張鳳華，崔秋利，陳利軍

（1.河南省水利勘測設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州450016；2.河南中天招標(biāo)代理有限公司，河南鄭州450003）

洪水風(fēng)險(xiǎn)圖是直觀表現(xiàn)洪水風(fēng)險(xiǎn)信息空間分布和洪水管理信息地圖的總稱,是建立洪水風(fēng)險(xiǎn)管理制度、開展洪水風(fēng)險(xiǎn)管理的基礎(chǔ)和依據(jù)［1］。洪水風(fēng)險(xiǎn)圖作為重要的非工程防洪措施,可直觀地顯示區(qū)域內(nèi)的淹沒水深、洪水到達(dá)時(shí)間、淹沒歷時(shí)等信息［2］,已經(jīng)成為近年來防災(zāi)減災(zāi)管理的重要依據(jù),是由“控制洪水”向“管理洪水”觀念轉(zhuǎn)變的具體體現(xiàn)［3］。

渭河洪水主要來源于涇河、咸陽以上干流和南山支流,而渭河下游是黃河中游多泥沙河流的匯聚地,也是三門峽建庫以來受水庫泥沙淤積影響最為嚴(yán)重的地區(qū)［4］,受河床抬高、河槽萎縮以及防洪工程建設(shè)不完善等多因素影響,該區(qū)域洪澇災(zāi)害易發(fā)。

筆者基于MIKE軟件建立一維、二維耦合模型,分析研究渭河下游兩岸保護(hù)區(qū)各潰口在相應(yīng)頻率和洪水條件下的洪水演進(jìn)過程、淹沒范圍等,并基于社會(huì)經(jīng)濟(jì)基本資料統(tǒng)計(jì)分析相應(yīng)損失,為渭河下游防洪體系的不斷完善提供參考。

1 研究區(qū)域概況

1.1 地理位置

渭河下游南、北兩岸保護(hù)區(qū)是自渭河西寶高速橋至渭河入黃口南、北兩岸堤防的保護(hù)區(qū),面積1 600 km2,其范圍介于東經(jīng) 108°40′21″—110°19′54″、北緯34°17′31″—34°36′4″。 其中：渭河下游北岸保護(hù)區(qū)包括咸陽市秦都區(qū)、渭城區(qū),西安市高陵區(qū)、臨潼區(qū),渭南市臨渭區(qū)、大荔縣等縣（區(qū))；渭河下游南岸保護(hù)區(qū)包括咸陽市秦都區(qū),西安市未央?yún)^(qū)、灞橋區(qū)、臨潼區(qū),渭南市臨渭區(qū)、華縣、華陰市、潼關(guān)縣等縣（市、區(qū))。保護(hù)區(qū)范圍見圖1。

1.2 社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況

渭河下游南北兩岸防洪保護(hù)區(qū)涉及西安市、咸陽市和渭南市3個(gè)市的12個(gè)縣（市、區(qū))69個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。保護(hù)面積1 600 km2,保護(hù)人口110.56萬人,保護(hù)區(qū)2013年GDP為1 393.40億元。

圖1 渭河下游南北岸防洪保護(hù)區(qū)范圍示意

1.3 歷史洪水災(zāi)害情況

渭河下游洪水主要來源于涇河、洛河、渭河干流咸陽以上和南山支流。洪水有暴漲暴落、洪峰高、含沙量大的特點(diǎn)［5-6］。 渭河下游曾于 1898年、1911年、1933年、1954年、1968年、1981年、1992年、2000年、2003年發(fā)生多次嚴(yán)重洪水災(zāi)害,給兩岸人民生命財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重威脅,嚴(yán)重制約了該區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。其中：1968年9月10日2時(shí),華縣畢家堤段發(fā)生決口,口門寬約100 m,畢家防護(hù)區(qū)4個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn))的十幾個(gè)村莊、0.37萬hm2耕地被淹,倒塌房屋1.1萬間,1.64萬人受災(zāi)；1981年8月23日華縣站洪峰流量為5 380 m3/s,洪水過程中臨潼南屯堤段決口,淹沒耕地0.11萬 hm2［7］；“2003·8”洪水是渭河下游有實(shí)測資料以來災(zāi)害最為嚴(yán)重的一場洪水,給渭河下游咸陽、西安、渭南三市12個(gè)縣（市、區(qū))造成嚴(yán)重?fù)p失,受災(zāi)人口達(dá)56.25萬人,累計(jì)遷移人口29.22萬人,總受災(zāi)面積達(dá)91 866.67 hm2,經(jīng)濟(jì)損失29億元。

