黃河水庫(kù)下游河段洪水影響規(guī)律數(shù)值模擬研究

孫繼鑫，王 劍，楊少雄，楊波，陳光照，侯精明

(1.西安航天天繪數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司,西安 710100;2.航天恒星科技有限公司，北京 100094；3.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710048)

0 前 言

洪水是破壞性最強(qiáng)的自然災(zāi)害之一，嚴(yán)重危害人民生命財(cái)產(chǎn)安全和道路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施[1-3]。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明洪澇災(zāi)害已成為危及中國(guó)三分之二地區(qū)的重大災(zāi)害，造成的年均經(jīng)濟(jì)損失約占全國(guó)經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的3.15%[4]。在防洪實(shí)踐工作中，僅利用工程措施并不能完全抵御洪水威脅，與非工程措施相結(jié)合是防洪減災(zāi)工作的有效方法之一[5-6]。隨著氣候變化，近年來(lái)中小流域強(qiáng)降雨事件時(shí)有發(fā)生，形成較大洪水，尤其是水庫(kù)區(qū)域，更可能誘發(fā)潰壩，造成嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。作為重要的非工程措施之一，提前制定避洪方案能使受災(zāi)區(qū)域更為科學(xué)地部署防汛搶險(xiǎn)，組織群眾應(yīng)急避洪轉(zhuǎn)移，提高避洪和應(yīng)對(duì)洪水災(zāi)害的綜合能力[7-8]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在洪水?dāng)?shù)值模擬方法和模型應(yīng)用方面開展了深入探索，目前洪水分析常采用方法有水文學(xué)法、歷史水災(zāi)法和水力學(xué)法[9-10]。水文學(xué)法是通過(guò)洪水頻率分析，在獲取不同洪水頻率水位、流量和河段洪量的基礎(chǔ)上，依據(jù)區(qū)域地形地貌分析流域產(chǎn)匯流特征，采用水文學(xué)模型計(jì)算得到不同頻率洪水的淹沒范圍和淹沒水深分布圖。劉登嵩等[11]基于新安江等多種水文模型對(duì)浙江金華江和龍泉溪流域進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)與演進(jìn)過(guò)程模擬；郝曉博等[12]基于NAM水文模型對(duì)福州市降雨洪水演進(jìn)過(guò)程進(jìn)行模擬與分析；李瑞等[13]基于河北雨洪模型對(duì)黃河上游小流域1994—2010年的10場(chǎng)洪水過(guò)程進(jìn)行模擬,并分別以峰值加權(quán)均方根誤差、加權(quán)誤差及效率系數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，研究了不同目標(biāo)函數(shù)對(duì)模型模擬結(jié)果的影響。歷史水災(zāi)法是依據(jù)歷史洪水系列計(jì)算相應(yīng)的洪水頻率和洪量等，在此基礎(chǔ)上提取典型場(chǎng)次洪水的洪水淹沒范圍和淹沒水深等，通常用于因洪致澇等水災(zāi)成因比較復(fù)雜的區(qū)域的洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，具有客觀、簡(jiǎn)便和實(shí)用等特點(diǎn)。由于歷史防洪形勢(shì)與當(dāng)前防洪形勢(shì)通常存在一定差異，所得結(jié)果通常需要通過(guò)水文學(xué)和水力學(xué)模擬分析進(jìn)行完善，難以獨(dú)立地完成洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[14]。在洪水分析工作中，詳細(xì)的歷史洪水?dāng)?shù)據(jù)常常出現(xiàn)缺失乃至無(wú)法獲取的情況,而水動(dòng)力模擬方法由于其需要的參數(shù)、基礎(chǔ)資料較少，且能夠模擬水力要素在復(fù)雜地形上的變化過(guò)程，生成準(zhǔn)確的洪水演進(jìn)變化計(jì)算結(jié)果，近年來(lái)受到越來(lái)越多研究者的關(guān)注[15]。目前已開發(fā)了諸多商業(yè)軟件及自主開發(fā)模型，這些模型在國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了許多實(shí)例應(yīng)用[16-20]，如張兆安等[21]采用耦合潰口演變過(guò)程的水動(dòng)力數(shù)值模型,模擬分析了不同淤積程度下淤地壩潰壩洪水演進(jìn)過(guò)程；朱世云等[22]采用MIKE21 FM模型進(jìn)行水動(dòng)力數(shù)值模擬對(duì)岳陽(yáng)市洪水演進(jìn)不同時(shí)段的淹沒情況、洪水流態(tài)和進(jìn)洪量進(jìn)行了模擬；程坤等[23]采用MIKE21模型對(duì)藏木水電站大壩潰壩洪水過(guò)程進(jìn)行了模擬，計(jì)算得到下游河道關(guān)鍵洪水要素，為評(píng)估河道下游兩岸的受災(zāi)程度做基礎(chǔ)；付成威等[24]基于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)耦合的水力學(xué)一、二維模型模擬了谷堆圩蓄滯洪區(qū)的潰堤洪水演進(jìn)情況，得到了一二維耦合模型相較于傳統(tǒng)模型精度及計(jì)算效率更高的結(jié)論；戴榮等[25]將HEC-HMS模型應(yīng)用于新疆天山北坡地區(qū)各流域的洪水計(jì)算，證明了該模型適用于新疆天山北坡地區(qū)洪水計(jì)算；賀娟等[26]通過(guò)HEC-GeoRAS分析長(zhǎng)河壩電站水庫(kù)大壩下游潰壩洪水演進(jìn)過(guò)程洪水淹沒范圍及流速分布。以上研究多集中于對(duì)河道洪水演進(jìn)過(guò)程的模擬，缺少對(duì)沿程水力要素變化規(guī)律的量化分析及對(duì)避洪決策的研究。

