黄河卫宁段河南溃堤洪水风险及沟渠倒灌影响
2021-04-27岳志春周跃华曹鲁赣RIZWANQadir
岳志春 周跃华 曹鲁赣 RIZWAN Qadir
摘 要：黄河卫宁段河南溃堤洪水灾害风险较大，引排水沟渠倒灌危害较为严重，威胁沿岸交通、通信、水利工程等基础设施以及人民群众生命财产安全，为加强洪灾预防与应对措施建设，基于一、二维水动力学数值模拟方法及沟渠倒灌影响评估方法，采用非结构化网格与内边界处理技术合理优化了复杂边界与线状地物阻挡水效果，建立了考虑排水沟渠倒灌影响的溃堤风险分析精细化仿真模型，并将其应用于黄河卫宁段河南保护区溃堤洪水演进模拟，并评估了引排水沟渠倒灌影响。结果表明：所建模型能较精确地模拟卫宁段河南保护区遭遇100 a一遇洪水堤防溃决造成的淹没风险，当卫宁段河南保护区遭遇100 a一遇洪水在泉眼山处溃堤时，跃进渠、七星渠和张裕沟将不发生倒灌退水现象，南河子沟将发生倒灌退水现象，南河子沟倒灌长度为3 910 m。
关键词：一、二维耦合模型;精细化仿真;倒灌;引排水沟渠;溃堤洪水;黄河卫宁段
中图分类号：TV131.2;TV882.1 文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.04.012
引用格式：岳志春，周跃华，曹鲁赣，等.黄河卫宁段河南溃堤洪水风险及沟渠倒灌影响[J].人民黄河，2021，43（4）：67-71.
Abstract： Dam-Break flood occurs frequently in the Weining Reach of the Yellow River and the damage of backward flowing in dike-through drainage ditches is very serious. In order to strengthen flood prevention and response measures， a refined simulation model for the risk analysis of the breakwater considering the influence of the drainage ditch backflow was established， which was based on 1D and 2D hydrodynamic numerical simulation method and influence evaluation method for backward flowing in dike-through drainage ditches. The complex boundary and linear features blocking water effect were reasonably optimized by using unstructured grid and internal boundary processing technology and the study was applied to the simulation of the flooding evolution of the Weining Henan protection area in the Ningxia reach of the Yellow River. The impact characteristics of the dike-through drainage ditches were evaluated. The result shows that the model can accurately simulate the flooding risk caused by the dam-break flood with frequency of 100-year in Weining Henan protection area and evaluate the influence characteristics of backward flowing in dike-through drainage ditches. When the dam-break flood with frequency of 100-year occurred in the area， there will be no backflow in the Yuejin， Qixing and Zhanggou ditches. There will be backflow in the Nanhezi ditches and the backward flow length of Nanhezi ditches is 3 910 m.
Key words： 1D and 2D coupled model; fine simulation; backward flow; dike-through drainage ditches; dam-break flood; Ningxia reach of the Yellow River
