渭河下游南北岸防洪保护区洪水风险分析

张凤华，崔秋利，陈利军

（1.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州450016；2.河南中天招标代理有限公司，河南郑州450003）

洪水风险图是直观表现洪水风险信息空间分布和洪水管理信息地图的总称,是建立洪水风险管理制度、开展洪水风险管理的基础和依据［1］。洪水风险图作为重要的非工程防洪措施,可直观地显示区域内的淹没水深、洪水到达时间、淹没历时等信息［2］,已经成为近年来防灾减灾管理的重要依据,是由“控制洪水”向“管理洪水”观念转变的具体体现［3］。

渭河洪水主要来源于泾河、咸阳以上干流和南山支流,而渭河下游是黄河中游多泥沙河流的汇聚地,也是三门峡建库以来受水库泥沙淤积影响最为严重的地区［4］,受河床抬高、河槽萎缩以及防洪工程建设不完善等多因素影响,该区域洪涝灾害易发。

笔者基于MIKE软件建立一维、二维耦合模型,分析研究渭河下游两岸保护区各溃口在相应频率和洪水条件下的洪水演进过程、淹没范围等,并基于社会经济基本资料统计分析相应损失,为渭河下游防洪体系的不断完善提供参考。

1 研究区域概况

1.1 地理位置

渭河下游南、北两岸保护区是自渭河西宝高速桥至渭河入黄口南、北两岸堤防的保护区,面积1 600 km2,其范围介于东经 108°40′21″—110°19′54″、北纬34°17′31″—34°36′4″。 其中：渭河下游北岸保护区包括咸阳市秦都区、渭城区,西安市高陵区、临潼区,渭南市临渭区、大荔县等县（区)；渭河下游南岸保护区包括咸阳市秦都区,西安市未央区、灞桥区、临潼区,渭南市临渭区、华县、华阴市、潼关县等县（市、区)。保护区范围见图1。

1.2 社会经济发展情况

渭河下游南北两岸防洪保护区涉及西安市、咸阳市和渭南市3个市的12个县（市、区)69个乡镇。保护面积1 600 km2,保护人口110.56万人,保护区2013年GDP为1 393.40亿元。

图1 渭河下游南北岸防洪保护区范围示意

1.3 历史洪水灾害情况

渭河下游洪水主要来源于泾河、洛河、渭河干流咸阳以上和南山支流。洪水有暴涨暴落、洪峰高、含沙量大的特点［5-6］。 渭河下游曾于 1898年、1911年、1933年、1954年、1968年、1981年、1992年、2000年、2003年发生多次严重洪水灾害,给两岸人民生命财产造成了严重威胁,严重制约了该区域经济的可持续发展。其中：1968年9月10日2时,华县毕家堤段发生决口,口门宽约100 m,毕家防护区4个乡（镇)的十几个村庄、0.37万hm2耕地被淹,倒塌房屋1.1万间,1.64万人受灾；1981年8月23日华县站洪峰流量为5 380 m3/s,洪水过程中临潼南屯堤段决口,淹没耕地0.11万 hm2［7］；“2003·8”洪水是渭河下游有实测资料以来灾害最为严重的一场洪水,给渭河下游咸阳、西安、渭南三市12个县（市、区)造成严重损失,受灾人口达56.25万人,累计迁移人口29.22万人,总受灾面积达91 866.67 hm2,经济损失29亿元。

1.4 区域防洪工程及防洪调度情况

渭河干流堤防工程多修建于20世纪60年代以后,在修建堤防的基础上多次加培而成,堤防标准低、质量差［8］。20世纪90年代后,渭河治理得到中央和地方的高度重视和社会各界的普遍关注,《渭洛河下游治理规划》及“三门峡库区陕西返迁移民防洪保安工程”“渭河‘2003·8洪水’灾后重建工程”“陕西省渭河中游干流防洪工程”等多个项目逐步实施。2011年1月《陕西省渭河全线整治规划及实施方案》经省政府批准实施,随着该整治工程的实施及逐步完工,渭河中下游堤防工程更加完善。

目前,渭河南岸西宝高速桥至西安咸阳交界堤防防洪标准为100 a一遇,西安咸阳交界至西安高陵交界堤防防洪标准为300 a一遇,西安高陵交界至赤水河口堤防防洪标准为100 a一遇,赤水河口至方山河口堤防防洪标准为50 a一遇,方山河口至吊桥渭河口移民防洪围堤防洪标准为5 a一遇。渭河北岸西宝高速桥至石川河口堤防防洪标准为100 a一遇,石川河口至临潼渭南界堤防防洪标准为50 a一遇,临潼渭南界至龙背堤防防洪标准为100 a一遇,孝义至大荔官池堤防防洪标准为50 a一遇,官池至洛河口堤防防洪标准为5 a一遇。