近年來(lái)，吉林市黃河水庫(kù)進(jìn)行了規(guī)劃整治，并建立了相對(duì)完善的防洪體系。但是依然存在著部分工程老化損壞嚴(yán)重，水庫(kù)下游飲馬河河道行洪能力不足、部分河道沖刷嚴(yán)重、防洪標(biāo)準(zhǔn)降低等問題。本文以水力學(xué)方法為理論基礎(chǔ)，搭建黃河水庫(kù)一、二維耦合洪水?dāng)?shù)值模型，根據(jù)當(dāng)?shù)貪撛诘暮闈筹L(fēng)險(xiǎn)因素情況設(shè)置多套洪水情景模擬方案，并結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)分析災(zāi)害影響并確立避洪減災(zāi)方案，旨在增強(qiáng)當(dāng)?shù)厝嗣袢罕娂皼Q策者的避災(zāi)減災(zāi)能力，為洪災(zāi)損失評(píng)估和避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移策略制定提供技術(shù)支撐。

1 研究方法

洪水風(fēng)險(xiǎn)分析模型由水動(dòng)力數(shù)值模型、大壩潰決分析模型、災(zāi)害影響評(píng)估分析模型、避洪轉(zhuǎn)移決策模型構(gòu)成。一、二維水動(dòng)力數(shù)值模型用于洪水演進(jìn)過(guò)程計(jì)算，確定洪水淹沒要素(淹沒范圍、淹沒水深和淹沒歷時(shí)等)，災(zāi)害影響評(píng)估分析模型及避洪轉(zhuǎn)移決策模型用于避災(zāi)方案制定。

1.1 一、二維耦合水動(dòng)力數(shù)值模型

本文所用水動(dòng)力學(xué)模型為HydroMPM-FloodRisk模型，該模型可實(shí)現(xiàn)明渠、排水河道、水工構(gòu)筑物及二維坡面流的模擬，主要應(yīng)用于同時(shí)出現(xiàn)一、二維流動(dòng)特征的數(shù)值模擬，實(shí)現(xiàn)一維河道計(jì)算和平面二維流動(dòng)計(jì)算的無(wú)縫連接。河道非恒定流的水動(dòng)力學(xué)模擬基于圣維南方程，方程守恒形式如下：

