进到漳卫河流域。黄河溃口洪水进入漳卫河流域后，洪水传播路线基本与卫河洪水传播路线一样，即洪水进到卫河及两侧附近滞洪区，河道洪水经卫河、卫运河、漳卫新河到渤海。滞洪区洪水一部分沿着卫河堤防外侧流向下游；大部分洪水溢出卫河，在滑县附近进入北金堤滞洪区，滞洪区内洪水溃口后经徒骇河、马颊河等，最终进到渤海（如图6所示）。

图6 洪水第27天演进方向

5 结语

笔者采用平面二维水动力模拟技术对跨流域洪水进行数字模拟试验，分别模拟漳卫河系1 500～5 000 m3/s等不同量级长历时洪水和黄河下游入口附近左堤在近千年一遇洪水发生溃口后洪水传播路线及淹没范围。

（1）卫河上游河道现状行洪能力较小，起分流、限流作用，当卫河发生特大洪水时，进到卫运河的流量也不会超过其现状行洪能力。

（2）当卫河发生特大洪水时，大部分洪水从卫河上游河段溢出，一部分洪水在马颊河以北经过漳卫河系向下游传播，进入渤海；另一部分洪水在滑县附近进入黄河下游防洪体系的北金堤滞洪区。进入金堤滞洪区的少量洪水可以通过退水闸进入黄河，大部分在北金堤溃口后经徒骇河、马颊河等，进入渤海。

（3）当黄河下游左岸武陟县秦厂附近发生近千年一遇溃口洪水后，洪水经人民胜利渠进入漳卫河流域后，洪水传播路线与上述基本一致，洪水淹没范围主要集中在卫河两侧、北金堤滞洪区和徒骇河、马颊河流域。

[1]黄河水利委员会.黄河流域防洪规划[M].郑州：黄河水利出版社，2008.

[2]张艳春，韩凤霞.《防洪标准》及其在漳卫河系防洪规划中的应用[J].水利水电工程设计，2000（2）：32-33.

[3]海河水利委员会.漳卫河系防洪规划[R].天津：海河水利委员会，2008.

[4]邢斌，朱晓春，李永庆.基于数字流域系统的漳卫河系洪水演进模型建立[J].海河水利，2015（6）：38-43.

[5]黄河水利委员会.防汛抢险关键技术研究[R].郑州：黄河水利委员会，2001.

Numerical Modeling of Ultra-Large Floods Propagating between the Yellow River and
Zhang-Wei Rivers

WANG Wan-zhan1，2，LI Yan2
（1.Yellow River Institute of Hydraulic Research，Zhengzhou 450003，China; 2.North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450045，China）

Using a two dimensional depth-integrated hydrodynamic numerical model，it is simulated how ultra-large scaled floods propagate between Zhang-Wei Rivers Basin and the Yellow River.It is found that low-diked Wei River，having a low bankfull discharge，serves as a flood diverting and limiting facility to make a large-scaled flood，fed at the upper site of the Wei River，enter the downstream reaches with a much-mitigated peak flood lower than the bankfull discharge of the downstream rivers by overflowing first into the nearby flood detention zones，then moving beyond to the Northern Golden Dike Flood Detention Zone of the Yellow River Basin，and farther to Tuhai River and Majia River，ending up to the Bo Sea.The flooding route is found to be followed by another simulated ultra-large scaled flood breaching the left dike of Yellow River at Qingchang，located near the entrance to the Lower Yellow River.

ultra-lrage flood；Yellow River；Zhang-Wei Rivers；trans-river basin；two-dimensional depth-integrated hydrodynamic numerical model

TV122+.4

：A

：1004-7328（2017）01-0030-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.01.009

2016—11—06

王万战（1965—），男，教授级高级工程师，主要从事河口海岸港口工程和三角洲生态治理、防洪、防潮研究工作。