1.4 區(qū)域防洪工程及防洪調(diào)度情況

渭河干流堤防工程多修建于20世紀(jì)60年代以后,在修建堤防的基礎(chǔ)上多次加培而成,堤防標(biāo)準(zhǔn)低、質(zhì)量差［8］。20世紀(jì)90年代后,渭河治理得到中央和地方的高度重視和社會(huì)各界的普遍關(guān)注,《渭洛河下游治理規(guī)劃》及“三門峽庫區(qū)陜西返遷移民防洪保安工程”“渭河‘2003·8洪水’災(zāi)后重建工程”“陜西省渭河中游干流防洪工程”等多個(gè)項(xiàng)目逐步實(shí)施。2011年1月《陜西省渭河全線整治規(guī)劃及實(shí)施方案》經(jīng)省政府批準(zhǔn)實(shí)施,隨著該整治工程的實(shí)施及逐步完工,渭河中下游堤防工程更加完善。

目前,渭河南岸西寶高速橋至西安咸陽交界堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇,西安咸陽交界至西安高陵交界堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為300 a一遇,西安高陵交界至赤水河口堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇,赤水河口至方山河口堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇,方山河口至吊橋渭河口移民防洪圍堤防洪標(biāo)準(zhǔn)為5 a一遇。渭河北岸西寶高速橋至石川河口堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇,石川河口至臨潼渭南界堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇,臨潼渭南界至龍背堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇,孝義至大荔官池堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇,官池至洛河口堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為5 a一遇。

2 分析方法及原理

2.1 洪水分析方法及計(jì)算模型

本次主要研究渭河下游南、北兩岸防洪保護(hù)區(qū)遭遇渭河干、支流洪水潰堤時(shí)所產(chǎn)生的洪水風(fēng)險(xiǎn),需要計(jì)算保護(hù)區(qū)在遭遇洪水時(shí)的洪水演進(jìn)過程、淹沒水深及洪水前鋒到達(dá)時(shí)間等平面變化的水力因素。渭河干支流水文站網(wǎng)完善,規(guī)劃設(shè)計(jì)及相關(guān)水文、泥沙研究成果豐富,保護(hù)區(qū)測繪成果完整,能夠滿足二維洪水演算輸入條件的需求。

基于以上考慮,本次根據(jù)渭河下游地形和洪水特征,采用一維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型模擬渭河河道洪水演進(jìn)過程,采用二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型模擬渭河下游南、北兩岸保護(hù)區(qū)洪水演進(jìn)過程,采用一維和二維耦合水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型來模擬潰堤或漫堤洪水過程。

最終選取計(jì)算成果穩(wěn)定可靠且精度高的MIKE軟件進(jìn)行建模計(jì)算,采用MIKE 11模擬一維河道洪水、MIKE 21模擬防洪保護(hù)區(qū)洪水演進(jìn)。

2.2 模型計(jì)算范圍與網(wǎng)格劃分

本次計(jì)算范圍為渭河西寶高速橋至入黃口南、北兩岸堤防的保護(hù)區(qū),面積1 600 km2。河道建模范圍自渭河西寶高速橋至黃河潼關(guān)（八)斷面,河道長度為212.56 km。

對于一維河道模型,在已有實(shí)測大斷面的基礎(chǔ)上,根據(jù)渭河的實(shí)際寬度及河道蜿蜒情況,對河道斷面進(jìn)行內(nèi)插加密處理,使得計(jì)算斷面間距盡可能小,重要河段斷面間距為0.50 km。對于河道形態(tài)變化較大的河段和布置建筑物的位置,網(wǎng)格進(jìn)行再加密處理。

對于二維水動(dòng)力模型,以渭河下游南、北兩岸保護(hù)區(qū)的計(jì)算范圍作為網(wǎng)格剖分的邊界約束條件,將內(nèi)河堤防、高速公路、鐵路等阻水建筑物作為網(wǎng)格剖分的內(nèi)部約束條件,進(jìn)行網(wǎng)格剖分,網(wǎng)格最大面積不大于0.10 km2。

2.3 設(shè)計(jì)洪水

本次渭河下游南、北兩岸防洪保護(hù)區(qū)風(fēng)險(xiǎn)分析主要考慮的洪水來源為：①?zèng)芪悸搴油瑫r(shí)來水形成的流域型洪水（“1933·8”洪水,以下簡稱“33”型)；②以涇河或渭河單獨(dú)來水形成的上游來水型洪水（“1954·8”洪水,以下簡稱“54”型)；③渭河支流北洛河、南山支流等單獨(dú)出現(xiàn)洪水的支流來水型洪水。

