挡水建筑物对河道洪水演进和淹没的影响分析

卢 岳 官庆朔 吴先敏 侯龙潭 薛 霞

(1.山东农业规划设计院有限公司，山东 济南 250013；2.山东省水利勘测设计院，山东 济南 250013； 3.济南大学，山东 济南 250022)

水利工程项目建设中，通常在河道中设立堤坝、水闸、拦河堰等挡水建筑物，使河道工况和洪水演进与淹没变的更为复杂，洪水风险性分析、洪水防御甚至河道工程建设等相关工作也因此受到影响[1]。

近年来，河道水力和洪水风险的模拟计算和研究逐渐增加，并获得了大量成果。王颖[2]利用一维、二维水动力学模型构建了MIKE FLOOD洪水演进动态耦合模型，模拟分析了洪水淹没风险与满溢演进过程，计算了不同时段的洪水淹没水深和分布范围；陈俊鸿等[3]建立了能够模拟溃堤洪水水流演进的一、二维耦合水动力模型并开展洪水风险性分析；王自明等[4]耦合地表二维水动力模型与地下管网模型，对城市暴雨内涝进行了模拟，该方法具有无时间尺度问题、数据交换方便和结果准确的优势；张凤华等[5]以渭河下游防洪保护区为研究对象，基于MIKE软件建立耦合模型，分析该保护区各溃口在相应类型和频率洪水条件下的洪水演进过程、淹没范围和淹没损失等。以上及其他相关研究[6,7]充分说明基于MIKE建立水动力模型，对河道洪水演进和淹没的模拟分析有一定的适用性和准确性。

因此，本文基于MIKE21建立水动力模拟模型，模拟分析有无水工建筑物两种工况下河道洪水演进过程、淹没历时、保护区(监测点)的淹没情况等，研究挡水建筑物对河道上下游的洪水风险性的影响，为工程实践提供建设参考和判断依据。

1 研究区概况

1.1 研究背景

沂源县张家坡镇红水河工程项目建设中，由于施工需要，在红水河干流桩号7+400处建有一座临时挡水围堰，一次性拦断河床，利用上游围堰对河道来水进行调蓄，同时利用水泵将上游来水抽排至下游河道内。围堰结构形式为：顶宽3 m，边坡采用1∶2。由于河道及围堰距离居民的房屋较近，围堰填筑后河道水位上升，对附近的房屋和道路的安全产生威胁，因此，采用模拟模型进行河道洪水演进和淹没的影响分析，确保围堰填筑对人民生命财产安全不产生影响，项目建设也能够顺利进行。

1.2 流域概况

红水河属沂河流域，发源于潍坊市临朐县，在沂源县张家坡镇东北店子村北汇入北店子水库，流经张家坡镇、东里镇，在东里镇阮峪村西汇入沂河。河道全长24 km，流域面积97.3 km2，平均比降8.24‰。流域上游有北店子水库，该水库规模为小(1)型，水库以上流域面积22 km2，兴利库容188万m3，总库容411.95万m3。

1.3 洪水计算

根据红水河流域水文资料情况，由实测暴雨资料推求洪水，临时挡水围堰工程上游600 m处(干流桩号8+000)以上及红水河支流前瓜峪河洪水过程如图1所示。

2 二维洪水演进数学模型

2.1 计算方法

采用二维水动力模型MIKE21进行洪水模拟计算，以满足洪水演进分析计算的需求。模拟过程中，主要考虑堤防、铁路、公路等构筑物的挡水和导流作用。模型的数值计算方法采用有限体积法。

2.2 模型设置

2.2.1计算区域网格划分和构筑物概化

计算区域自红水河以围堰工程上游600 m处(桩号8+000)起，至沂河河口处(桩号0+000)止，左右大致以河道两侧道路为界，计算区域面积为137.11万m2。采用不规则三角形网格，综合考虑分区面积、模拟精度、计算时间及软件性能等因素，限定单个网格最大面积为50 m2，网格最小角度为26°，并对局部区域网格进行适当加密，共划分网格49 843个，节点25 958个。地形插值采用自然临近法，高程点由红水河带状地形图插值提取，共提取高程散点13 059个，插值后的局部地形如图2所示。

为充分考虑计算区域内高于地面0.5 m以上的线状地物(堤防、公路、铁路路基、阻水建筑物等)对洪水演进的影响，采用局部加高的方法对堤防、道路进行概化处理，以体现其阻水及导流作用。本次计算区域高于地面0.5 m 以上的线状地物主要为拦河堰。计算区域内共涉及拦河堰36座。由于堰顶较窄，在模型中采用双线对其进行概化(见图2)。

2.2.2边界条件

将干流桩号8+000断面处与前瓜峪支流口设置为流量边界，采用上述洪水计算成果；将红水河入沂河河口设置为水位边界，采用沂河干流红水河河口附近水位；模拟降水条件采用张家坡镇雨量站监测成果，均匀加入模型计算区域内，并与上述洪水进行错时段叠加。排水设置中，根据调查资料，计算区域内没有排涝泵站，因此不再考虑泵站的影响。