2 分析方法及原理

2.1 洪水分析方法及计算模型

本次主要研究渭河下游南、北两岸防洪保护区遭遇渭河干、支流洪水溃堤时所产生的洪水风险,需要计算保护区在遭遇洪水时的洪水演进过程、淹没水深及洪水前锋到达时间等平面变化的水力因素。渭河干支流水文站网完善,规划设计及相关水文、泥沙研究成果丰富,保护区测绘成果完整,能够满足二维洪水演算输入条件的需求。

基于以上考虑,本次根据渭河下游地形和洪水特征,采用一维水动力数学模型模拟渭河河道洪水演进过程,采用二维水动力数学模型模拟渭河下游南、北两岸保护区洪水演进过程,采用一维和二维耦合水动力数学模型来模拟溃堤或漫堤洪水过程。

最终选取计算成果稳定可靠且精度高的MIKE软件进行建模计算,采用MIKE 11模拟一维河道洪水、MIKE 21模拟防洪保护区洪水演进。

2.2 模型计算范围与网格划分

本次计算范围为渭河西宝高速桥至入黄口南、北两岸堤防的保护区,面积1 600 km2。河道建模范围自渭河西宝高速桥至黄河潼关（八)断面,河道长度为212.56 km。

对于一维河道模型,在已有实测大断面的基础上,根据渭河的实际宽度及河道蜿蜒情况,对河道断面进行内插加密处理,使得计算断面间距尽可能小,重要河段断面间距为0.50 km。对于河道形态变化较大的河段和布置建筑物的位置,网格进行再加密处理。

对于二维水动力模型,以渭河下游南、北两岸保护区的计算范围作为网格剖分的边界约束条件,将内河堤防、高速公路、铁路等阻水建筑物作为网格剖分的内部约束条件,进行网格剖分,网格最大面积不大于0.10 km2。

2.3 设计洪水

本次渭河下游南、北两岸防洪保护区风险分析主要考虑的洪水来源为：①泾渭洛河同时来水形成的流域型洪水（“1933·8”洪水,以下简称“33”型)；②以泾河或渭河单独来水形成的上游来水型洪水（“1954·8”洪水,以下简称“54”型)；③渭河支流北洛河、南山支流等单独出现洪水的支流来水型洪水。

洪水频率考虑的方案为：①渭河干流洪水量级选取设计标准洪水,并增加一组低于堤防标准的洪水,渭河干流计算20、50、100 a一遇洪水；②支流洪水量级选取设计标准洪水、超标准洪水及100 a一遇洪水,渭河北岸支流和南山支流主要计算10、20、50、100 a一遇洪水。

2.4 溃口设置方案

在综合考虑干堤历史溃口、险工险段的实际状况及防洪大堤保护对象重要性的基础上,各溃口宽度设置如下：①渭河干流咸阳、西安区域内的溃口口门宽度取100 m,干流其余溃口口门宽度取200 m；②南山支流及北岸支流溃口口门宽度取50 m。

按渭河干流北岸、渭河干流南岸、渭河北岸支流和渭河南山支流分为4个区域,共设置54个溃口,其中：渭河干流北岸8个,渭河干流南岸27个,渭河北岸支流3个,南山支流16个。各区域溃口统计见表1。

表1 溃口信息统计

2.5 计算方案及边界条件

2.5.1 一维水动力模型计算方案

根据渭河水文站网分布和现有水文资料情况,将渭河干流按照咸阳水文站、华县水文站和潼关水文站划分为3段进行一维建模计算,即咸阳西宝高速桥—临潼水文站、临潼水文站—华县水文站、华县水文站—潼关（八)水文站。

一维计算模型的边界条件见表2。

表2 一维计算模型边界条件

2.5.2 二维水动力模型计算方案

由于渭河目前干支流堤防均达到了设计标准,因此本次不考虑多溃口组合,仅考虑单溃口溃决进行计算,结合对渭河洪水来源、洪水组合方式、历史溃口情况、洪水频率等进行分析,最终共设置溃口54个,计算方案155个。计算方案组合见表3。

根据防洪保护区的地形、水系堤防及公路铁路等分布情况,划分17个计算区进行二维水动力模型计算。在计算中,对相关参数进行设置后,将二维水动力模型与一维河道水动力模型通过溃口处的流量过程进行耦合链接,各溃口处的溃决流量过程作为二维水动力模型计算的水文边界条件［9］。