洪水頻率考慮的方案為：①渭河干流洪水量級選取設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水,并增加一組低于堤防標(biāo)準(zhǔn)的洪水,渭河干流計(jì)算20、50、100 a一遇洪水；②支流洪水量級選取設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水、超標(biāo)準(zhǔn)洪水及100 a一遇洪水,渭河北岸支流和南山支流主要計(jì)算10、20、50、100 a一遇洪水。

2.4 潰口設(shè)置方案

在綜合考慮干堤歷史潰口、險(xiǎn)工險(xiǎn)段的實(shí)際狀況及防洪大堤保護(hù)對象重要性的基礎(chǔ)上,各潰口寬度設(shè)置如下：①渭河干流咸陽、西安區(qū)域內(nèi)的潰口口門寬度取100 m,干流其余潰口口門寬度取200 m；②南山支流及北岸支流潰口口門寬度取50 m。

按渭河干流北岸、渭河干流南岸、渭河北岸支流和渭河南山支流分為4個(gè)區(qū)域,共設(shè)置54個(gè)潰口,其中：渭河干流北岸8個(gè),渭河干流南岸27個(gè),渭河北岸支流3個(gè),南山支流16個(gè)。各區(qū)域潰口統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 潰口信息統(tǒng)計(jì)

2.5 計(jì)算方案及邊界條件

2.5.1 一維水動(dòng)力模型計(jì)算方案

根據(jù)渭河水文站網(wǎng)分布和現(xiàn)有水文資料情況,將渭河干流按照咸陽水文站、華縣水文站和潼關(guān)水文站劃分為3段進(jìn)行一維建模計(jì)算,即咸陽西寶高速橋—臨潼水文站、臨潼水文站—華縣水文站、華縣水文站—潼關(guān)（八)水文站。

一維計(jì)算模型的邊界條件見表2。

表2 一維計(jì)算模型邊界條件

2.5.2 二維水動(dòng)力模型計(jì)算方案

由于渭河目前干支流堤防均達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),因此本次不考慮多潰口組合,僅考慮單潰口潰決進(jìn)行計(jì)算,結(jié)合對渭河洪水來源、洪水組合方式、歷史潰口情況、洪水頻率等進(jìn)行分析,最終共設(shè)置潰口54個(gè),計(jì)算方案155個(gè)。計(jì)算方案組合見表3。

根據(jù)防洪保護(hù)區(qū)的地形、水系堤防及公路鐵路等分布情況,劃分17個(gè)計(jì)算區(qū)進(jìn)行二維水動(dòng)力模型計(jì)算。在計(jì)算中,對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置后,將二維水動(dòng)力模型與一維河道水動(dòng)力模型通過潰口處的流量過程進(jìn)行耦合鏈接,各潰口處的潰決流量過程作為二維水動(dòng)力模型計(jì)算的水文邊界條件［9］。

表3 二維計(jì)算方案

3 洪水演進(jìn)計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 參數(shù)率定與模型驗(yàn)證

3.1.1 一維水動(dòng)力模型驗(yàn)證

（1)流量驗(yàn)證。一維水力計(jì)算模型采用2013年水文資料進(jìn)行率定,選取資料較齊全的2005年及2011年水文資料進(jìn)行模型驗(yàn)證。以咸陽—臨潼段為例,以咸陽站2005年、2011年實(shí)測洪水過程為輸入條件,通過模型計(jì)算得出下游臨潼站的洪水過程。計(jì)算結(jié)果與實(shí)測資料對比如圖2所示。

圖2 臨潼站（流量）模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)對比

臨潼站洪峰流量計(jì)算值與實(shí)測值相對誤差（實(shí)測流量與計(jì)算流量之差的絕對值/實(shí)測流量)2005年為2.02%,2011年為4.38%,均小于5.00%。

（2)水位驗(yàn)證。通過模型計(jì)算出咸陽站與臨潼站之間的耿鎮(zhèn)水位站2005年與2011年的水位變化過程,與實(shí)測資料的對比如圖3所示。模型計(jì)算水位與實(shí)測洪水位的最大誤差（實(shí)測水位與計(jì)算水位之差絕對值的最大值)分別為0.17、0.07 m,均小于0.20 m。

圖3 耿鎮(zhèn)站（水位）模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)對比

臨潼—華縣段、華縣—潼關(guān)段均采用以上方法進(jìn)行模型驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果見表4。各河段的最大流量相對誤差及最大水位誤差均在允許范圍內(nèi),且水位與流量變化趨勢基本一致,因此模型的計(jì)算結(jié)果基本合理可靠。

表4 渭河下游南北岸防洪保護(hù)區(qū)洪水影響統(tǒng)計(jì)

