防護堤建設對典型洪水及防洪的影響

王明 董會麗 畢桂真 張防修

摘要：采用平面二維水沙數(shù)學模型，針對現(xiàn)狀、“兩灘一區(qū)”和防護堤3種河道邊界條件，分別對6個量級典型洪水進行了模擬計算，分析不同邊界對洪水位、淹沒范圍和災情損失的影響。結果表明：現(xiàn)狀方案有利于灘區(qū)參與河道行洪滯洪，但生產堤拆除阻力非常巨大;防護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，但建設周期較長、難度較大;“兩灘一區(qū)”方案能夠適當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，地方建設的積極性高，建議作為近期試點方案盡快推進。

關鍵詞：數(shù)學模型;“兩灘一區(qū)”方案;防護堤方案;現(xiàn)狀方案;典型洪水;灘區(qū);黃河下游

中圖分類號：TV62;TV882.1

文獻標志碼：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入決勝階段，灘區(qū)脫貧致富及經濟社會發(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注和討論，很多學者提出了不同的治河方略。

2002年，李文學等[1]提出沿現(xiàn)有控導工程連線建設二級堤防，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”治河理念的有機結合：2016年，劉燕等[2]對黃河下游防護堤方案開展了模型試驗研究，建議高村以上河段采取高標準防護堤模式，高村以下采用寬灘區(qū)無防護堤模式：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工程連線形成的防護堤，并在防護堤上預留分洪和退水口門，通過計算分析，認為“兩道防線”治理方案對下游減淤減災效果顯著：2017年，張金良[4]提出結合黃河下游河道地形條件及水沙特性，充分考慮地方區(qū)域經濟發(fā)展規(guī)劃，對灘區(qū)進行功能劃分，分為居民安置區(qū)、高效農業(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、嫩灘設定不同的洪水上灘設防標準，分別進行改造?？梢姡P注黃河下游防護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)建設防護的“兩灘一區(qū)”方案作為近期建設方案，將對艾山以上灘區(qū)全面防護的防護堤方案作為遠期建設方案，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)學模型開展“兩灘一區(qū)”方案和防護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)學模型

2.1 控制方程

模擬河段平面二維水少數(shù)學模型由黃河水利科學研究院開發(fā)，并于2012年通過黃委模型測試，被認定為應用級模型。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 計算范圍及網格

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

3 計算結果分析

3.1 模擬洪水與邊界條件

以2012年河道地形為基礎條件，生成現(xiàn)狀、“兩灘一區(qū)”（指溫孟灘、長平灘、封丘倒灌區(qū)）和防護堤3種河道邊界條件（見表1），分別進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，黃河下游進行了標準化堤防建設，目前堤防的設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，防護堤建設后，10 a一遇洪水控制在防護堤以內，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?。ㄔ蚴窃摵佣畏雷o堤寬度與現(xiàn)有堤防寬度差別很?。?見圖1。

設防流量洪水（花園口站流量22 000 m/s）漫過防護堤后全河道行洪，防護堤有一定阻水作用，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?？傮w上看，花園口站流量為6 000 m/s時所有灘區(qū)控制在生產堤以內行洪：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，溫孟灘不進水;流量為22 000 m/s（1 000 a 一遇）時，絕大多數(shù)灘區(qū)進水。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堤以內。

（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，其他小灘全部進水，封丘倒灌區(qū)不進水。

（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%進水，中牟灘、開封灘等大灘均進水，但水深大多在1m以下：東壩頭以下蘭考東明灘、長垣灘、習城灘均進水，水深也多在1m以下，其他灘區(qū)全面進水且水深多在1m以上，封丘倒灌區(qū)不進水。

（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的面積進水，中牟灘、開封灘等大灘進水面積和水深都比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%）不進水，其他灘區(qū)進水水深大部分超過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)域進水;京廣鐵路橋一東壩頭全部灘區(qū)進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)域不進水。

綜合各級洪水淹沒情況分析認為，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。艾山以下灘區(qū)遇5a一遇洪水時絕大多數(shù)進水。

3.4 洪災風險及經濟社會發(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

損失嚴重

按照現(xiàn)有水庫防洪調度預案，僅對花園口站流量超過8 000 m/s以上的洪水進行防洪調度。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人口情況，可知在無防護條件下，花園口流量為6 000 m/s時灘區(qū)有386 km土地被淹沒，受災人口28萬。隨著洪水量級增大，灘區(qū)受災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，受災人口65.3萬：流量為14 800 m/S時有1 077.4km土地被淹沒，受災人口79.7萬。流量超過10 000m3/s后，受災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)適度標準防護方案比現(xiàn)狀方案洪災損失

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)采取適度標準防護時各方案灘區(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;防護堤方案中淹沒僅發(fā)生在防護堤內。

當花園口洪峰流量超過10 000 m/s時，各方案灘區(qū)受災面積和人口數(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。防護堤方案減少漫灘淹沒損失的效果較為明顯。

4 結論

（1）現(xiàn)狀方案。計算表明，灘區(qū)安全建設達標后，通過逐步廢除生產堤，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準，因此灘區(qū)土地資源利用和經濟社會發(fā)展將嚴重受限。生產堤的發(fā)展歷史也證明拆除生產堤的阻力非常巨大。

（2）防護堤方案。與現(xiàn)狀方案相比，該方案淹沒面積和人口明顯減少，下游設防流量洪水位抬高0.07～ 0.87 m。防護堤總長586.57 km，雖然建設周期較長、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)狀生產堤，淹沒面積和人口能夠適當減少，且基本維持現(xiàn)狀防洪格局。在加高加固已有工程基礎上，新修工程長度30 km左右，地方建設積極性高，建議作為近期試點方案盡快推進。

參考文獻：

[1]李文學，李勇，論“寬河固堤”與“束水攻沙”治黃方略的有機統(tǒng)一[J].水利學報，2002，33（ 10）：96-102.

[2] 劉燕，江恩惠，曹永濤，等，黃河下游寬灘區(qū)不同運用模式滯洪沉沙效果試驗[J].水利水運工程學報，2016（1）：44-50.

[3] 張紅武，李振山，安催花，等，黃河下游河道與灘區(qū)治理研究的趨勢與進展[J].人民黃河，2016，38（ 12）：1-10，23.

[4]張金良，黃河下游灘區(qū)再造與生態(tài)治理[J].人民黃河，2017，39（6）：24-27，33.