王明 董會麗 畢桂真 張防修

摘要：采用平面二維水沙數(shù)學(xué)模型，針對現(xiàn)狀、“兩灘一區(qū)”和防護(hù)堤3種河道邊界條件，分別對6個量級典型洪水進(jìn)行了模擬計算，分析不同邊界對洪水位、淹沒范圍和災(zāi)情損失的影響。結(jié)果表明：現(xiàn)狀方案有利于灘區(qū)參與河道行洪滯洪，但生產(chǎn)堤拆除阻力非常巨大;防護(hù)堤方案淹沒面積和人口明顯減少，對灘區(qū)未來發(fā)展將起到全面支撐作用，但建設(shè)周期較長、難度較大;“兩灘一區(qū)”方案能夠適當(dāng)減小淹沒面積和人口，且基本維持現(xiàn)狀防洪格局不變，工程量較小，地方建設(shè)的積極性高，建議作為近期試點方案盡快推進(jìn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)學(xué)模型;“兩灘一區(qū)”方案;防護(hù)堤方案;現(xiàn)狀方案;典型洪水;灘區(qū);黃河下游

中圖分類號：TV62;TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j .issn. 1000 - 13 79.2019.02.008

1 研究背景

黃河下游灘區(qū)既是黃河行洪、滯洪和沉沙的重要區(qū)域，也是189.5萬群眾賴以生存的家園。1946年人民治黃以來，黃河下游治理按照“寬河固堤”的格局進(jìn)行了大規(guī)模治理，保障了黃河下游防洪安全和社會穩(wěn)定發(fā)展。近年來，隨著全面建成小康社會進(jìn)入決勝階段，灘區(qū)脫貧致富及經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需求不斷提高，以及近期黃河來水來沙顯著減少和水沙調(diào)控能力增強，灘區(qū)治理方向問題引起了社會各界的廣泛關(guān)注和討論，很多學(xué)者提出了不同的治河方略。

2002年，李文學(xué)等[1]提出沿現(xiàn)有控導(dǎo)工程連線建設(shè)二級堤防，確保發(fā)生中常洪水時的防洪安全，大堤確保發(fā)生超萬流量（洪峰流量超過10 000 m3/s）大洪水時的防洪安全，從而實現(xiàn)“寬河固堤”和“束水攻沙”治河理念的有機結(jié)合：2016年，劉燕等[2]對黃河下游防護(hù)堤方案開展了模型試驗研究，建議高村以上河段采取高標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)堤模式，高村以下采用寬灘區(qū)無防護(hù)堤模式：2016年，張紅武等[3]提出“兩道防線”治理方案，第一道防線就是沿控導(dǎo)工程連線形成的防護(hù)堤，并在防護(hù)堤上預(yù)留分洪和退水口門，通過計算分析，認(rèn)為“兩道防線”治理方案對下游減淤減災(zāi)效果顯著：2017年，張金良[4]提出結(jié)合黃河下游河道地形條件及水沙特性，充分考慮地方區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃，對灘區(qū)進(jìn)行功能劃分，分為居民安置區(qū)、高效農(nóng)業(yè)區(qū)以及資源開發(fā)利用區(qū)等，利用泥沙放淤、挖河疏浚等手段，對高灘、二灘、嫩灘設(shè)定不同的洪水上灘設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，分別進(jìn)行改造?？梢?，關(guān)注黃河下游防護(hù)堤方案的研究者較多，但是對工程實施的可行性考慮較少。本文通過考慮工程實施的可行性，將部分灘區(qū)建設(shè)防護(hù)的“兩灘一區(qū)”方案作為近期建設(shè)方案，將對艾山以上灘區(qū)全面防護(hù)的防護(hù)堤方案作為遠(yuǎn)期建設(shè)方案，以小浪底一利津河段作為模擬河段，采用平面二維水沙數(shù)學(xué)模型開展“兩灘一區(qū)”方案和防護(hù)堤方案對典型洪水及防洪影響的研究。

2 模擬河段平面二維水沙數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程

模擬河段平面二維水少數(shù)學(xué)模型由黃河水利科學(xué)研究院開發(fā)，并于2012年通過黃委模型測試，被認(rèn)定為應(yīng)用級模型。模型采用的淺水控制方程包括連續(xù)性方程和動量方程，其形式為

2.2 計算范圍及網(wǎng)格

計算河段為小浪底一利津河段，主槽采用四邊形網(wǎng)格，在橫向?qū)W(wǎng)格進(jìn)行加密，最大邊長不超過50 m，以保證能夠反映斷面的真實形態(tài)：灘地采用三角形網(wǎng)格，在地形變化梯度較大處進(jìn)行加密，最大網(wǎng)格邊長不超過500 m，網(wǎng)格單元總數(shù)為21萬個。

