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        黃河下游灘區(qū)洪水淹沒的進(jìn)出水演進(jìn)分析方法

        2023-02-21 06:46:24李溪智李振山
        人民黃河 2023年2期
        關(guān)鍵詞:長垣灘區(qū)集中度

        李溪智,鐘 寰,李振山,韓 鵬

        (北京大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 水沙科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100871)

        1 引 言

        黃河下游灘區(qū)指黃河主河槽與防汛大堤之間的區(qū)域,不僅是汛期行洪、滯洪和沉沙的重要區(qū)域,還是100多萬灘區(qū)居民賴以生存的空間[1]。黃河下游灘區(qū)作為暖溫帶河流濕地,是黑鶴、大鴇等國家一級保護(hù)動物和亞洲候鳥遷徙路線中重要的棲息地,在全球生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)重要地位。因此,灘區(qū)洪水演進(jìn)特征的變化會對居民的生命財(cái)產(chǎn)安全、黃河下游的生態(tài)環(huán)境健康產(chǎn)生長遠(yuǎn)影響。

        在以往灘區(qū)洪水淹沒研究中,研究者通過建立水動力學(xué)模型或物理模型模擬典型洪水條件下灘區(qū)洪水淹沒過程,以淹沒水深、淹沒時(shí)長、淹沒面積等指標(biāo)為基礎(chǔ)形成灘區(qū)洪水漫灘風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系[2-4],通過遙感觀測得到實(shí)際洪水演進(jìn)情況[5],用于對水動力學(xué)模型進(jìn)行校準(zhǔn)與檢驗(yàn)[6-7]。然而,上述研究對灘區(qū)洪水演進(jìn)的描述方法與河道洪水演進(jìn)的描述方法大體相同,不利于深入探討灘區(qū)自身性質(zhì)對洪水演進(jìn)的響應(yīng)方式。具體表現(xiàn)在河槽具有穩(wěn)定的邊界,在未發(fā)生漫灘和擺動的情況下,洪水作為連續(xù)體受到河槽邊界的約束,運(yùn)動方向并未發(fā)生大范圍的變化,而進(jìn)入灘區(qū)的洪水缺少連續(xù)邊界,常呈現(xiàn)漫流狀態(tài),不同灘區(qū)的淹沒情況表現(xiàn)出較大差異,因此洪水淹沒情況差異既受灘區(qū)下墊面性質(zhì)的影響,也與各灘區(qū)的空間位置有關(guān)。

        為準(zhǔn)確表達(dá)灘區(qū)洪水演進(jìn)獨(dú)有的特征,本文采用Delft3D模型模擬洪水漫灘過程,構(gòu)建一種全面表達(dá)洪水演進(jìn)期間進(jìn)出水量、方向信息的方法,通過集中度、一致性和轉(zhuǎn)向角3個(gè)特征值分析不同洪水演進(jìn)方式在灘區(qū)內(nèi)的分布情況,以期為未來探究灘區(qū)洪水演進(jìn)規(guī)律提供借鑒。

        2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

        2.1 研究區(qū)域

        為分析灘區(qū)洪水演進(jìn)方式,選擇位于夾河灘—高村段的長垣一灘及封丘倒灌區(qū)部分區(qū)域(以下統(tǒng)一簡稱為長垣一灘)作為研究區(qū)域。長垣一灘位于黃河下游灘槽水沙交換的典型河段[8-9],隸屬于河南省長垣市,與封丘倒灌區(qū)相連,是黃河下游重要的滯洪區(qū)[10]。相對于其他灘區(qū),長垣一灘及封丘地帶經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá),存在大量的建設(shè)用地,發(fā)生洪水漫灘后與其他灘區(qū)基本不發(fā)生水量交換,有利于分析洪水在漫灘過程中的變化情況。

