黄河下游滩区村台对洪水演进的影响

钟 寰，程舒鹏，李溪智，刘一鸣，李振山，赵志杰，薛 安

（北京大学 环境科学与工程学院 水沙科学教育部重点实验室，北京 100871）

1 引 言

黄河下游滩区既是行洪、滞洪和沉沙的场所，也是居民生产生活的基本空间［1］，2 种功能的矛盾导致滩区居民始终面临着洪水漫滩风险。 村台是人为修建的高于周围地面的台地，满足一定防洪标准，房屋建在村台上可以降低被洪水淹没的风险。 标准的村台设施是黄河下游滩区安全建设的重要工程之一，对保护滩区居民的生命财产安全具有重要意义，但目前黄河下游滩区安全建设滞后，多数村台抗洪能力差，不达标村台占94%，有81.64 万人的房屋建在不达标村台上，仅有3.44 万人的房屋建在达标村台上，另有92.03 万人的房屋没有建在村台上［2］。 2017 年山东省发展改革委员会发布的《山东省黄河滩区居民迁建规划》确定的主要建设任务中提到“就地就近避洪设施”，包括就地就近修建村台和旧村台改造［3］，但此类举措的实施会导致滩区局部地形发生变化，影响滩区洪水的演进过程。 为研究村台与黄河下游滩区洪水演进的相互作用，本文采用Delft3D 软件建立二维水沙数学模型，模拟村台现状方案和村台改造方案下不同重现期洪水的演进过程，分析滩区淹没水深及淹没面积变化情况，研究2 种方案下洪水演进结果的差异，以期为实现黄河下游滩区遇洪水的良性治理提供科学依据。

2 研究数据与方法

2.1 研究区域与数据来源

根据已有地形数据，选取黄河下游花园口—艾山河段作为研究区域（见图1），该区域包括滩区和主河槽两部分，滩区指主河槽与两侧大堤之间的区域，滩区总面积约3 800.00 km2［4］，主河槽全长约360 km。

本文涉及的基础数据包括黄河下游水文泥沙数据、土地利用类型数据以及地形数据，数据来源分别如下。

（1）水文泥沙数据。 通过查阅《中华人民共和国水文年鉴》（黄河流域水文资料），共选取6 个重现期的典型洪水过程，分别为常遇、5 a 一遇、10 a 一遇、20 a一遇、100 a 一遇、1 000 a 一遇，其中20 a 一遇洪水是根据黄河下游1982 年100 a 一遇洪水的水文资料设计而成［5－7］，各重现期洪水的实测流量、含沙量等数据见表1。

表1 水文泥沙数据

（2）土地利用类型数据。 此类数据源自2015—2017 年黄河下游高分辨率遥感影像解译成果，包括鱼塘、耕地、自然村、集镇村、工矿仓储地等24 种土地利用类型［8］，考虑到2017 年以后自然村和集镇村的居民会进行搬迁，土地利用类型会发生变化，因此利用2019—2020 年黄河下游高分辨率遥感影像对自然村和集镇村重新进行了解译，其他土地利用类型不变。参照前人研究成果［9－12］以及《中华人民共和国水文年鉴》（黄河流域水文资料）“洪水水文要素摘录表”获取各土地利用类型的糙率系数，见表2。

表2 土地利用类型及糙率系数

将自然村和集镇村统称为居民地，目前黄河下游花园口—艾山河段滩区内居民地斑块共有1 127 个，居民地斑块总面积为210.80 km2，分布在东明县、东平县等16 个县级行政区，见表3。

表3 居民地斑块分布

（3）地形数据。 分析黄河水利委员会2014—2018年黄河下游汛期水文资料可知，该时段内黄河下游未发生大规模漫滩洪水，滩区地形未发生较大变化，因此2013 年汛前地形数据能够体现出研究区域的地形现状。 滩区地形数据和主河槽水下地形数据源自黄河勘测规划设计研究院有限公司（2013 年黄河下游花园口—艾山河段汛前地形数据），数据以高程点的形式存储（见图2），研究区域内不同位置的高程点精度有所不同，滩区内高程点的平均间距为500 m，主河槽内沿水流方向高程点的平均间距为200 m、垂直水流方向高程点的平均间距为100 m，大堤高程点的平均间距为40 m。

2.2 研究方法

水沙数学模型是研究洪水演进的有效工具［13－15］，荷兰代尔夫特理工大学与Deltares 研发的Delft3D 软件可以模拟洪水、海啸、风暴潮等情景，计算流量、水位、水质等参数，已被应用于国内外河流水沙模拟和风险预测等领域［16－19］。 本文采用Delft3D 软件建立二维水沙数学模型，模型建立流程见图3，参数设置见表4。

表4 模型参数设置

Delft3D 软件基于网格运行，在Delft3D－rgfgrid 模块中按照大堤的实际边界形状和花园口—艾山河段中各断面的实际位置绘制代表研究区域的网格；模型中每个网格都需要被赋予1 个糙率数据和1 个地形数据，而现有数据精度无法满足模型的精度需要，因此将糙率数据和地形数据导入Delft3D－quickin 模块，经过插值处理后生成糙率文件和地形文件；之后将黄河下游水文泥沙数据、糙率数据、地形数据输入Delft3Dflow 水动力模块并进行模拟计算［20］。