3 計算結(jié)果分析

3.1 模擬洪水與邊界條件

以2012年河道地形為基礎(chǔ)條件，生成現(xiàn)狀、“兩灘一區(qū)”（指溫孟灘、長平灘、封丘倒灌區(qū)）和防護(hù)堤3種河道邊界條件（見表1），分別進(jìn)行非恒定洪水模擬計算，共包括6個流量級洪水過程，分別為6 000 m3/s、5 a一遇（8 000 m/s）、10 a一遇（10 000 m/s）、20 a一遇（12 200 m/s）、100 a一遇（14 800 m/s）和近1000 a一遇（22 000 m/s）。

3.2 洪水位影響分析

2002年開始，黃河下游進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化堤防建設(shè)，目前堤防的設(shè)防流量為花園口站洪峰流量22 000 m/s?，F(xiàn)狀方案和“兩灘一區(qū)”方案在下游河道內(nèi)不新修工程或新修工程量很小，因此對下游河道目前的防洪格局影響不大。

與現(xiàn)狀河道格局相比，防護(hù)堤建設(shè)后，10 a一遇洪水控制在防護(hù)堤以內(nèi)，由于過洪寬度減小，因此各水文站水位有所抬升，抬升范圍為0.07～ 0.90 m，其中：孫口站洪水位抬升最大，艾山站洪水位變化較小（原因是該河段防護(hù)堤寬度與現(xiàn)有堤防寬度差別很?。?見圖1。

設(shè)防流量洪水（花園口站流量22 000 m/s）漫過防護(hù)堤后全河道行洪，防護(hù)堤有一定阻水作用，各水文站水位抬升值為0.07～ 0.87 m，其中孫口站洪水位抬升最大，見圖2。

3.3 淹沒范圍分析

現(xiàn)狀地形條件下，分別計算了花園口站6個流量級下的典型洪水情況。總體上看，花園口站流量為6 000 m/s時所有灘區(qū)控制在生產(chǎn)堤以內(nèi)行洪：流量為10 000 m3/s時，溫孟灘、封丘倒灌區(qū)不上水，原陽灘72%的面積不上水，其他灘區(qū)進(jìn)水面積大，但水深大多在Im以下;流量為14 800 m/s（100 a 一遇）時，溫孟灘不進(jìn)水;流量為22 000 m/s（1 000 a 一遇）時，絕大多數(shù)灘區(qū)進(jìn)水。各級洪水灘區(qū)淹沒情況見表2。

（1）流量為6 000 m’/s的洪水全部控制在生產(chǎn)堤以內(nèi)。

（2）流量為8 000 m/s（5 a-遇）的洪水主要漫小灘。白鶴一京廣鐵路橋間溫孟灘不上水;京廣鐵路橋一東壩頭灘區(qū)基本不上水：東壩頭以下蘭考東明灘區(qū)、長垣灘、習(xí)城灘等大灘（面積大于30 km）僅部分上水且水深多在1m以下，其他小灘全部進(jìn)水，封丘倒灌區(qū)不進(jìn)水。

（3）流量為10 000 m/s（10 a一遇）的洪水淹沒面積大、水深小。白鶴一京廣鐵路橋溫孟灘不上水;京廣鐵路橋一東壩頭原陽灘面積的28%進(jìn)水，中牟灘、開封灘等大灘均進(jìn)水，但水深大多在1m以下：東壩頭以下蘭考東明灘、長垣灘、習(xí)城灘均進(jìn)水，水深也多在1m以下，其他灘區(qū)全面進(jìn)水且水深多在1m以上，封丘倒灌區(qū)不進(jìn)水。

（4）流量為12 200m/s（約20 a一遇）的洪水漫灘面積和水深都變大。白鶴一京廣鐵路橋間溫孟灘不上水：京廣鐵路橋一東壩頭原陽灘約600/0的面積進(jìn)水，中牟灘、開封灘等大灘進(jìn)水面積和水深都比10 000 m/s流量條件下略有增大：東壩頭以下蘭考東明灘、長垣灘、習(xí)城灘淹沒面積變化不大，但大部分灘區(qū)水深超過1 m.其他灘區(qū)水深繼續(xù)增大，封丘倒灌區(qū)99.6%的面積不進(jìn)水。

（5）流量為14 800 m/s（約100 a 一遇）的洪水僅溫孟灘能幸免。白鶴一京廣鐵路橋間溫孟灘不上水;京廣鐵路橋一東壩頭原陽灘的幸福渠堤與大堤合圍區(qū)（占該灘區(qū)面積的40%）不進(jìn)水，其他灘區(qū)進(jìn)水水深大部分超過1 m，東壩頭以下灘區(qū)絕大多數(shù)淹沒且水深超過2m，封丘倒灌區(qū)90.6%的面積不進(jìn)水。