        為充分保證灘區(qū)洪水模擬的準(zhǔn)確性,選擇在更大的空間尺度內(nèi)進(jìn)行模擬,為洪水淹沒的進(jìn)出水分析提供數(shù)據(jù)?;▓@口—艾山段是發(fā)生洪水漫灘的重要區(qū)域,該河段水文站建立較早,數(shù)據(jù)較完備,兩岸堤距較寬,因此選擇黃河下游花園口—艾山段作為模擬區(qū)域,區(qū)域示意見圖1(圖中左上方圖片為長垣一灘地形放大圖)。

        圖1 花園口—艾山段區(qū)域示意

        2.2 數(shù)據(jù)來源

        (1)在洪水水量較小的情況下,洪水漫灘覆蓋區(qū)域有限,不能完全反映灘區(qū)洪水演進(jìn)的特征,因此在《中華人民共和國水文年鑒》(黃河流域水文資料)中選取1958年花園口斷面實(shí)測水文數(shù)據(jù)作為模擬的水文條件,該年水文條件為近100 a有詳細(xì)記載以來發(fā)生的最大洪水,洪水漫灘覆蓋灘區(qū)的大部分區(qū)域,洪水歷時(shí)為14 d,洪峰流量為22 300 m3/s,平均流量為7 413.24 m3/s,最高含沙量為146.00 kg/m3,平均含沙量為73.76 kg/m3,總來水量為89.72億m3,總來沙量為6.62億t。

        (2)灘區(qū)地形數(shù)據(jù)與主河槽水下地形數(shù)據(jù)源自黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司對黃河下游花園口—艾山河段2013年汛前的勘測成果,此數(shù)據(jù)以高程點(diǎn)的形式存儲,部分水下地形數(shù)據(jù)為實(shí)測地形插值數(shù)據(jù)。

        (3)土地利用類型數(shù)據(jù)根據(jù)2015—2017年Google Earth平臺高分辨率衛(wèi)星遙感影像,采取人工目視解譯方法得到,參照有關(guān)手冊[11]、已有文獻(xiàn)[12-14]以及《中華人民共和國水文年鑒》(黃河流域水文資料)“洪水水文要素摘錄表”中主槽實(shí)測糙率系數(shù)對不同土地利用類型的糙率進(jìn)行設(shè)置,水體、嫩灘、林地/果園、耕地/農(nóng)業(yè)用地、建設(shè)用地的糙率系數(shù)分別為0.010、0.025、0.050、0.030、0.060。由于險(xiǎn)工與控導(dǎo)工程表面在部分情境下也會存在過水現(xiàn)象,因此將其作為土地利用類型之一,糙率系數(shù)設(shè)置為0.045。

        3 研究方法

        洪水演進(jìn)是指洪水波沿河道(或分洪區(qū)、滯洪區(qū))傳播演變的過程。通過研究分洪區(qū)、滯洪區(qū)洪水演進(jìn)可以得到洪水的淹沒時(shí)長、淹沒水深以及遷移方向等信息,為分洪區(qū)、滯洪區(qū)的管理與應(yīng)用提供依據(jù)。

        3.1 洪水演進(jìn)雙線圖的繪制方法

        采用荷蘭代爾夫特理工大學(xué)與Deltares研究所開發(fā)的Delft3D二維洪水演進(jìn)模型將黃河下游灘區(qū)(花園口—艾山段)劃分為100 m×100 m的網(wǎng)格進(jìn)行洪水模擬,通過計(jì)算花園口、夾河灘、高村、孫口、艾山5個(gè)斷面的水位、流量和含沙量相應(yīng)的納什效率系數(shù)(NSE)、平均絕對誤差(MAE)、平均相對誤差(MRE)定量反映模擬精度。模型精度評價(jià)結(jié)果見表1,水位平均絕對誤差基本在0.2 m以內(nèi),流量平均相對誤差大都在10%以內(nèi),含沙量平均相對誤差較大,但其納什效率系數(shù)較大,除艾山斷面以外,其他斷面含沙量的納什效率系數(shù)均大于0.9,且誤差主要存在于孫口斷面以下,對本次研究影響不大。以上結(jié)果說明模型模擬序列與實(shí)測序列吻合較好。

