基于水动力数学模型的建设项目洪水风险分析

侯龙潭 ，张雪晶 ，陈 静 ，张 涛

（1.山东省水利勘测设计院，山东 济南 250013；2.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092）

对洪泛区、蓄滞洪区内非防洪建设项目开展洪水影响评价，应进行洪水淹没影响分析[1]，计算设计洪水或蓄滞洪区运用条件下，建设项目的淹没范围、水深等要素。杜国平等[2]通过历史洪痕高程及大断面流量，点绘相应断面的水位-流量关系曲线，由计算流量插值得到浙江横店机场所在断面相应的洪水位及水深，作为洪水风险分析的依据。张泓[3]采用一维数学模型进行河流模拟，计算了河道现状防洪能力及洪水位，分析了洪水对浑南热电厂可能造成的淹没影响。采用上述 2 种方式进行淹没影响分析具有很大的局限性，难以满足新时期大型建设项目洪水影响评价的需要。为此，以邹平市货运铁路物流站为例，采用一、二维耦合数学模型，分析项目区附近河道发生漫溢或溃堤时，建设项目面临的淹没风险，为物流站洪水影响评价提供支撑。

1 基本情况

1.1 区域概况

邹平位于山东省中部偏北，为工业大县，对大宗货物的运输需求巨大。新建货运铁路自胶济线周村站引出，全长为 27.9 km，于邹平市长山镇毛张村东设邹平物流站。物流站西临孝妇河布置，主要承担到达煤炭、铁矿石和铝土矿的卸车，以及发送钢材、铝制品和焦炭的装车作业。根据方案设计，邹平物流站紧邻孝妇河右堤布置，该段孝妇河设计防洪标准较低，发生 100 年一遇洪水时，存在漫溢或溃决可能。

项目区地势南高北低，呈倾斜式下降。地貌为山前倾斜冲洪积平原，土层深厚，土质以轻壤土和中壤土为主。

项目区属半湿润、半干旱的大陆性气候，四季分明，年平均气温为 12℃，年均降水量为 628 mm。降水量随季节变化显著，夏季降水量占全年降水量的 60% 以上。

项目区位于小清河支流孝妇河流域，周边水系复杂，河流众多，主要有小清河、杏花河、老坞河等，如图1 所示。根据规划，孝妇河邹平市以上段设计防洪标准为 50 年一遇，邹平市及下游段设计防洪标准为 20 年一遇。为解决孝妇河行洪能力上游大，中、下游小的矛盾，历史上先后开挖了胜利河及胜利河分洪道，分洪入小清河，并在小清河与孝妇河之间另辟青纱湖蓄滞洪区。根据防洪预案，当孝妇河吕家庄超保证水位时，爆破孝妇河左堤，利用胜利河及分洪道泄洪入小清河；当胜利河河口水位超 12.37 m，爆破胜利河东西两堤，利用青纱湖滞洪[4]。

图1 研究区现状水系图

拟建物流站南北向长约为 2.1 km，设计场坪标高为 20.65 m，轨面高程为 21.69 m。物流站附近孝妇河右堤堤顶高程为 23.34～22.30 m。

1.2 基础资料

本次模型分析所需要的基础资料主要包括以下几种：

1）地形资料。包括小清河、孝妇河、胜利河、杏花河河道纵横断面资料，分析范围内 1∶10 000 DEM 数据，项目区 1∶1 000 实测地形图等。

2）水文资料。孝妇河（胜利闸以上）100 年一遇设计洪水流量过程，如图2 所示；胜利河、杏花河河口处小清河 50 年一遇水位过程线，如图3 所示。

3）防洪工程。收集了分析范围内防洪工程分布情况、现状涵闸的过流能力及调度运用方式，测量了孝妇河、胜利河等骨干河道堤顶高程。

4）社会经济资料。搜集了项目区最新统计年鉴，对影响范围内土地面积、人口、GDP 等指标进行了统计。

图2 孝妇河（胜利闸以上）设计洪水过程线

2 模型建立

2.1 研究方法

为反映新建邹平物流站在孝妇河发生超标准洪水河道溃堤或漫溢时面临的洪水威胁，本次建立了小清河、杏花河 MIKE11，孝妇河及堤外保护区MIKE21，MIKE Flood 一、二维耦合等模型。共拟定 5 个计算工况，其中：溃堤工况 3 个，溃堤 + 暴雨工况 1 个，漫堤工况 1 个。