(1)

(2)

公式(1)～(2)中：q為側(cè)向入流，m3/s；Q為流量，m3/s；s為距離坐標(biāo)，m；V為斷面平均流速，m/s；h為水深，m；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；B為河道斷面寬度，m；i為渠底坡降；R為水力半徑。

二維水動(dòng)力計(jì)算模型基本原理如下：

(3)

(4)

公式(3)～(4)中：H為水深，m；Z為水位，m；q為連續(xù)方程中的源匯項(xiàng)；M與N分別為x和y方向的垂向平均單寬流量，m2/s；u和v分別為垂向平均流速在x與y方向的分量，m/s；n為曼寧系數(shù)；g為重力加速度，m/s2。

一維模型采用Abbott六點(diǎn)隱式格式離散控制方程組，該離散格式在每一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)按順序交替計(jì)算水位和流量。因此能夠在較大庫(kù)倫數(shù)的條件下保證計(jì)算穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)大時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算以節(jié)省計(jì)算時(shí)間。二維模型采用有限體積法離散求解模型控制方程，保證了水量和動(dòng)量在計(jì)算域內(nèi)守恒。并使用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元離散計(jì)算域，更有利于擬合復(fù)雜邊界線，如堤防、橋、閘等；應(yīng)用干濕網(wǎng)格判別法，能夠高效高精度地處理潮灘動(dòng)邊界。本文在計(jì)算時(shí)，以設(shè)計(jì)流量過(guò)程作為輸入條件，設(shè)定庫(kù)區(qū)及下游無(wú)降雨過(guò)程，故在建模時(shí)并未耦合產(chǎn)匯流模型，在計(jì)算時(shí)河道洪水采用一維水力學(xué)方法進(jìn)行洪水分析計(jì)算；淹沒區(qū)洪水演進(jìn)過(guò)程采用二維水動(dòng)力學(xué)方法，模擬已設(shè)定計(jì)算方案對(duì)應(yīng)的洪水演進(jìn)過(guò)程，同時(shí)建立一、二維洪水耦合計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)河道和淹沒區(qū)的洪水演進(jìn)過(guò)程計(jì)算。

1.2 避洪轉(zhuǎn)移決策模型

按照《避洪轉(zhuǎn)移圖編制技術(shù)要求(試行)》[27]規(guī)范要求，選取各方案最大量級(jí)洪水作為避洪轉(zhuǎn)移分析對(duì)象，分析洪水計(jì)算結(jié)果，提取滿溢分流形成的最大淹沒水深及淹沒范圍，繪制包絡(luò)圖，以形成包絡(luò)圖的淹沒水深、淹沒范圍、洪水流速作為洪水風(fēng)險(xiǎn)圖層，繪制基本洪水風(fēng)險(xiǎn)圖。在基本風(fēng)險(xiǎn)圖基礎(chǔ)上，增加危險(xiǎn)區(qū)及避洪轉(zhuǎn)移范圍圖層、轉(zhuǎn)移單元圖層、安置場(chǎng)所圖層、避洪轉(zhuǎn)移路線圖層，繪制形成避洪轉(zhuǎn)移圖。

2 模型構(gòu)建及參數(shù)選擇

2.1 研究區(qū)概況

黃河水庫(kù)位于第二松花江流域飲馬河水系，距煙筒山承德村李塘房屯0.5 km，流域面積784 km2，河道長(zhǎng)度62.5 km，河道平均比降1.43‰，黃河水庫(kù)是磐石市境內(nèi)規(guī)模最大且集灌溉、防洪、發(fā)電、旅游等功能于一體，各項(xiàng)設(shè)施基本配套的中型水庫(kù)。庫(kù)區(qū)下游區(qū)間包括黃榆鄉(xiāng)、山河街道、煙筒山鎮(zhèn)、齊家鎮(zhèn)和金家滿族鄉(xiāng)等，人口、經(jīng)濟(jì)較為集中。