        表1 模型精度評價(jià)結(jié)果

        以沿河道向下游方向?yàn)槠瘘c(diǎn)設(shè)置n個(gè)斷面,以獲取研究區(qū)域不同斷面的進(jìn)出水流量曲線,沿順時(shí)針方向分別為斷面1、斷面2、…、斷面n,所有斷面形成閉合區(qū)域。對n個(gè)斷面的流量序列(Q1,Q2,…,Qn)進(jìn)行修正,正值代表進(jìn)水,負(fù)值代表出水。根據(jù)數(shù)值的正負(fù)對不同方向的進(jìn)出水分流,分別得到n個(gè)斷面進(jìn)水流量序列(Qi1n,…,Qiin,…,Qinn),出水流量(取絕對值)序列(Qo1ut,…,Qoiut,…,Qonut)。本文在研究區(qū)域內(nèi)設(shè)置了4個(gè)斷面,見圖2(x軸正方向?yàn)檠睾拥老蛳掠畏较颍瑈軸正方向?yàn)榇怪焙拥老蜃蟀斗较颍?/p>

        圖2 斷面設(shè)置示意

        分別對沿河道方向和垂直河道方向的進(jìn)水流量序列和出水流量序列進(jìn)行合并:

        結(jié)合兩組進(jìn)出水?dāng)?shù)據(jù)和洪水發(fā)生時(shí)間數(shù)據(jù)可繪制洪水演進(jìn)雙線圖,把洪水演進(jìn)雙線圖z軸定義為時(shí)間軸,代表一場洪水過程,x軸和y軸設(shè)置同上文所述。洪水演進(jìn)雙線圖的進(jìn)水線和出水線的方向和數(shù)值大小隨時(shí)間軸發(fā)生變動,能夠完整地呈現(xiàn)洪水水量和方向信息,該方法適用于不同形狀和面積的研究區(qū)域。對于長垣一灘而言,其范圍較大且形狀不規(guī)則,可以通過分解區(qū)域邊界得到若干個(gè)進(jìn)出水?dāng)嗝?,對這些斷面的流量進(jìn)行矢量合并,得到長垣一灘的洪水演進(jìn)雙線圖。

        3.2 洪水演進(jìn)特征值的定義

        為全面分析不同洪水演進(jìn)方式在灘區(qū)內(nèi)的分布情況,從洪水演進(jìn)方向的角度提出集中度、轉(zhuǎn)向角、一致性3個(gè)特征值。記研究區(qū)域內(nèi)第i個(gè)斷面的累計(jì)進(jìn)水量為sini、累計(jì)出水量為souti,區(qū)域累計(jì)進(jìn)水量為Sin、累計(jì)出水量為Sout。

        (1)集中度g。單一進(jìn)水或出水過程存在一個(gè)累計(jì)進(jìn)水量或出水量最大的方向,該方向累計(jì)進(jìn)水量或出水量占區(qū)域累計(jì)進(jìn)水量或出水量的比例分別為進(jìn)水集中度(gin)和出水集中度(gout),gin越大洪水來源越集中;gout越大洪水去向越集中。集中度計(jì)算公式為

        (2)轉(zhuǎn)向角θ。轉(zhuǎn)向角是指累計(jì)進(jìn)水量最大方向與累計(jì)出水量最大方向之間小于180°的夾角。θ值越大,說明區(qū)域內(nèi)洪水演進(jìn)方向的變化幅度越大。θ=0°時(shí)洪水沿進(jìn)水方向在區(qū)域內(nèi)流動,θ=180°時(shí)洪水沿進(jìn)水方向的反方向從區(qū)域內(nèi)流出。轉(zhuǎn)向角計(jì)算公式為

