衛(wèi)運(yùn)河右堤防洪保護(hù)區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制簡介

趙志才 鄔 龍 何 玉

衛(wèi)運(yùn)河右堤防洪保護(hù)區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制簡介

趙志才 鄔 龍 何 玉

文章以衛(wèi)運(yùn)河右堤保護(hù)區(qū)為例，簡要介紹了保護(hù)區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制技術(shù)，以期為今后的風(fēng)險(xiǎn)圖繪制工作提供借鑒。首先利用MIKE FLOOD軟件建立一二維耦合水動力模型，模擬潰堤洪水在保護(hù)區(qū)內(nèi)的演進(jìn)過程，獲得淹沒水深、到達(dá)時(shí)間、淹沒歷時(shí)以及行進(jìn)流速等洪水風(fēng)險(xiǎn)要素，然后利用洪水風(fēng)險(xiǎn)圖繪制系統(tǒng)進(jìn)行洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的繪制。

洪水風(fēng)險(xiǎn)圖 衛(wèi)運(yùn)河右堤 防洪保護(hù)區(qū)

防洪保護(hù)區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖是標(biāo)示區(qū)內(nèi)各處洪水災(zāi)害危險(xiǎn)程度的一種防洪非工程措施，是抵御洪澇災(zāi)害、保證防洪安全的重要參考。

根據(jù) 《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制導(dǎo)則》和 《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制技術(shù)細(xì)則》，以衛(wèi)運(yùn)河右堤防洪保護(hù)區(qū)為例，在對基礎(chǔ)資料進(jìn)行收集、整理的基礎(chǔ)上，建立一、二維水動力演進(jìn)數(shù)學(xué)模型，模擬潰堤洪水演進(jìn)，獲取洪水到達(dá)時(shí)間、淹沒水深、淹沒范圍、流速及淹沒歷時(shí)等風(fēng)險(xiǎn)要素；對上述各要素繪制洪水風(fēng)險(xiǎn)圖。

1 區(qū)域概況

1.1 自然地理

衛(wèi)運(yùn)河右堤防洪保護(hù)區(qū)西起邯濟(jì)鐵路、南至馬頰河，東至埕口以下防波堤、北至衛(wèi)運(yùn)河和漳衛(wèi)新河右堤，總面積6 703 km2。保護(hù)區(qū)地處黃河沖積平原，地形由西南向東北傾斜，呈狹長狀，東西長330 km左右，南北寬7~35 km。地面高程42.5~0.5 m，坡降約1/7 900。

1.2 社會經(jīng)濟(jì)

衛(wèi)運(yùn)河右堤防洪保護(hù)區(qū)全部位于山東省境內(nèi)，涉及山東省聊城、德州、濱州3個(gè)市，有茌平縣、東昌府區(qū)、臨邑縣、冠縣、臨清、高唐、夏津、武城、平原、德城區(qū)、陵縣、寧津、樂陵、慶云以及無棣等15個(gè)市縣，2012年保護(hù)區(qū)內(nèi)地區(qū)生產(chǎn)總值其2 988億元，常住人口820萬人，耕地81.73萬hm2（1 226萬畝），該區(qū)地勢平坦，土層深厚，農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，主要種植小麥、玉米、高粱、棉花和油料，還有大量蘋果、梨、葡萄、棗等果品生產(chǎn)基地。改革開放以來，該區(qū)工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，有玻璃鋼、建材、農(nóng)副產(chǎn)品加工、海水養(yǎng)殖和鹽田等大批企業(yè)。包括大型企業(yè)山東魯北化工集團(tuán)和山東埕口鹽化集團(tuán)。

2 基礎(chǔ)資料

收集基礎(chǔ)地理信息、水文、構(gòu)筑物和工程調(diào)度、社會經(jīng)濟(jì)和歷史洪水等資料，主要包括：保護(hù)區(qū)1∶10 000基礎(chǔ)地理信息電子地圖，各潰口20、50、100年一遇潰口流量過程，漳衛(wèi)新河河口 “72潮型”過程及保護(hù)區(qū)澇水過程，防洪保護(hù)區(qū)內(nèi)線狀地物 （鐵路、公路、橋涵）高程等，相關(guān)市縣2012年統(tǒng)計(jì)年鑒。