2.2 模型構(gòu)建

黃河水庫(kù)下游洪水風(fēng)險(xiǎn)分析區(qū)至金家鄉(xiāng)蘆家村長(zhǎng)嶺水文站處，河段一、二維耦合計(jì)算模型范圍包括黃河水庫(kù)～長(zhǎng)嶺水文站河道兩岸洪水影響區(qū)域，河段控制點(diǎn)位于長(zhǎng)嶺水文站，采用最大量級(jí)設(shè)計(jì)洪水試算得到最大淹沒范圍，在此淹沒邊界基礎(chǔ)上適當(dāng)外拓并參照地形等高線劃定二維計(jì)算區(qū)，區(qū)域面積142.83 km2。分別對(duì)該段河道和兩岸區(qū)域建立一維水動(dòng)力模型和二維水動(dòng)力模型，同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩者的動(dòng)態(tài)耦合。

2.2.1一維河道水動(dòng)力模型構(gòu)建

根據(jù)飲馬河地形地貌特征，一維模型構(gòu)建的河段(黃河水庫(kù)壩下至長(zhǎng)嶺水文站)全長(zhǎng)53.6 km，共設(shè)置21個(gè)關(guān)鍵斷面，斷面間距變化范圍為100～1 500 m。河道斷面和河道斷面布置分別如圖1、2所示。

一維非恒定流模型的邊界條件包括上及下邊界條件。上邊界條件選用流量過(guò)程，下邊界條件選用水位過(guò)程或水位流量關(guān)系曲線，本次計(jì)算一維模型邊界如表1所示。參考《吉林省磐石市飲馬河重點(diǎn)段治理工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》[28]內(nèi)容論述，曼寧系數(shù)設(shè)定為0.033。綜合黃河水庫(kù)下游實(shí)際情況及現(xiàn)場(chǎng)查勘結(jié)果，考慮模型穩(wěn)定及運(yùn)算效率等多種因素，設(shè)定黃河水庫(kù)下游(黃河水庫(kù)～金家鄉(xiāng)蘆家村)河道一維水動(dòng)力模型計(jì)算初始水深為0.2 m。

表1 一維河道洪水計(jì)算邊界

2.2.2二維水動(dòng)力模型構(gòu)建

模型采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)模擬范圍進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最大網(wǎng)格面積不超過(guò)0.003 km2，重要地區(qū)、地形變化較大地區(qū)的計(jì)算網(wǎng)格適當(dāng)加密。網(wǎng)格總數(shù)54 980個(gè)，計(jì)算總面積218 km2。在本次洪水分析過(guò)程中，二維水流模型的邊界條件分為兩類。第一類包括與一維模型耦合處的邊界，具體包括與黃河水庫(kù)下游河道的側(cè)向連接處邊界，此類邊界均為動(dòng)水位邊界，由模型自動(dòng)耦合計(jì)算；第二類是二維模型模擬區(qū)域外邊界，由于在確定建模范圍時(shí)已考慮了河道洪水邊界，模型計(jì)算范圍內(nèi)區(qū)域與區(qū)域外不存在水量交換，因此確定為固邊界。考慮到編制區(qū)域內(nèi)地物種類的不同且分布零散，為保證二維模型計(jì)算精度，曼寧系數(shù)按編制區(qū)域土地利用情況進(jìn)行分區(qū)，并參照其他類似區(qū)域糙率設(shè)定，無(wú)實(shí)測(cè)資料的地區(qū)可根據(jù)水力學(xué)手冊(cè)確定，或參考采用相似條件地區(qū)的糙率。本地區(qū)缺少潰堤洪水演進(jìn)實(shí)測(cè)資料，故按照《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制技術(shù)細(xì)則(試行)》及《水力計(jì)算手冊(cè)(第二版)》[29-30]所列的合理范圍內(nèi)取值，如表2所示。