        (3)一致性u。為描述進(jìn)水方向和出水方向是否存在重合,采用每個(gè)方向進(jìn)水量占區(qū)域總進(jìn)水量的比例與出水量占區(qū)域總出水量的比例之差的平方和進(jìn)行評價(jià)。u越大進(jìn)水和出水分布的差異程度越高,即進(jìn)水方向和出水方向重合度較??;u越小差異程度越小,即進(jìn)水方向和出水方向存在交叉。u=0時(shí)表示區(qū)域各斷面進(jìn)水量等于出水量,灘區(qū)洪水從各斷面退水;u=2時(shí)表示只有一個(gè)進(jìn)水方向與一個(gè)出水方向且二者不重合,洪水沿著固定方向流經(jīng)灘區(qū)。一致性計(jì)算公式為

        4 結(jié)果與分析

        4.1 灘區(qū)洪水演進(jìn)雙線圖描述

        長垣一灘洪水演進(jìn)雙線圖見圖3,進(jìn)水線和出水線(統(tǒng)稱雙線)的起止時(shí)間代表該區(qū)域洪水進(jìn)出的時(shí)間,用于評估該區(qū)域遭受的洪水淹沒時(shí)長;雙線與時(shí)間軸圍成的面積代表該區(qū)域在整個(gè)洪水期間的進(jìn)出水量,一定程度上反映洪水淹沒水深;雙線所在象限代表進(jìn)出水方向,反映區(qū)域內(nèi)洪水與區(qū)域外洪水的交換關(guān)系,從而明確目標(biāo)區(qū)域不同時(shí)刻的洪水風(fēng)險(xiǎn)來源。由圖3可知,長垣一灘的洪水演進(jìn)過程分為3個(gè)階段:第一階段(0~100 h)進(jìn)水量不斷增加,進(jìn)水速度不斷加快;第二階段(100~200 h)進(jìn)水速度達(dá)到峰值后開始回落;第三階段(200~337 h)進(jìn)出水逐漸趨于穩(wěn)定。

        圖3 長垣一灘洪水演進(jìn)雙線圖

        針對長垣一灘中不同位置,按照洪水進(jìn)出水量和方向變化將洪水演進(jìn)雙線圖分為穩(wěn)定對稱型、旋轉(zhuǎn)對稱型、振蕩對稱型、非對稱型4種類型(見圖 4)。

        圖4 長垣一灘洪水演進(jìn)雙線圖類型

        為更加準(zhǔn)確地把握灘區(qū)洪水演進(jìn)特征,繪制長垣一灘洪水進(jìn)出水量特征線(見圖 5),將該區(qū)域分為完全行洪區(qū)、趨穩(wěn)型蓄洪區(qū)、增長型蓄洪區(qū)、峰值型蓄洪區(qū)。其中:完全行洪區(qū)進(jìn)水速度與出水速度基本一致,蓄水量基本不發(fā)生變化;趨穩(wěn)型蓄洪區(qū)具有一定的滯洪能力,洪水進(jìn)入該區(qū)域后進(jìn)水速度大于出水速度,蓄水量不斷增加并逐漸趨于穩(wěn)定;增長型蓄洪區(qū)進(jìn)水速度始終大于出水速度,整個(gè)洪水期間蓄水量不斷增加;峰值型蓄洪區(qū)進(jìn)水速度始終大于出水速度,但在一定時(shí)間范圍內(nèi),區(qū)域內(nèi)蓄水量會達(dá)到峰值,隨后蓄洪能力下降,向趨穩(wěn)型蓄洪區(qū)轉(zhuǎn)化。