2.3 模型验证

选取2013 年黄河下游洪水过程进行模型验证，验证时段为2013 年6 月19 日—7 月9 日，进口边界条件为花园口断面实测流量和含沙量，出口边界条件为艾山断面实测水位。 分别对黄河下游花园口、夹河滩、高村、孙口、艾山断面的模拟水位与实测水位、模拟流量与实测流量进行对比，各断面的对比结果类似，选取夹河滩断面为代表，其对比见图4，可以看出，各断面的水位、流量模拟结果与实测结果基本吻合。

通过计算纳什效率系数（NSE）、平均绝对误差（MAE）和平均相对误差（MRE）可以定量反映模型模拟精度，计算结果见表5。 各断面的水位和流量纳什效率系数都在0.7 以上，部分断面的水位和流量纳什效率系数在0.9 以上，说明模型可信度较高。 此外，各断面的水位平均相对误差都在1%以下，相较而言，各断面的流量平均相对误差略大，但除艾山断面外，其他断面的流量平均相对误差都在10%以下。 总体上，本次利用Delft3D 软件构建的二维水沙数学模型精度较高，能够模拟现实洪水的演进过程。

表5 模型模拟精度

2.4 方案设置

分别采用村台现状方案和村台改造方案规划村台的空间分布：①村台现状方案。 将水文泥沙数据和利用Delft3D－quickin 模块插值处理得到的糙率文件rgh、地形文件dep 输入Delft3D－flow 模块构建村台现状方案，由于黄河下游居民地建设在村台之上，洪水漫过村台表明居民地被淹没，因此模型中居民地所在位置的地形数据等同于村台的地形数据。 ②村台改造方案。在村台现状方案的基础上局部修正自然村和集镇村的地形数据，水文泥沙数据和土地利用类型数据与村台现状方案保持一致。 参照《黄河流域综合规划（2012—2030 年）》将改造后村台高程设计为花园口20 a一遇洪水流量12 370 m3／s 相应的设计水位加1.0 m超高［21］，本文采用村台现状方案下20 a 一遇洪水时居民地的淹没水深加1.0 m 超高作为改造后的村台高程。

3 研究结果

3.1 2 种方案下洪水淹没水深差值分析

利用Delft3D－flow 模块模拟得到2 种方案下各重现期洪水的淹没水深，再利用ArcGIS 计算得到2 种方案下洪水淹没水深差值（村台改造方案下洪水淹没水深减去村台现状方案下洪水淹没水深）的空间分布结果，见图5，将洪水淹没水深差值分为8 个等级，其中未淹没等级表示2 种方案下整体研究区域均未被淹没。 可以看出，常遇洪水漫滩很少；5 a 一遇洪水漫滩集中在高村—孙口河段，与村台现状方案相比，村台改造后洪水淹没水深增大区域集中在濮阳县、范县东部和鄄城县西部，淹没水深减小区域集中在范县南部和鄄城县北部；10 a 一遇和20 a 一遇洪水漫滩集中在高村—艾山河段，淹没水深增大区域集中在濮阳县、鄄城县、东明县西部和长垣县东北部；100 a 一遇和1 000 a一遇洪水漫滩广泛分布于全断面。 除常遇洪水外，村台改造方案下其他重现期洪水的淹没水深增大区域主要呈现连续分布，淹没水深减小和不变区域主要呈现零星分布。

3.2 滩区淹没面积变化分析

将黄河下游滩区分为居民地和非居民地，统计2种方案下各重现期洪水的滩区淹没面积，结果见表6，由于Delft3D－flow 模块基于网格运行，因此滩区淹没面积是所有被淹没网格的面积之和。

表6 2 种方案下各重现期洪水的滩区淹没面积

分析整体滩区淹没面积可知，随着洪水量级增大，整体滩区淹没面积增大，由于常遇洪水量级小，因此只有小部分漫滩，村台改造方案下整体滩区淹没面积比村台现状方案下略微减小。 与常遇洪水相比，村台改造后其他重现期洪水的整体滩区淹没面积减小现象比较明显。 分析居民地淹没面积可知，村台改造方案下常遇洪水中所有居民地未被淹没，其他重现期洪水的居民地淹没面积比现状淹没面积显著减小。 村台改造方案中村台防洪标准为20 a 一遇洪水，但在5 a一遇、10 a 一遇和20 a 一遇洪水中仍有小部分居民地被淹没，且10 a 一遇洪水的居民地淹没面积比20 a 一遇洪水时略大，原因为20 a 一遇洪水时高村以上断面的漫滩面积比10 a 一遇洪水时大，减缓了高村—艾山河段的滞洪压力，导致高村—艾山河段的淹没面积减小。分析非居民地淹没面积可知，除常遇洪水外，村台改造后其他重现期洪水的非居民地淹没面积都略微增大，依次计算常遇洪水至1 000 a 一遇洪水条件下非居民地淹没面积在整体滩区淹没面积中的占比，村台现状方案下占比分别为98.97%、90.26%、88.01%、89.80%、87.92%、87.73%，村台改造方案下占比分别为100.00%、99.89%、96.64%、99.00%、95.21%、92.21%。