3 洪水演進(jìn)分析計(jì)算

3.1 模型構(gòu)建

防洪保護(hù)區(qū)洪水分析采用水力學(xué)方法。采用丹麥水動力學(xué)研究所開發(fā)的MIKE FLOOD軟件，把一維河網(wǎng)模型MIKE11和二維區(qū)域模型MIKE21進(jìn)行動態(tài)耦合，建立一二維河網(wǎng)非恒定流洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算不同潰口方案、不同頻率洪澇水在防洪保護(hù)區(qū)內(nèi)的演進(jìn)過程，提出各節(jié)點(diǎn)最高水位、流速、淹沒水深和淹沒歷時(shí)等水力要素，用于洪水影響分析、避洪轉(zhuǎn)移分析和洪水風(fēng)險(xiǎn)圖繪制。

3.2 邊界條件

保護(hù)區(qū)洪水來源為衛(wèi)運(yùn)河潰堤洪水和防洪保護(hù)區(qū)內(nèi)澇水。

根據(jù)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制細(xì)則的要求，潰堤洪水量級選用衛(wèi)運(yùn)河防洪標(biāo)準(zhǔn)及其低一個(gè)量級、高一個(gè)量級的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)作為洪水風(fēng)險(xiǎn)分析對象。衛(wèi)運(yùn)河設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，洪水風(fēng)險(xiǎn)圖洪水分析量級為20、50、100年一遇洪水。

防洪保護(hù)區(qū)的排澇標(biāo)準(zhǔn)為 “1964年雨型”，約相當(dāng)于5年一遇，澇水分析量級為5、10、20年一遇。

3.2.1 上邊界條件

綜合考慮河道、防洪保護(hù)區(qū)地形、地質(zhì)狀況、工程狀況、行政區(qū)劃、歷史出險(xiǎn)以及洪水風(fēng)險(xiǎn)情況等因素，確定衛(wèi)運(yùn)河右堤4個(gè)潰口位置，分別為郭莊 （11+360）、吊馬橋 （47+800）、土龍頭（80+100）、祝官屯 （108+964）。

洪水：衛(wèi)運(yùn)河右堤4個(gè)潰口位置各頻率 （5%、2%、1%）洪水分洪流量過程。

澇水：保護(hù)區(qū)內(nèi)部澇水 （20%、10%、5%）采用降雨徑流深過程。

3.2.2 下邊界條件

衛(wèi)運(yùn)河和漳衛(wèi)新河右堤視為封閉邊界，馬頰河左堤、河口海堤視為開放邊界。

海堤處邊界條件取入?？谔幍某蔽贿^程線，潮位過程采用1972年7月26日典型潮型。

保護(hù)區(qū)內(nèi)恩縣洼牛角峪退水閘退水入老減河流量過程作為模型的內(nèi)部邊界，以老減河出口大王鋪相應(yīng)頻率水位過程作為模型下邊界。

同時(shí)，保護(hù)區(qū)潰決洪水向馬頰河方向演進(jìn)，通過保護(hù)區(qū)內(nèi)的排澇河道匯入馬頰河，排澇河道下邊界為馬頰河相應(yīng)位置處 “64年、61年雨型”設(shè)計(jì)水位。根據(jù)實(shí)地調(diào)研確定防洪保護(hù)區(qū)20年一遇洪澇水不與馬頰河洪水遭遇，防洪保護(hù)區(qū)50、100年一遇洪澇水分別對應(yīng)馬頰河 “64年雨型”、“61年雨型”洪水位。