        圖5 長垣一灘洪水進(jìn)出水量特征線

        從進(jìn)水量和出水量來看,增長型蓄洪區(qū)的進(jìn)出水量最大,完全行洪區(qū)的進(jìn)出水量和趨穩(wěn)型蓄洪區(qū)的進(jìn)出水量處于相同數(shù)量級,峰值型蓄洪區(qū)的進(jìn)出水量最小。從淹沒時(shí)間來看,增長型蓄洪區(qū)淹沒較早(在50 h以前被淹沒),完全行洪區(qū)與趨穩(wěn)型蓄洪區(qū)的淹沒時(shí)間相差不大(在50~100 h內(nèi)被淹沒),峰值型蓄洪區(qū)淹沒最晚(在100 h以后被淹沒)。因此,淹沒較早和淹沒較晚的區(qū)域表現(xiàn)出各自較統(tǒng)一的特征,淹沒中期的區(qū)域因蓄洪能力的差異而表現(xiàn)出不同特征。以上結(jié)果表明,灘區(qū)內(nèi)不同區(qū)域進(jìn)出水量大小受淹沒時(shí)間的影響,在相同的淹沒時(shí)段內(nèi),進(jìn)出水量特征由區(qū)域自身情況決定,同時(shí)淹沒時(shí)間與各區(qū)域的空間位置緊密相關(guān),因此在研究灘區(qū)蓄滯洪應(yīng)用時(shí)應(yīng)充分考慮不同區(qū)域空間位置與其蓄水能力的影響。

        繪制長垣一灘洪水進(jìn)出水方向特征圖,見圖6(圖中:0°代表x軸正方向,各角度代表不同的進(jìn)出水方向;進(jìn)出水時(shí)間頻率為該方向進(jìn)出水時(shí)長占區(qū)域總進(jìn)出水時(shí)長的比例)。當(dāng)進(jìn)出水方向沒有交叉時(shí),表現(xiàn)為進(jìn)出水方向均固定(單穩(wěn)獨(dú)立型)、進(jìn)出水方向一者變化一者固定(單變獨(dú)立型)、進(jìn)出水方向均不固定(雙變獨(dú)立型)3種情況,這3種情況的洪水演進(jìn)方式較為單一,較易進(jìn)行洪水管理;當(dāng)進(jìn)出水方向存在交叉時(shí),洪水演進(jìn)方式不斷變化(雙變交叉型),不易通過改變洪水演進(jìn)方式來降低區(qū)域內(nèi)洪水風(fēng)險(xiǎn)。

        圖6 長垣一灘洪水進(jìn)出水方向特征圖

        4.2 洪水演進(jìn)特征值分布與變化

        集中度與一致性分布統(tǒng)計(jì)見圖7,由圖7(a)和圖7(b)可知,對于長垣一灘而言,進(jìn)水集中度小于0.4的區(qū)域出現(xiàn)頻率(無量綱)不足0.01;出水集中度小于0.4的區(qū)域出現(xiàn)頻率不足0.001;進(jìn)出水集中度在0.5~0.9范圍內(nèi)的區(qū)域出現(xiàn)頻率在0.07~0.14范圍內(nèi)波動;進(jìn)出水集中度在0.9~1.0范圍內(nèi)的區(qū)域出現(xiàn)頻率均高于0.6。整體來說,長垣一灘內(nèi)大部分區(qū)域有明確的進(jìn)出水方向,可以通過改變某些區(qū)域的洪水演進(jìn)方式來改變整個(gè)灘區(qū)的洪水風(fēng)險(xiǎn)分布。由圖7(c)可知,進(jìn)出水一致性以0.8為界呈現(xiàn)2種態(tài)勢,一致性在0.0~0.8范圍內(nèi)的區(qū)域出現(xiàn)頻率隨一致性提高而大幅度減小,一致性在0.8~2.0范圍內(nèi)的區(qū)域出現(xiàn)頻率隨一致性提高而波動增大。

        圖7 集中度與一致性分布統(tǒng)計(jì)