3.1.2 二維水動(dòng)力模型驗(yàn)證

選取2003年石堤河?xùn)|堤潰口實(shí)測及調(diào)研資料進(jìn)行二維水動(dòng)力模型驗(yàn)證,將模型計(jì)算出的淹沒面積、淹沒水深等計(jì)算結(jié)果與實(shí)測資料進(jìn)行對比,分析其合理性；對于模型計(jì)算出的洪水最大流速、最大淹沒水深及洪水前峰到達(dá)時(shí)間等,通過模型精度驗(yàn)證、整體流場分布、局部流場分析、同一方案洪水風(fēng)險(xiǎn)信息比較等方法分析成果的合理性。

模型計(jì)算淹沒面積為128.40 km2,實(shí)測洪水淹沒面積為137.60 km2,相對誤差為6.7%,且模型計(jì)算得出的洪水演進(jìn)和淹沒范圍與實(shí)測數(shù)據(jù)基本一致；淹沒區(qū)內(nèi)水尺實(shí)測水位與模型計(jì)算結(jié)果最大誤差為0.05 m；對比淹沒區(qū)域相應(yīng)5個(gè)河道斷面的洪痕資料與模型驗(yàn)證結(jié)果,水位最大誤差皆在0.20 m以內(nèi)。因此,利用二維水動(dòng)力模型開展該保護(hù)區(qū)洪水演進(jìn)分析是可行的。

3.2 洪水演進(jìn)及淹沒情況分析

本次潰口設(shè)置較多,且防洪保護(hù)區(qū)地形復(fù)雜,不同潰口發(fā)生潰決后的淹沒過程有較大差異。以渭河干流南岸梁趙險(xiǎn)工遭遇100 a一遇洪水發(fā)生潰決為例,簡要介紹其洪水演進(jìn)過程和淹沒情況。

梁趙險(xiǎn)工潰口計(jì)算分區(qū)面積29.39 km2,發(fā)生潰決后,洪水在3 h內(nèi)淹沒了潰口附近的梁村、羅劉村等部分區(qū)域；潰決后12 h洪水向南穿過鄭西高速客運(yùn)專線,向地勢較低的東部區(qū)域演進(jìn),逐漸淹沒了西東里、八里店、雙王村等地；潰決后24 h洪水向南演進(jìn)至樂天大街,沿途淹沒了穆屯、西王、小雷等村,向東南演進(jìn)至渭河下游堤防,沿途淹沒了槐衙村、北白村等并達(dá)到小寨村附近,總淹沒面積為14.09 km2,平均淹沒水深為2.72 m；潰決后48 h洪水演進(jìn)速度減慢,向南淹沒樂天大街并演進(jìn)至渭清路,淹沒紅星村委會(huì)部分區(qū)域及渭南高新區(qū)邊緣,向東南演進(jìn)淹沒龍?jiān)葱麓暹吘?總淹沒面積為15.92 km2,平均淹沒水深為3.30 m；潰決后72 h洪水最終演進(jìn)南至周家村、泰安花園部分區(qū)域,淹沒范圍不再進(jìn)一步擴(kuò)大,總淹沒面積為17.96 km2,平均淹沒水深4.20 m。

3.3 洪水影響分析

根據(jù)本次所有計(jì)算方案的計(jì)算結(jié)果及不同潰口影響區(qū)域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況,對54個(gè)潰口不同頻率洪水的災(zāi)情進(jìn)行統(tǒng)計(jì),主要包括各頻率洪水的最大淹沒面積、淹沒耕地面積、受影響人口及受影響GDP等指標(biāo)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5。

表5 渭河下游南北岸防洪保護(hù)區(qū)洪水影響統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié) 論

渭河下游河勢復(fù)雜多變且潰口位置眾多,不同位置潰口的洪水淹沒范圍、淹沒水深和受影響程度差別較大。

就本次計(jì)算結(jié)果來看,同頻率洪水下,渭南市臨渭區(qū)、大荔縣、華縣、華陰市淹沒面積大；就受災(zāi)程度而言,單位面積洪災(zāi)損失最為嚴(yán)重的是咸陽、西安等經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的城區(qū),臨渭區(qū)發(fā)生堤防潰決時(shí)淹沒片區(qū)洪災(zāi)總損失最為嚴(yán)重；就避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移規(guī)模而言,由于淹沒范圍大、人口集中,因此臨渭區(qū)、華縣避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移規(guī)模大。對于這些不同片區(qū),應(yīng)有側(cè)重地做好相應(yīng)的防洪預(yù)警及避險(xiǎn)演練等工作,以減少洪災(zāi)損失。