黃河卫宁段河南溃堤洪水灾害风险较大，引排水沟渠倒灌危害较为严重，威胁沿岸交通、通信、水利工程等基础设施以及人民群众生命财产安全。因此，研究河道溃决分流过程及淹没区洪水演进过程，分析淹没区溃堤洪水淹没范围、最大水深和蓄洪量等特性，研究沟渠倒灌退水长度等风险特征，对减轻洪水灾害损失及防洪减灾决策有重要意义。近年来，相关学者针对一、二维水动力耦合模型的研究较多。Lowe等[1]将MIKE FLOOD一、二维水动力学模型与DAnCE4Water城市发展模型结合，系统地测试了各类洪水风险防治工程。苑希民等[2-3]基于全二维气相色谱理论提出全二维水动力学模型概念，建立了模拟黄河宁蒙段河道与左右岸灌区洪水演进的漫溃堤洪水联算全二维水动力模型;建立溃堤洪水和暴雨多源洪水耦合的数学模型，并应用于淮河干流凤台段防洪保护区多源洪水运动耦合模拟。Jakub等[4]利用高精度无人机测量了流域三维地形，并建立了二维水动力学模型。田福昌等[5]建立山洪沟道溃堤洪水演进一、二维水动力耦合数值模拟模型，分析评估溃堤山洪淹没风险。郭立兵等[6]基于Saint-Venant方程组和Villemonte堰流公式构建了防冲建筑物壅水风险评估水动力模型，并应用于防冲建筑物分布密集的宁夏北武当沟，所建模型能够较精确地模拟山洪演进过程和防冲建筑物壅水风险。虽然一、二维水动力耦合模型已得到较多应用，但是关于河道溃堤洪水演算、河道洪水倒灌支流分析及沟渠堤防洪水风险评估的应用研究比较少见。
本研究基于一、二维水动力学数值模拟方法及沟渠倒灌影响评估方法，以宁夏卫宁段河南保护区为研究对象，建立考虑排水沟渠倒灌影响的溃堤风险分析精细化仿真模型，模拟河道堤防溃决造成的洪水淹没风险，并评估引排水沟渠倒灌影响，为河道溃堤洪水精细仿真模拟与沟渠倒灌风险评估提供技术支撑。
1 模型原理
1.1 河道一维水动力学模型
本研究基于Saint-Venant方程组建立黄河卫宁段河道一维水动力学模型[7-8]，利用Priessmann四点隐式格式求解该方程组。Saint-Venant方程组为
1.2 保护区二维水动力学模型
对于防洪保护区水流运动，水力学要素在平面上的变化远大于沿水深方向的变化，水流运动可以采用平面二维浅水方程来描述[9-10]，方程形式如下：
1.3 河道与保护区一、二维溃堤耦合模型
河道与保护区一、二维溃堤耦合模型主要是指时间耦合、空间耦合以及动态分流，實现宽浅河道与淹没区的动态耦合，在溃口耦合位置处采用宽顶堰公式计算侧向分流量，以实现计算耦合处水流信息的交互，河道和洪泛区之间水量不断交换，达到动态平衡[11-13]。宽顶堰流公式为
1.4 沟渠倒灌影响评估方法
基于一、二维水动力学耦合模型，计算溃堤洪水演进过程，提取引排水沟渠附近的河道水位H1。基于GIS，利用DEM数据提取河岸高程H2、引排水沟渠控制工程底高程H3和引排水沟渠控制工程顶高程H4。通过比较H1、H2、H3和H4，确定引排水沟渠洪水倒灌情况。如果H1
式中：L为沟渠倒灌退水长度，m;H5为堤防排水沟排水口处的最高洪水位，m;H6为堤防排水沟渠的设计排水高度，m;i为沟渠的设计比降。
2 应用实例
2.1 研究区域概况
宁夏卫宁段河南保护区位于中卫市沙坡头区和中宁县境内，青铜峡水库上游，大部分为黄河峡谷地带，上起沙坡头水利枢纽，下至青铜峡水库库尾，保护区面积664.9 km2。区内有黄河一级支流清水河，以及大量的引排水渠;黄河干流水文站有下河沿站，水位站有申滩站、康滩站及白马站;交通线有109国道，省道宁卫线、中鸣线。黄河大堤经过治理，达到20 a一遇防洪标准，但河道多弯曲，部分河段堤防冲淘严重，右岸泉眼山控导工程存在较大风险;部分引排水渠已治理，如七星渠、南河子沟等，具有一定的阻水导水作用，部分渠首渠尾控制工程缺乏或老旧，导致黄河高水位时发生较严重的倒灌。
2.2 模型构建
2.2.1 河道一维水动力学模型构建
将2012年3号洪水作为典型洪水，利用洪峰流量同倍比放大法，推求下河沿水文站100 a一遇设计洪水过程。利用圣维南方程组建立下河沿站至白马站河道一维水动力模型，上游入流边界条件为下河沿水文站100 a一遇流量过程见图1;下游出流边界条件为白马站控制断面水位—流量关系见图2。卫宁河段全长85.24 km，共设置45个计算断面，其中河道上、下游出入流断面见图3和图4。研究区考虑的主要阻水建筑物有109国道、长鸣乡道，沟渠有七星渠、康滩渠、柳青渠、南北渠、北滩渠和朱滩渠等。
为保证模型计算稳定和结果精度，模型设定计算时间步长为10 s，输出时间步长为1 h。参数为模型正式起算时边界条件起始值，初始水深即为模型计算时河道各断面水深，利于模型稳定运行。河道糙率是对河道一维水动力模型精度影响较大的参数，对2012年第3号洪水过程进行模拟，并提取相关断面水位流量数据，根据2012年大断面实测最高水位和沿程各水文站的水位过程进行模型率定，最终确定卫宁河道糙率为0.025～0.036。
2.2.2 防洪保护区二维水动力学模型构建