表3 二维计算方案

3 洪水演进计算结果及分析

3.1 参数率定与模型验证

3.1.1 一维水动力模型验证

（1)流量验证。一维水力计算模型采用2013年水文资料进行率定,选取资料较齐全的2005年及2011年水文资料进行模型验证。以咸阳—临潼段为例,以咸阳站2005年、2011年实测洪水过程为输入条件,通过模型计算得出下游临潼站的洪水过程。计算结果与实测资料对比如图2所示。

图2 临潼站（流量）模型计算结果与实测数据对比

临潼站洪峰流量计算值与实测值相对误差（实测流量与计算流量之差的绝对值/实测流量)2005年为2.02%,2011年为4.38%,均小于5.00%。

（2)水位验证。通过模型计算出咸阳站与临潼站之间的耿镇水位站2005年与2011年的水位变化过程,与实测资料的对比如图3所示。模型计算水位与实测洪水位的最大误差（实测水位与计算水位之差绝对值的最大值)分别为0.17、0.07 m,均小于0.20 m。

图3 耿镇站（水位）模型计算结果与实测数据对比

临潼—华县段、华县—潼关段均采用以上方法进行模型验证,验证结果见表4。各河段的最大流量相对误差及最大水位误差均在允许范围内,且水位与流量变化趋势基本一致,因此模型的计算结果基本合理可靠。

表4 渭河下游南北岸防洪保护区洪水影响统计

3.1.2 二维水动力模型验证

选取2003年石堤河东堤溃口实测及调研资料进行二维水动力模型验证,将模型计算出的淹没面积、淹没水深等计算结果与实测资料进行对比,分析其合理性；对于模型计算出的洪水最大流速、最大淹没水深及洪水前峰到达时间等,通过模型精度验证、整体流场分布、局部流场分析、同一方案洪水风险信息比较等方法分析成果的合理性。

模型计算淹没面积为128.40 km2,实测洪水淹没面积为137.60 km2,相对误差为6.7%,且模型计算得出的洪水演进和淹没范围与实测数据基本一致；淹没区内水尺实测水位与模型计算结果最大误差为0.05 m；对比淹没区域相应5个河道断面的洪痕资料与模型验证结果,水位最大误差皆在0.20 m以内。因此,利用二维水动力模型开展该保护区洪水演进分析是可行的。

3.2 洪水演进及淹没情况分析

本次溃口设置较多,且防洪保护区地形复杂,不同溃口发生溃决后的淹没过程有较大差异。以渭河干流南岸梁赵险工遭遇100 a一遇洪水发生溃决为例,简要介绍其洪水演进过程和淹没情况。

梁赵险工溃口计算分区面积29.39 km2,发生溃决后,洪水在3 h内淹没了溃口附近的梁村、罗刘村等部分区域；溃决后12 h洪水向南穿过郑西高速客运专线,向地势较低的东部区域演进,逐渐淹没了西东里、八里店、双王村等地；溃决后24 h洪水向南演进至乐天大街,沿途淹没了穆屯、西王、小雷等村,向东南演进至渭河下游堤防,沿途淹没了槐衙村、北白村等并达到小寨村附近,总淹没面积为14.09 km2,平均淹没水深为2.72 m；溃决后48 h洪水演进速度减慢,向南淹没乐天大街并演进至渭清路,淹没红星村委会部分区域及渭南高新区边缘,向东南演进淹没龙源新村边缘,总淹没面积为15.92 km2,平均淹没水深为3.30 m；溃决后72 h洪水最终演进南至周家村、泰安花园部分区域,淹没范围不再进一步扩大,总淹没面积为17.96 km2,平均淹没水深4.20 m。

3.3 洪水影响分析

根据本次所有计算方案的计算结果及不同溃口影响区域的社会经济情况,对54个溃口不同频率洪水的灾情进行统计,主要包括各频率洪水的最大淹没面积、淹没耕地面积、受影响人口及受影响GDP等指标。统计结果见表5。

表5 渭河下游南北岸防洪保护区洪水影响统计结果

4 结 论

渭河下游河势复杂多变且溃口位置众多,不同位置溃口的洪水淹没范围、淹没水深和受影响程度差别较大。

就本次计算结果来看,同频率洪水下,渭南市临渭区、大荔县、华县、华阴市淹没面积大；就受灾程度而言,单位面积洪灾损失最为严重的是咸阳、西安等经济较发达的城区,临渭区发生堤防溃决时淹没片区洪灾总损失最为严重；就避险转移规模而言,由于淹没范围大、人口集中,因此临渭区、华县避险转移规模大。对于这些不同片区,应有侧重地做好相应的防洪预警及避险演练等工作,以减少洪灾损失。