（6）流量為22 000 m/s（1000 a一遇）的洪水灘區(qū)被淹。白鶴一京廣鐵路橋溫縣灘45 %的區(qū)域進(jìn)水;京廣鐵路橋一東壩頭全部灘區(qū)進(jìn)水且水深大部分超過l m;東壩頭以下灘區(qū)絕大多數(shù)淹沒且水深超過3m.封丘倒灌區(qū)64.9%的區(qū)域不進(jìn)水。

綜合各級洪水淹沒情況分析認(rèn)為，白鶴一京廣鐵路橋河段的溫孟灘，遇花園口100 a一遇以下洪水都不會被淹沒，主要原因是現(xiàn)狀下游超萬大洪水主要來源于支流伊洛河和沁河，溫孟灘位于兩支流人黃口以上。東壩頭以下河段的封丘倒灌區(qū)遇20 a一遇以下洪水時99.6%的區(qū)域不會被淹沒，主要原因是受貫孟堤防護(hù)。艾山以下灘區(qū)遇5a一遇洪水時絕大多數(shù)進(jìn)水。

3.4 洪災(zāi)風(fēng)險及經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展影響分析

3.4.1 現(xiàn)狀方案花園口一艾山河段灘區(qū)小洪水淹沒

損失嚴(yán)重

按照現(xiàn)有水庫防洪調(diào)度預(yù)案，僅對花園口站流量超過8 000 m/s以上的洪水進(jìn)行防洪調(diào)度。圖3和圖4分別為花園口一艾山段不同流量級洪水淹沒面積和受災(zāi)人口情況，可知在無防護(hù)條件下，花園口流量為6 000 m/s時灘區(qū)有386 km土地被淹沒，受災(zāi)人口28萬。隨著洪水量級增大，灘區(qū)受災(zāi)面積和人口都逐步增大：流量為10 000 m/S時有913 km2土地被淹沒，受災(zāi)人口65.3萬：流量為14 800 m/S時有1 077.4km土地被淹沒，受災(zāi)人口79.7萬。流量超過10 000m3/s后，受災(zāi)面積和人口隨流量的加大而增大的幅度明顯減小，主要是花園口一夾河灘、夾河灘一高村河段緩慢增大，高村以下不再增大。

3.4.2 灘區(qū)適度標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)方案比現(xiàn)狀方案洪災(zāi)損失

不同程度減小

由圖5、圖6可知.洪峰流量在10 000m/s以下的洪水，灘區(qū)采取適度標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)時各方案灘區(qū)淹沒損失明顯減小。洪峰流量分別為6 000、8 000、10 000m3/s時，“兩灘一區(qū)”方案灘區(qū)淹沒面積分別減小374.6、209.2、53.8 km，淹沒人口分別減小27.4萬、16.0萬、0.7萬;防護(hù)堤方案中淹沒僅發(fā)生在防護(hù)堤內(nèi)。

當(dāng)花園口洪峰流量超過10 000 m/s時，各方案灘區(qū)受災(zāi)面積和人口數(shù)量都較大，“兩灘一區(qū)”方案與現(xiàn)狀方案差異很小，防護(hù)堤方案在洪峰流量為14 800m3/s時淹沒面積仍然比現(xiàn)狀方案小457 km2.淹沒人口比現(xiàn)狀方案少近30萬。防護(hù)堤方案減少漫灘淹沒損失的效果較為明顯。

4 結(jié)論

（1）現(xiàn)狀方案。計算表明，灘區(qū)安全建設(shè)達(dá)標(biāo)后，通過逐步廢除生產(chǎn)堤，有利于灘區(qū)參與河道行洪滯洪。然而，由于無明確的防洪標(biāo)準(zhǔn)，因此灘區(qū)土地資源利用和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展將嚴(yán)重受限。生產(chǎn)堤的發(fā)展歷史也證明拆除生產(chǎn)堤的阻力非常巨大。

（2）防護(hù)堤方案。與現(xiàn)狀方案相比，該方案淹沒面積和人口明顯減少，下游設(shè)防流量洪水位抬高0.07～ 0.87 m。防護(hù)堤總長586.57 km，雖然建設(shè)周期較長、難度較大，但是對灘區(qū)未來發(fā)展將起到全面支撐作用。

（3）“兩灘一區(qū)”方案保留現(xiàn)狀生產(chǎn)堤，淹沒面積和人口能夠適當(dāng)減少，且基本維持現(xiàn)狀防洪格局。在加高加固已有工程基礎(chǔ)上，新修工程長度30 km左右，地方建設(shè)積極性高，建議作為近期試點方案盡快推進(jìn)。

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