采用非结构化网格与内边界处理技术合理优化复杂边界与线状地物阻挡水效果，模型内特殊边界处理主要包括对于道路、涵洞、灌渠渠堤等的概化处理，模型将其作为线性边界处理。采用不规则三角形网格对防洪保护区进行剖分，在溃口和线状地物等处进行网格局部加密处理，防洪保护区整体网格边长为90 m，局部加密网格边长为60 m。按不同的土地利用及地形地貌情况进行糙率分区处理，按研究区域土地利用情况进行糙率分区，房屋建筑区域糙率设为0.100，农田糙率设为0.040，湖泊水域糙率设为0.035。为保证模型稳定运行且具有较高运行效率，淹没区二维模型的最大时间步长设定为10 s，最小时间步长为0.01 s。泉眼山处堤防发生溃决之前，保护区内初始无积水，即设定初始水深为0。
2.2.3 溃口选取及设定
考虑卫宁段河南保护区可能遭遇的最大洪水风险，综合河势地形、地质状况、工程状况和历史出险情况，并结合现场调查确定倒灌沟渠位置为南河子沟，确定溃口位置为卫宁河段右岸泉眼山控导工程段。卫宁河段泉眼山控导工程段溃口宽度为200 m，设定堤防溃决方式为瞬间全溃。模型将溃口概化为侧向建筑物，溃口发生时刻为河道水位等于堤防设计洪水水位，即1 188.19 m。采用侧向建筑物连接方式，实现河道一维水动力模型与淹没区平面二维水动力模型之间溃口分流的动态耦合，实时耦合计算河道洪水溃口分流淹没风险。
2.2.4 倒灌沟渠选取及影响评估
倒灌（退水）口的入流计算边界根据河道一维模型计算结果进行提取，倒灌口入流计算边界选取与溃口分洪同时段对应的水位变化过程。根据模型计算结果，提取各可能发生倒灌的沟渠倒灌口处的水位过程，进行倒灌分析。在DEM数据中，依据沟渠的走势和地形变化，确定各沟渠的比降;结合倒灌口水位差和沟渠比降，利用式（7）推算倒灌长度。
2.3 洪水风险分析
2.3.1 堤防溃口分流及沟渠倒灌影响评估
当卫宁段河南保护区遭遇100 a一遇洪水在泉眼山处溃堤时，溃口宽度199 m，堤防溃决方式为瞬间全溃。模型将溃口概化为侧向建筑物，溃口发生时刻为河道水位等于堤防设计洪水水位1 188.19 m，溃口堤后高程为1 187.65 m。泉眼山遭遇100 a一遇洪水时溃堤分洪时间为2012-08-22T8：00至2012-08-30T15：00，分洪历时199 h。泉眼山溃口100 a一遇水位过程如图5所示。耦合模型堤防溃口分流计算基本合理。
当卫宁段河南保护区遭遇100 a一遇洪水在泉眼山处溃堤时，跃进渠、七星渠和张裕沟将不发生倒灌退水现象，南河子沟将发生倒灌退水现象，倒灌（退水）口的入流计算边界根据河道一维模型计算结果进行提取，倒灌口入流计算边界选取与溃口分洪同时段对应的水位变化过程，南河子沟退水口100 a一遇水位过程如图6所示。南河子沟最高水位1 161.73 m，沟渠底部高程1 158.14 m，沟渠外地面高程1 160.18 m，沟渠比降0.083%，推算南河子沟倒灌长度为3 910 m。
2.3.2 洪水淹没过程与风险分析
在100 a一遇洪水計算方案下，洪水从泉眼山溃口进入卫宁段河南保护区，洪水演进淹没水深分布如图7所示。洪水演进6 h，溃口地区淹没水深达1.67 m，洪水演进至双桥、黄滨村十四队村庄，演进过程中被康滩渠阻挡，淹没面积7.26 km2;洪水演进12 h，仁和滩、新装、营盘滩等村庄相继被淹没，演进过程中经黄河大桥桥洞越过109国道，被南北渠阻挡，淹没面积15.21 km2;洪水演进24 h，洪水演进至李滩村、上滩村、中滩村、下滩村，洪水越过北滩渠、朱滩渠和长鸣乡道，淹没面积43.42 km2;洪水演进36 h，洪水越过长鸣乡到达南河子沟退水口，淹没面积54.62 km2，演进过程中被南河子沟渠堤阻挡，此时南河子沟处于退水状态，淹没范围趋于稳定，计算区平均淹没水深达到0.44 m。从整个淹没过程分析，100 a一遇洪水淹没历时199 h，主要淹没范围为康滩村、黄滨村、殷庄村、莫嘴村、营盘滩村、长滩村、李滩村、上滩村、中滩村、下滩村等。
卫宁段河南保护区遭遇100 a一遇洪水时，泉眼山溃堤洪水主要影响鸣沙镇、恩和镇、白马乡、宁安镇及舟塔乡。淹没面积约为56.66 km2，总淹没农田面积3 548.4 hm2，淹没房屋面积314.66万m2，受影响公路长度155.53 km。具体统计结果见表1。
当黄河遭遇100 a一遇洪水、在泉眼山处溃堤时，溃口宽度200 m，溃口底高程1 187.65 m，进洪水位1 188.19 m，计算区最终积水量0.316亿m3，康滩村五队、殷庄村九队、莫嘴村、中滩三队积水深较大，金沙沟控导险工、倪丁控导工程、黄庄控导工程、童庄控导工程、丰长渠护堤工程冲刷严重，河心滩地被淹，南河子沟倒灌长度3 910 m。该研究成果可为防汛部门开展防汛指挥、洪水风险管理、洪水保险和土地规划利用、增强全民水患意识和洪水影响评价等提供基础信息。
3 结 语
基于一、二维水动力学数值模拟方法及沟渠倒灌影响评估方法，建立考虑排水沟渠倒灌影响的溃堤风险分析精细化仿真模型，模拟了黄河宁夏卫宁段河南保护区遭遇100 a一遇洪水时堤防溃决造成的洪水淹没风险，并评估了引排水沟渠倒灌影响。结果表明：耦合模型堤防溃口分流计算基本合理可靠，当卫宁段河南保护区遭遇100 a一遇洪水在泉眼山处溃堤时，跃进渠、七星渠和张裕沟将不发生倒灌退水现象，南河子沟将发生倒灌退水现象，南河子沟倒灌长度为3 910 m。
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【责任编辑 许立新】