        通過集中度和一致性的空間分布(見圖 8)可以了解長垣一灘不同位置洪水的演進(jìn)特征。結(jié)合圖1中灘區(qū)與河道的位置關(guān)系可以發(fā)現(xiàn),臨近河道區(qū)域的進(jìn)水集中度相對較小,出水集中度相對較大,這說明對于臨近河道區(qū)域,洪水發(fā)生大范圍漫灘前有一定的緩沖帶,洪水會在臨近河道區(qū)域首先聚集再向?yàn)﹨^(qū)大范圍演進(jìn),之后重復(fù)集中到分散的過程。灘區(qū)內(nèi)集中度范圍為0.2~0.4的區(qū)域分布位置相對固定,一般為未淹沒區(qū)域或淹沒區(qū)域邊緣;集中度范圍為0.4~0.8的區(qū)域整體呈環(huán)狀分布,說明灘區(qū)內(nèi)洪水集中度的變化是相對連續(xù)的,這可以為灘區(qū)內(nèi)單元的劃分與管理提供依據(jù)。此外,一致性低于0.8的區(qū)域一般為未淹沒區(qū)域或淹沒區(qū)域邊緣,由于淹沒區(qū)域邊緣地勢較高且來水不穩(wěn)定,因此常出現(xiàn)倒流現(xiàn)象,導(dǎo)致一致性較低??傮w來看,低一致性區(qū)域與低集中度區(qū)域有一定的重合,進(jìn)出水集中度越高的區(qū)域一致性越高。

        圖8 集中度與一致性的空間分布

        進(jìn)水集中度與出水集中度的關(guān)系見圖9(均值為所有出水集中度的算術(shù)平均值;25%~75%為出水集中度上四分位與下四分位之間的取值范圍;四分位距(IQR)為上四分位與下四分位的差值,通常以1.5倍IQR為標(biāo)準(zhǔn),超過上四分位+1.5倍IQR距離或下四分位-1.5倍IQR距離的點(diǎn)為異常值)。由圖9可知,進(jìn)水集中度與出水集中度整體成正相關(guān)關(guān)系,說明洪水進(jìn)入灘區(qū)后如果進(jìn)水方向集中,則出水方向同樣較為集中,灘區(qū)洪水存在水流通道。通過對灘區(qū)改造,提高進(jìn)水集中度和出水集中度,可引導(dǎo)水流更迅速、準(zhǔn)確地進(jìn)入指定區(qū)域,對于洪水管理與水資源的利用具有重要意義。然而,當(dāng)進(jìn)水集中度高于0.8時(shí)有較多的異常值出現(xiàn),說明整體上進(jìn)水集中度較高時(shí)出水集中度較高,但仍存在一些區(qū)域的出水集中度較低。結(jié)合大多數(shù)區(qū)間IQR和中位線的變化情況可以看出,長垣一灘內(nèi)存在大量洪水一進(jìn)多出或一出多進(jìn)的區(qū)域,這些洪水從集中到分散的改變節(jié)點(diǎn),同樣對于灘區(qū)的洪水管理具有重要意義。

        圖9 進(jìn)水集中度與出水集中度的關(guān)系

        集中度與一致性的關(guān)系見圖10,圖中存在兩個(gè)點(diǎn)密度較大的區(qū)域,集中度越高點(diǎn)密度越高。在一致性低于0.2的區(qū)域內(nèi),隨著集中度提高,進(jìn)出水一致性下降;在一致性高于0.8的區(qū)域內(nèi),隨著集中度提高,進(jìn)出水一致性提高。因此,一致性低、集中度高的區(qū)域,來水較集中且進(jìn)水和出水發(fā)生在一個(gè)斷面,多發(fā)生于淹沒區(qū)域邊緣,其防洪成本較低,可以嘗試控制水量,進(jìn)一步探究其是否存在被開發(fā)利用的可能;一致性高、集中度高的區(qū)域,進(jìn)出水方向較少且方向穩(wěn)定,是灘區(qū)洪水遷移的重要通道,充分利用該區(qū)域的行洪能力可以降低灘區(qū)的洪水風(fēng)險(xiǎn)。