3.2.3 特殊邊界的處理

保護(hù)區(qū)內(nèi)高速公路共有7條，由南至北為青蘭高速、高邢高速、青銀高速、德商高速 （在建）、京滬高速、濱德高速和長深高速；鐵路共有4條，由南至北分布為邯濟(jì)鐵路、京九鐵路、津浦鐵路和京滬高鐵 （高架橋）；還有較多的國道、省道。國道、省道路基高度均在0.5 m以下，高速、鐵路路基較高，對洪水演進(jìn)、洪水風(fēng)險(xiǎn)分析有較大影響。高速、鐵路上的橋梁大小不一，有1 km長的大橋，也有2～3 m長的機(jī)耕通道。為提高計(jì)算效率，又使洪水走向符合實(shí)際情況，根據(jù)各橋梁走向，布設(shè)的寬度、間距等具體情況，在不影響計(jì)算精度的條件下，將這些線性地物和橋梁進(jìn)行概化處理，將路基部分作為堰的型式加入模型內(nèi)部，將部分小橋合并至大橋處，將橋孔部分留出一個(gè)網(wǎng)格的邊長。

3.3 網(wǎng)格剖分

對衛(wèi)運(yùn)河右堤防洪保護(hù)區(qū)進(jìn)行非均勻曲線正交網(wǎng)格剖分，采用規(guī)則網(wǎng)格或不規(guī)則網(wǎng)格，對于規(guī)則網(wǎng)格，邊長為300 m；保護(hù)區(qū)地處華北平原，地勢平坦，地形地物變化不大，網(wǎng)格可適當(dāng)放大，但最大面積不超過1 km2。對潰口位置、河道堤防、地形變化較大的地區(qū)和鐵路、公路、渠埝等線狀地物處，網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，邊長為100 m左右。使得網(wǎng)格邊界與重要地物輪廓緊密結(jié)合，提高模型計(jì)算的準(zhǔn)確性和合理性。

3.4 方案設(shè)置

漳衛(wèi)河系河道為現(xiàn)狀和規(guī)劃兩種工況、洪水量級分別為20、50、100年一遇洪水、4個(gè)潰口位置，計(jì)算方案共計(jì)24個(gè)，見表1。

表1 洪水計(jì)算方案設(shè)置表

4 成果分析

根據(jù)模型需要，輸入不同方案控制條件，獲得不同方案洪水分析結(jié)果，主要包括淹沒區(qū)不同時(shí)刻最高水位、最大水深、最大洪水流速、洪水前鋒到達(dá)時(shí)間及淹沒歷時(shí)等多種風(fēng)險(xiǎn)信息。

以現(xiàn)狀工況郭莊潰口為例，對100年一遇洪水計(jì)算成果進(jìn)行分析。

100年一遇洪水，衛(wèi)運(yùn)河右堤郭莊潰口寬度500 m，底高程40 m，潰決峰量1 288 m3/s，分洪水量6.21億m3?？傃蜎]面積1 389 km2，其中夏津縣395 km2、武城縣358 km2、東昌府區(qū)60 km2、冠縣151 km2、臨清市425 km2。淹沒區(qū)平均水深0.56 m，最大水深4.8 m，位于煙店鎮(zhèn)、唐園鎮(zhèn)和白馬湖鎮(zhèn)一帶，北館陶鎮(zhèn)、潘莊鎮(zhèn)、鄭堡屯鎮(zhèn)以及臨清市區(qū)、夏津縣部分城區(qū)淹沒水深也達(dá)到了2 m以上。洪水到達(dá)臨清市區(qū)、京九鐵路、高邢高速的時(shí)間為80 h，154 h后到達(dá)青銀高速，205 h到達(dá)夏津縣城，290 h進(jìn)入武城縣。淹沒交通線路369.5 km，影響人口 88.99萬人，洪水直接損失467.94億元。整個(gè)淹沒區(qū)淹沒歷時(shí)超過7 d。