表2 洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域曼寧系數(shù)取值

2.2.3一、二維水動(dòng)力耦合模型構(gòu)建

采用側(cè)向連接的耦合方式，實(shí)現(xiàn)河道一維水動(dòng)力模型與二維水動(dòng)力模型的耦合，實(shí)時(shí)耦合計(jì)算河道洪水漫溢淹沒風(fēng)險(xiǎn)。側(cè)向連接方式為通過(guò)河道斷面標(biāo)注堤頂?shù)刃檠撸唔敻叱碳把邔捯栽撎帞嗝孀笥业添敻叱碳皩挾葹闇?zhǔn)；沿一維河道邊界線在二維區(qū)域設(shè)定耦合線，耦合線由具體坐標(biāo)確定，在運(yùn)行期，耦合線映射到網(wǎng)格單元的邊上，確定耦合的網(wǎng)格單元。模型通過(guò)比較二維網(wǎng)格與相應(yīng)里程處一維河道內(nèi)斷面水深，利用堰流公式計(jì)算通過(guò)側(cè)向連接的流量，實(shí)現(xiàn)一維河道堤頂過(guò)流水流漫溢進(jìn)入二維平面區(qū)域和一二維水流的動(dòng)態(tài)交互。耦合模型計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為較小值60 s。

3 模型驗(yàn)證

本文所用水動(dòng)力學(xué)模型為HydroMPM-FloodRisk模型，該模型2014年被國(guó)家防汛抗旱總指揮部辦公室批準(zhǔn)列入重點(diǎn)地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制項(xiàng)目軟件名錄，模型精度較高，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性得到了廣泛的認(rèn)可和驗(yàn)證[31-33]。

為保證一二維耦合水動(dòng)力數(shù)值模型在本次模擬中結(jié)果的可靠性，從水量平衡、流場(chǎng)分布、淹沒水深、淹沒面積進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)50年一遇洪水模擬計(jì)算方案進(jìn)行了水量平衡統(tǒng)計(jì)分析，表3列出了洪水模擬計(jì)算方案模擬得到的保護(hù)區(qū)初始水量、進(jìn)洪量、出水量以及最終蓄水量。水量平衡誤差為-0.48×106m3，均低于106數(shù)量級(jí)，滿足水量平衡要求。

表3 水量平衡對(duì)比 /(×106 m3)

對(duì)比圖3所示的DEM整體高程與淹沒區(qū)域流場(chǎng)分布模擬結(jié)果，可以明顯看出流場(chǎng)分布均勻一致，流速較大的區(qū)域集中在坡度變化劇烈，高低落差較大的地形區(qū)，洪水演進(jìn)的趨勢(shì)遵循地形高程從高到低的原則，洪水態(tài)勢(shì)較準(zhǔn)確，洪水模擬流速合理，淹沒區(qū)域與DEM地形所示的地勢(shì)低洼區(qū)相符。模擬結(jié)果表明模型計(jì)算較為合理，且精度較高，可應(yīng)用于洪水風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算。

4 黃河水庫(kù)下游河段洪水研究規(guī)律

黃河水庫(kù)下游(黃河水庫(kù)～金家鄉(xiāng)蘆家村)河道洪水來(lái)源主要有上游來(lái)洪、黃河水庫(kù)至金家鄉(xiāng)蘆家村區(qū)間洪水、潰壩洪水。黃河水庫(kù)下游現(xiàn)有堤防1處，堤防位于黃榆鄉(xiāng)平埠子村-茶壺嘴村飲馬河河段，防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，堤防長(zhǎng)度為10.5 km，河道安全泄洪量為820 m3/s。由于堤坊工程缺乏維護(hù)，局部堤段存在隱患，致使防洪標(biāo)準(zhǔn)降低。為了量化黃河水庫(kù)下游水力要素與來(lái)流量的規(guī)律，分別對(duì)10、20、50年一遇上游來(lái)洪進(jìn)行模擬分析，并對(duì)下游關(guān)鍵斷面處最高及最低水位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，并基于回歸分析法法對(duì)其進(jìn)行擬合。