        圖10 集中度與一致性的關(guān)系

        長垣一灘轉(zhuǎn)向角存在0°、90°、180°三種情況,轉(zhuǎn)向角為180°的區(qū)域占長垣一灘的15%,轉(zhuǎn)向角為90°的區(qū)域占長垣一灘的51%,轉(zhuǎn)向角為0°的區(qū)域占長垣一灘的34%,因此對于灘區(qū)大部分區(qū)域而言,洪水演進(jìn)方向不轉(zhuǎn)變或轉(zhuǎn)變90°,僅有部分區(qū)域轉(zhuǎn)變180°。轉(zhuǎn)向角對集中度的影響并不明顯,而轉(zhuǎn)向角與一致性具有一定關(guān)系,見圖11??梢钥闯?,轉(zhuǎn)向角為180°的區(qū)域一致性較低,主要進(jìn)水方向就是主要出水方向,洪水演進(jìn)遇到阻礙;轉(zhuǎn)向角為0°的區(qū)域一致性較高,洪水進(jìn)入灘區(qū)后演進(jìn)方向不發(fā)生改變,是灘區(qū)行洪的主要通道;轉(zhuǎn)向角為90°的區(qū)域,一致性在0.0~2.0范圍內(nèi)均有分布,沒有明確的分布特征,但值得注意的是,轉(zhuǎn)向角為90°的區(qū)域洪水方向發(fā)生明顯變化,當(dāng)該區(qū)域一致性較高時(shí),說明區(qū)域有固定的來水方向且水流被導(dǎo)向另一個(gè)固定方向。因此,可以選擇轉(zhuǎn)向角90°且一致性高的區(qū)域作為控制洪水演進(jìn)的關(guān)鍵位置,實(shí)現(xiàn)改變洪水流向的目的。

        圖11 轉(zhuǎn)向角與一致性的關(guān)系

        4.3 淹沒時(shí)間對洪水演進(jìn)方式的影響

        隨著淹沒時(shí)間推移,洪水演進(jìn)逐漸脫離河道的影響,表現(xiàn)出自身的特性。集中度、一致性與轉(zhuǎn)向角隨洪水歷時(shí)的變化見圖12、圖13,進(jìn)出水一致性的變化趨勢和180°轉(zhuǎn)向角頻率的變化趨勢基本一致,這說明進(jìn)出水一致性較低的原因是區(qū)域內(nèi)發(fā)生逆流現(xiàn)象,即洪水演進(jìn)遇到阻礙。對于長垣一灘而言,地形對洪水的阻礙作用發(fā)生在淹沒時(shí)間4 500 min前后及8 300 min前后,考慮到8 300 min時(shí)洪水已經(jīng)接近淹沒區(qū)域邊緣,因此沿洪水演進(jìn)4 500 min時(shí)的洪水邊界構(gòu)筑或加固防洪工程,可以有效減緩洪水向?yàn)﹨^(qū)漫延的速率,降低整個(gè)灘區(qū)的洪水風(fēng)險(xiǎn)。

        圖12 集中度、一致性隨洪水歷時(shí)的變化

        圖13 轉(zhuǎn)向角隨洪水歷時(shí)的變化

        根據(jù)進(jìn)出水一致性指標(biāo)的低點(diǎn)可以將長垣一灘整個(gè)洪水漫灘過程劃分為3個(gè)階段:前期(0~4 400 min)、中期(4 440~8 280 min)和后期(8 280 min~洪水結(jié)束)。前期特征為進(jìn)水集中度較低、出水集中度較高,洪水從河道向?yàn)﹨^(qū)漫延,同時(shí)受地形或堤壩的影響會在臨時(shí)蓄滯洪區(qū)蓄積,在該時(shí)期內(nèi)較易控制洪水漫灘。隨著進(jìn)水集中度上升和出水集中度下降,漫灘進(jìn)入中期,洪水開始在灘區(qū)內(nèi)沿著一定的軌跡漫延,洪水轉(zhuǎn)向角多為0°或90°,淹沒區(qū)域是灘區(qū)洪水遷移的主要通道。洪水漫灘后期,進(jìn)水集中度和出水集中度上升,一致性有一定波動但總體波動較小,原因是漫灘后期洪水不足以支撐淹沒范圍的擴(kuò)張,灘區(qū)只起臨時(shí)蓄滯洪水的作用,一段時(shí)間后洪水沿各個(gè)進(jìn)水方向退去。