综上可知，对于各重现期洪水，村台改造能够降低整体滩区淹没面积和居民地淹没面积，非居民地淹没面积在整体滩区淹没面积中的占比均有所提高，说明村台改造后滩区滞洪压力更多转移到了非居民地。

3.3 滩区淹没水深变化分析

每个网格代表研究区域的一部分，对村台改造后淹没水深发生变化的网格进行分析，分别计算各重现期洪水的淹没水深增大、不变和减小的网格面积占所有发生变化的网格面积的比例，结果见图6。 村台改造后整体滩区淹没水深变化和非居民地淹没水深变化一致，除常遇洪水外，其他重现期洪水的滩区和非居民地淹没水深增大的网格面积占比最大。 由于所选取的10 a 一遇洪水的平均流量比20 a 一遇洪水时大，因此相较于20 a 一遇洪水，10 a 一遇洪水的滩区和非居民地淹没水深增大的网格面积占比较大。 村台改造后居民地淹没水深增大和淹没水深减小的网格面积变化相对较小，水深增大的网格面积占比均在5%以下，水深减小的网格面积占比均在95%以上，说明村台改造方案起到了显著减小居民地淹没水深的作用。

3.4 不同淹没水深分级对应的淹没面积分析

根据2 种方案下不同重现期洪水的淹没水深数据，将淹没水深分为13 个等级，分别计算滩区、居民地和非居民地各淹没水深分级对应的淹没面积以及累计淹没面积，结果见图7～图9。 分析图7（a）可知，随着淹没水深增大，2 种方案下所有重现期洪水的滩区淹没面积都先增大后减小，除常遇洪水外，其他重现期洪水的滩区淹没面积差别逐渐减小，并且村台改造方案下各淹没水深分级对应的滩区淹没面积逐渐超过现状方案下的滩区淹没面积。 除1 000 a 一遇洪水外，村台改造方案下其他重现期洪水的最大滩区淹没面积均出现在淹没水深0.0～1.5 m 范围内。 分析图7（b）可知，随着洪水量级增大，滩区累计淹没面积逐渐增大。 随着淹没水深增大，与村台现状方案相比，村台改造方案下所有重现期洪水的滩区累计淹没面积均较小，说明村台改造降低了滩区淹没面积。

分析图8（a）可知，与村台现状方案相比，除常遇洪水和1 000 a 一遇洪水外，村台改造后其他重现期洪水的居民地淹没面积都显著减小，且随着淹没水深增大，2 种方案下居民地淹没面积差别逐渐减小。 淹没水深小于1.0 m 时，与村台现状方案相比，村台改造方案下1 000 a 一遇洪水的居民地淹没面积较大；淹没水深大于1.0 m 时，村台改造后居民地淹没面积显著减小。 分析图8（b）可知，与村台现状方案相比，村台改造方案下常遇洪水的居民地累计淹没面积略微减小，其他重现期洪水的居民地累计淹没面积显著减小，说明村台改造起到了降低居民地淹没面积的作用。

分析图9（a）可知，2 种方案下所有重现期洪水的非居民地淹没面积都随着淹没水深的增加先增大后减小，随着淹没水深增大，除常遇洪水外，村台改造方案下其他重现期洪水的非居民地淹没面积都逐渐超过村台现状方案下的淹没面积。 分析图9（b）可知，除常遇洪水外，随着淹没水深增大，村台改造后其他重现期洪水的非居民地累计淹没面积也逐渐超过村台现状方案下的累计淹没面积。

4 结 论

利用Delft3D 软件建立黄河下游花园口—艾山河段滩区的二维水沙数学模型，对村台现状方案和村台改造方案下各断面的洪水演进进行了模拟计算，从滩区、居民地和非居民地3 个方面对比分析了2 种方案下不同重现期洪水的淹没面积和淹没水深变化，得出以下结论。

（1）随着洪水量级增大，洪水漫滩范围逐渐从高村—孙口河段向上下游扩展，洪水淹没水深增大的区域主要呈现连续分布，水深减小和不变的区域主要呈现零星分布。

（2）村台改造能够有效降低滩区和居民地的淹没面积，起到保护居民地的作用，村台改造后将滞洪压力更多转移到了非居民地。

（3）2 种方案下所有重现期洪水的淹没面积都随着淹没水深的增加先增大后减小。 与村台现状方案相比，村台改造后各重现期洪水的滩区淹没水深较小时所对应的淹没面积减小，淹没水深较大时所对应的淹没面积略微增大，对于非居民地，这种变化更加显著。村台改造后各重现期洪水的居民地累计淹没面积都减小，同样说明村台改造起到了降低居民地淹没面积的作用。