计算采用分区糙率。根据《洪水风险图编制细则》[8]，糙率取值一般应利用实测洪水资料进行率定，无实测资料的地区可根据《水力学计算手册》[9]确定，或参考采用相似条件地区的糙率。本地区缺少溃堤洪水演进实测资料，故采用《水力学计算手册》中的建议值，对计算区域内的村庄、道路、耕地、河流等地物设置不同的糙率，以反映计算区域下垫面对洪水演进的影响。

针对有无挡水围堰两种工况，在围堰上下游分别设置3个监测点(如图3所示)代表河道洪水演进和淹没情况。另外，下游桩号2+900～3+200处河道右岸居民房屋较多，根据现场调查，当地居民反映十分担心河道洪水淹没情况，因此在右岸道路内脚内侧设置6个监测点(见图4)，对其淹没过程进行计算。

2.2.3其他

模拟起止时间为2019/08/10 20:00～2019/8/13 20:00，共计3 d。主时间步长30 s，共8 640步。时间积分与空间离散方式采用高阶。由于模拟过程中，计算区域干湿边界变化频繁，为避免模型计算的不稳定，采用“干湿判别”来确定计算区域由于水位变化产生的动边界。

3 洪水演进和淹没分析计算

3.1 模型验证

为了验证模型可靠性，输出各个时刻计算区域的积水量、为模型稳定而设置的初始水量、由模型开边界流入或流出计算区域的水量、降雨及蒸发水量等，以此分析模型计算误差。经分析，该方案计算误差约为2E-006 m3，模拟误差满足计算精度要求，具有良好的物质质量守恒性，满足水量平衡，模型运算稳定，计算结果可靠。

3.2 计算工况

模拟共两个工况，分别针对桩号7+400附近挡水建筑物存在与拆除两种情况，对红水河中洪水的演进与淹没情况进行分析，并对几个典型时刻累计进洪量、洪水前锋到达位置、演进距离、淹没范围、淹没历时等进行说明，同时提取、计算、比较计算区域内监测点的水位、淹没水深等数据，分析计算区域(监测点)洪水淹没情况。

3.3 结果及分析

3.3.1洪水演进

暴雨开始4 h时，红水河上游与前瓜峪支流洪水进入计算区域内，并与区域内降水叠加，产生的洪水在河槽内自上游向下游演进，洪水前锋到达入沂河河口附近，如图5所示，有围堰时其上游区域比无围堰时淹没范围更大，说明围堰工程的建设对上游洪水起到了一定阻挡和防御作用。暴雨开始16 h后，上游洪水达到洪峰，由于流量过大，部分洪水自堤防低洼处漫出河槽，侵占部分滩地。洪水的淹没范围逐步扩大至最大。河道下游受沂河干流顶托，部分洪水无法进入沂河排出，自河槽内漫至滩地，甚至越过两侧道路流入路边树林。桩号2+900～3+200处河道受附近拦河堰影响，部分河段水面较高，水深较大，但右岸路面较高，洪水未越过路面威胁外侧房屋。暴雨开始28 h后，随着降雨过程结束，上游与支流洪水过程也逐渐结束，河道内洪水逐步自入沂河河口排出模型，同时由于蒸散发作用，计算区域内洪水淹没范围与各处淹没水深均逐渐减小。

3.3.2淹没历时

根据淹没历时计算结果，模拟时间相同的条件下，上游淹没区域有围堰时略大于无围堰时，而下游淹没区域基本一致，如图6所示，说明在挡水围堰影响下，上游区域淹没时间增加，而下游区域淹没时间与无围堰工况基本一致。

3.3.3监测点洪水过程

1)对挡水建筑物上、下游六个监测点的水面、淹没水深等数据进行提取分析，其水面高程如表1所示。可知，在挡水围堰作用下，其上游区域淹没水深增大，且距离挡水围堰越近，挡水围堰的影响越大。而当距离为300 m时，挡水围堰对上游淹没水深基本无影响。挡水围堰对其下游区域淹没水深、水面高程等基本无影响。

表1 挡水围堰上下游监测点水面高程对比情况

2)对挡水围堰下游桩号2+900～3+200处六个监测点的水面、淹没水深等数据进行提取分析，其水面高程如表2所示。可知，两种工况下各监测点最大水位相近，且均小于其外侧路面高程，洪水未越过路面威胁外侧房屋。

表2 下游桩号2+900～3+200处监测点水面高程对比情况

4 结论

本文以沂河流域红水河为研究对象，基于MIKE21建立水动力模拟模型，通过分别模拟计算河道不同区域洪水演进过程、淹没历时、淹没情况等，得出以下结论：

1)挡水建筑物会使其上游水位雍高，当区域内发生洪水时，会延长洪水演进过程，增大淹没历时，淹没水深增大，增加洪水风险。2)挡水建筑物对其下游区域洪水演进过程、淹没历时、淹没水深等影响较小，基本不会增加洪水风险。基于此，本文可为工程建设实践提供较为明确的参考和判断依据，便于相关项目建设顺利进行，文中采用的计算方法也可为相关问题和复杂研究提供借鉴。