溃堤工况中，共拟定 3 个不同位置的溃口，分别模拟发生 100 年一遇设计洪水各溃口溃决时项目区淹没情况。溃口选择时综合考虑了河道地形、工程现状、历史出险等情况，同时兼顾溃坝后淹没损失最大、风险最高等因素。经比选，拟定杨家庄西、毛张村南、毛张村北等 3 处溃口，溃口宽度结合实地调查及经验公式确定，在水位达到保证水位时刻瞬间溃决；模拟时考虑了所在区域防洪调度情况，先后启用胜利河分洪道、青纱湖滞洪区，节制闸相继排水。此外，增加了 1 个堤防溃决遭遇 100 年一遇暴雨的工况，以充分反映项目区淹没风险。

漫溢工况中，充分考虑了孝妇河综合治理工程实施后孝妇河各断面的最大过流能力，经分析，选取长山镇驻地东关村北侧作为上游漫溢口，大于下游河道最大过流能力的流量由该漫溢口分流。孝妇河左右堤、胜利河右堤、分洪道右堤采用综合治理工程完工后的设计堤顶高程，允许洪水自由漫溢。

2.2 模型构建

模型构建过程主要包括以下几点：

1）模拟范围选取。本次模拟区域西侧以孝妇河左堤、胜利河左堤、青纱湖左堤为界，北侧以小清河右堤为界，东侧以滨博高速公路为界，南侧以会仙二路及其延长线为界。该区域南北长约为 19.8 km，东西宽约为 13.5 km，总面积约为 259.2 km2。

2）网格剖分。采用三角形网格对模拟区域进行剖分，在高程变化不大、边界平顺的区域，适当加大网格，以减少模型计算时间。在河道、堤防、道路等重要地物附近，将网格加密，以提高模拟精度，本次采用的最大网格面积为 3 000 m2，共划分网格 34.2 万个，如图4，5 所示。

图4 河道网格划分图

图5 项目区网格划分图

3）特殊地物处理。本次考虑了模拟区域内高于地面 0.5 m 的堤防、公路、铁路等线状地物，以体现其阻水和导流作用。

通过加高基础、增大糙率的方式体现村庄阻水影响；通过在网格构建时预留构造线，后期人工修正的方式体现物流站场坪标高。

4）糙率选取。本地区缺少溃堤洪水演进实测资料，采用水力学手册中的建议值[5]，对模拟区域内村庄、耕地、道路、河道主槽、滩地及其他等地物设置不同的糙率n，分别为 0.080，0.050，0.030，0.025，0.040 和 0.050，以反映不同下垫面对洪水演进的影响。

5）边界条件。孝妇河入口、潴龙河、新月河汇入口给定 100 年一遇设计流量过程，胜利河、杏花河等河道汇入小清河处，给定水位过程。

6）方案汇总。各工况组合如表1 所示。

表1 计算方案汇总

3 结果及分析

3.1 模拟结果

根据模拟结果，孝妇河在不同位置溃堤时洪水对物流站的影响差别较大，为此以毛张村南溃口溃决（方案 II）为例，对该工况下物流站面临的洪水风险进行分析。根据模拟结果提取的溃口流量过程如图6 所示。

图6 毛张村南溃决（方案 II）溃口流量过程

3.1.1 溃堤洪水演进过程

溃堤洪水演进过程如图7 所示。

溃堤洪水具体演进过程分析如下：

1）溃堤开始 1 h。从图7 a 可以看出，洪水自毛张村南侧孝妇河右堤缺口溃堤，呈扇形向四周流动，到达物流站后，受其阻隔，沿物流站边缘向两侧扩散。随进洪量增加，物流站西南侧水位不断抬高，一部分洪水进入物流站，沿轨间道路、货场向东北侧演进，物流站三分之一区域过水。