5 保護(hù)區(qū)風(fēng)險(xiǎn)分析

衛(wèi)運(yùn)河右堤共設(shè)置4個(gè)潰口，從上到下依次為郭莊、吊馬橋、土龍頭和祝官屯潰口。洪水演進(jìn)受地形和地物影響較大。保護(hù)區(qū)地形南高北低，東高西低，從各潰口整體淹沒情況來看，洪水基本控制在邯濟(jì)鐵路以北，四女寺樞紐以南區(qū)域，衛(wèi)運(yùn)河潰堤洪水不會淹沒至德州城區(qū)以東。由于保護(hù)區(qū)地形南高北低，洪水淹沒范圍基本沿衛(wèi)運(yùn)河右堤狹長分布，臨清市以上受京九鐵路阻擋，洪水基本被控制在鐵路以南一帶，部分洪水通過臨清市附近的橋涵演進(jìn)至鐵路以北，造成臨清市附近洪水比較集中。臨清市以下以臨清市—夏津縣城—恩縣洼牛角峪為界，保護(hù)區(qū)地形東高西低，恩縣洼東部有陳公堤，這種天然地形使得洪水被控制在保護(hù)區(qū)西半?yún)^(qū)一帶，沒有向東半?yún)^(qū)蔓延，故臨清市以下淹沒范圍基本在臨清市—夏津縣—陳公堤—牛角峪一線以西。

從淹沒水深來看，從南到北：北館陶、煙店鎮(zhèn)、唐園鎮(zhèn)一帶地勢低洼，洪水淹沒水深較大，且位于郭莊、吊馬橋潰口之間，洪水風(fēng)險(xiǎn)極大。臨清市城區(qū)位于郭莊、吊馬橋潰口以下，且城區(qū)下游受京九鐵路和高邢高速路基阻擋，淹沒水深較大，洪水風(fēng)險(xiǎn)較大。

土龍頭潰口位于青銀高速以南，一旦潰決，青銀高速阻水嚴(yán)重，高速以南部分城鎮(zhèn)淹沒水深較大，主要有鄭堡屯鄉(xiāng)、白馬湖鎮(zhèn)以及夏津縣城。

土龍頭、祝官屯潰口位于恩縣洼上游，這兩處堤防一旦發(fā)生潰決，洪水從恩縣洼西部高地直接進(jìn)入恩縣洼，且恩縣洼西鄭莊還要分洪，所以恩縣洼面臨雙重風(fēng)險(xiǎn)，洪水風(fēng)險(xiǎn)較大，恩縣洼內(nèi)魯權(quán)屯鎮(zhèn)、郝王莊鎮(zhèn)淹沒水深較大。

6 洪水風(fēng)險(xiǎn)圖

洪水風(fēng)險(xiǎn)圖繪制依據(jù) 《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制導(dǎo)則》、 《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制技術(shù)細(xì)則 (2013年試行)》、《防汛抗旱用圖圖式》，并參照 《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖制圖技術(shù)要求》等相關(guān)規(guī)范，使用中國水科院開發(fā)的“洪水風(fēng)險(xiǎn)圖繪制系統(tǒng)FMAP”軟件完成洪水風(fēng)險(xiǎn)圖繪制。

風(fēng)險(xiǎn)圖由基礎(chǔ)底圖和洪水風(fēng)險(xiǎn)專題要素構(gòu)成?；A(chǔ)底圖是在地理底圖上添加相關(guān)水利工程要素而成。洪水風(fēng)險(xiǎn)專題要素來自洪水模型的分析計(jì)算結(jié)果。依據(jù)洪水風(fēng)險(xiǎn)分析計(jì)算的成果，在基礎(chǔ)底圖上分別繪制風(fēng)險(xiǎn)圖集成系統(tǒng)所需要的淹沒水深圖、到達(dá)時(shí)間圖、淹沒歷時(shí)圖等圖件。

7 結(jié)語

衛(wèi)運(yùn)河右堤洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制是在工程現(xiàn)狀和規(guī)劃兩種工況下，通過對洪水潰堤后，洪水演進(jìn)路線、到達(dá)時(shí)間、淹沒水深、淹沒范圍、流速大小及避洪轉(zhuǎn)移范圍、路線、安置場所等要素進(jìn)行展示，為各級防汛指揮部門的抗洪搶險(xiǎn)救災(zāi)提供決策依據(jù)，指導(dǎo)洪水威脅地區(qū)的建設(shè)，在發(fā)生洪水的緊急情況下選擇正確路線和地點(diǎn)疏散群眾，并為洪澇災(zāi)情評估提供基礎(chǔ)依據(jù)。

趙志才 男 工程師 中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

鄔 龍 男 工程師 中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

何 玉 女 工程師 河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院天津 300250

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