        4.4 地形特征對洪水演進(jìn)的影響

        對長垣一灘地形的坡向頻率分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(見圖 14),其地形坡向以西北為主,這同長垣一灘洪水演進(jìn)的總方向一致,隨著漫灘洪水的增加,洪水逐漸向大堤和上游灘區(qū)遷移。依據(jù)高程將坡面分為上坡、中坡、下坡3個(gè)坡位,當(dāng)長垣一灘不同區(qū)域具備3個(gè)坡位時(shí),認(rèn)為坡面完整;當(dāng)區(qū)域只具備1~2個(gè)坡位時(shí),認(rèn)為坡面不完整。

        圖14 長垣一灘坡向頻率分布

        不同區(qū)域坡向個(gè)數(shù)對進(jìn)出水集中度和轉(zhuǎn)向角的影響不大,對一致性有一定影響,其影響情況見圖15。當(dāng)坡向個(gè)數(shù)較少時(shí),坡面完整度不影響進(jìn)出水一致性;當(dāng)坡向個(gè)數(shù)較多時(shí),坡面完整度對進(jìn)出水一致性有較大影響。因此,對于洪水演進(jìn)的控制應(yīng)分情況進(jìn)行:一是在洪水演進(jìn)通道區(qū)域應(yīng)減少坡向數(shù)量,提升對水流的導(dǎo)流作用;二是當(dāng)坡向數(shù)量較多時(shí)應(yīng)構(gòu)造更加完整的坡面,防止洪水向各個(gè)方向漫延。

        圖15 坡向個(gè)數(shù)與坡位個(gè)數(shù)對進(jìn)出水一致性的影響

        5 結(jié) 語

        洪水演進(jìn)雙線圖反映了長垣一灘的洪水進(jìn)出水過程,通過分析集中度、轉(zhuǎn)向角、一致性3個(gè)特征值的分布與變化情況得出不同洪水演進(jìn)方式在灘區(qū)內(nèi)的分布情況。

        (1)長垣一灘的進(jìn)水集中度與出水集中度有較好的正相關(guān)關(guān)系。灘區(qū)洪水演進(jìn)方向主要為90°轉(zhuǎn)變或不轉(zhuǎn)變,較少區(qū)域的洪水演進(jìn)方向會發(fā)生180°轉(zhuǎn)變。對于集中度高、一致性高的區(qū)域,應(yīng)充分考慮將其作為灘區(qū)行洪通道;對于一致性指標(biāo)低、集中度指標(biāo)高的區(qū)域,可以考慮將其作為滯洪區(qū)。

        (2)長垣一灘洪水發(fā)生前期進(jìn)水集中度較低、出水集中度較高,洪水呈匯聚態(tài);洪水演進(jìn)中期進(jìn)出水集中度先上升后下降,洪水在灘區(qū)內(nèi)沿著一定軌跡漫延;洪水漫灘后期進(jìn)出水集中度上升,洪水不足以支撐淹沒范圍的擴(kuò)張。此外,當(dāng)坡向個(gè)數(shù)較少時(shí),坡面完整度不影響進(jìn)出水一致性;當(dāng)坡向個(gè)數(shù)較多時(shí),坡面完整度對進(jìn)出水一致性影響較大。

        (3)在實(shí)際工程應(yīng)用中,集中度和一致性較高的區(qū)域,演進(jìn)方式調(diào)整有較強(qiáng)的可操作性。就長垣一灘而言,應(yīng)統(tǒng)一規(guī)劃洪水演進(jìn)中期覆蓋區(qū)域的工程建設(shè),避免雜亂的工程布置影響洪水防控的總體效果。

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