图7 溃堤洪水演进过程（方案 II）

2）溃堤开始 3 h。进洪量为 129.64 万 m3。从图7 b 可以看出，洪水继续向前推进，沿物流站西侧边界向北流动的洪水与漫过路基向东北推进的洪水即将合为一股，物流站被洪水围困，洪水前锋到达李富村附近。物流站 70% 以上区域被淹没。

3）溃堤开始 12 h。进洪量为 663.25 万 m3。从图7 c 可以看出，物流站 90% 区域被淹没，洪水沿地势继续向东北向演进。随着孝妇河干流洪水消退，溃口流量减少，物流站内淹没水深开始下降。

4）溃堤开始 24 h。溃堤过程结束，总进洪量为734.55 万 m3。从图7 d 可以看出，物流站水位大幅降低，轨道路基露出水面。洪水前锋逐渐坦化，一部分蓄积在沿程低洼地带，一部分进入河网，随后汇入小清河。

3.1.2 淹没水深

毛张村南侧溃堤时，物流站大部分区域被洪水淹没，其中：靠近溃口的西南角淹没水深最大，达到 0.83 m；东北角水深最浅，约为 0.11 m；大部分区域淹没水深在 0.50 m 左右。

物流站周围均有一定程度的淹没，其中：紧邻溃口西南角地势低洼，水深可达 2.03 m；物流站西侧、北侧水深在 0.20～1.15 m 之间，东侧稍低，水深在 0.10～0.92 m 之间，东南侧水深最浅，在 0.15～0.45 m 之间。各区域淹没水深如图8 所示。

图8 最大淹没水深分布（方案 II）

3.1.3 最大流速

最大流速出现在溃口附近及物流站西侧边墙外，其中溃口附近流速可达 2.05 m/s，随后迅速降低，至物流站附近，流速降低至 0.65 m/s；物流站西南角距溃口较近，流速为 0.40～0.65 m/s；向东北侧逐渐降低，至最北侧流速为 0.10～0.20 m/s。

3.1.4 淹没历时

物流站淹没时间最长的区域位于距离溃口最近的西南角，淹没时长达 1.26 d；其余大部分区域为0.20～0.50 d。

除毛张村南侧溃口外，其他 2 处溃口溃决对项目区淹没风险较小，其中：杨家庄西侧堤防溃决时（方案 I），大部分洪水则从物流站东、西两侧绕过，物流站基本未进水。毛张村北侧堤防溃决时（方案 III），大部分洪水从物流站北侧与丁公村之间的区域流向东北，小股洪水沿物流站西侧边墙向南流动，物流站几乎未受洪水影响。

孝妇河在位于物流站上游 6 km 处的东关村南（方案 IV）发生漫溢时，物流站未进水，对铁路安全运行影响较小。

堤防溃决与暴雨内涝遭遇时（方案 V），项目区淹没情况与溃堤方案差别不大，淹没水深小幅增加，淹没区域基本一致。

3.2 减轻或消除洪水影响的措施

为了减轻或消除洪水对物流站的影响，建议采取以下补救措施：

1）优化物流站场坪标高。建议物流站设计单位根据本次模拟成果，对物流站场坪标高进行优化调整。

2）孝妇河右堤加高加固。考虑到保护对象的重要性及溃堤后的严重后果，建议局部提升孝妇河防洪标准，对右堤进行加高加固。近期提升孝妇河右堤标准至 50 年一遇，远期提升至 100 年一遇，全长为 14 km；此外，对项目区附近孝妇河右堤 4 处弯道顶冲段进行护砌，全长为 0.75 km。

4 结语

本研究采用一、二维耦合水动力模型对拟建物流站所在区域进行了模拟，得到孝妇河右堤不同位置漫溢或溃决时项目区淹没水深、流速、淹没历时等特征数据。通过本次模拟，为邹平物流站洪水影响分析及场坪标高优化设计提供了重要依据，对防汛指挥部门安排抗洪救灾、避险转移也具有一定的指导意义。本研究可为类似建设项目洪水影响分析评价提供一定的参考。