4.1 設(shè)計(jì)洪水方案

采用SL 44-2006《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》[34]中所列的Pearson-Ⅲ曲線進(jìn)行頻率計(jì)算，利用矩法初步估算水文連序系列和不連序系列的均值、Cv、Cs等統(tǒng)計(jì)參數(shù)值，頻率分析成果見表4。

表4 長(zhǎng)嶺站設(shè)計(jì)洪水成果

根據(jù)洪水量級(jí)分析，推求出長(zhǎng)嶺水文站的10、20、 50年一遇的設(shè)計(jì)洪水過(guò)程。依據(jù)SL 44-2006《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》，設(shè)計(jì)洪水采用放大典型洪水過(guò)程線的方法，并選擇能夠反映洪水特性、對(duì)工程防洪運(yùn)用較不利的大洪水作為典型。長(zhǎng)嶺水文站的2017年7月19日至7月24日的實(shí)際洪水過(guò)程峰高量大，能夠反映黃河水庫(kù)下游大洪水的洪水特性。因此，選擇此次洪水作為典型洪水，流量放大后的設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線見圖4。

4.2 洪水過(guò)程水力要素模擬計(jì)算

4.2.1不同洪水條件下最大淹沒水深模擬結(jié)果分析

基于HydroMPM-FloodRisk水力學(xué)模型對(duì)黃河水庫(kù)下游不同重現(xiàn)期來(lái)洪條件下洪水演進(jìn)過(guò)程進(jìn)行模擬，在模擬時(shí)，對(duì)研究區(qū)域內(nèi)高于0.5 m的道路等線狀地物進(jìn)行適當(dāng)概化。當(dāng)洪水未達(dá)到阻水建筑物頂高程時(shí)，線狀地物起阻水作用，區(qū)域不過(guò)水；當(dāng)洪水超過(guò)線狀地物頂部高程時(shí)，水流以漫溢的形式通過(guò)。模型計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為60 s。根據(jù)模擬結(jié)果，得到10、20、50年一遇來(lái)洪條件下黃河水庫(kù)下游最大淹沒水深如圖5所示，圖中以色帶的顏色深淺表征洪水水深程度。

由圖5可知，隨著上游來(lái)洪重現(xiàn)期的增加，在研究區(qū)域內(nèi)，淹沒面積和最大淹沒水深均增加。在各重現(xiàn)期條件下，均產(chǎn)生不同程度的漫溢，但隨著重現(xiàn)起的增大，漫溢的面積和水深逐漸增大，為了量化不同重現(xiàn)期條件下研究區(qū)域水位的變化規(guī)律，需提取重要斷面的水力要素，并對(duì)其進(jìn)行分析。

4.2.2不同洪水條件下沿程斷面水力要素結(jié)果分析

模擬黃河水庫(kù)下游段10、20、50年一遇洪水演進(jìn)過(guò)程，根據(jù)河道上斷面入流流量過(guò)程，結(jié)合各斷面水力參數(shù)，采用非恒定流水動(dòng)力計(jì)算方法推算各斷面水位及流量過(guò)程，統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果，提取河道計(jì)算斷面最高、最低水位。如表5所示。繪制河道最高水面線，如圖6所示。

表5 不同重現(xiàn)期洪水下游斷面水位

基于黃河水庫(kù)下游各監(jiān)測(cè)斷面在10、20、50年一遇洪水工況下的水位數(shù)據(jù)，擬合以里程為自變量，斷面水位為因變量的線性方程，如圖7所示?？梢酝ㄟ^(guò)線性方程獲知在10、20、30年一遇工況下不同里程的河道斷面水位變化情況，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)少量斷面數(shù)據(jù)獲知河道沿程水位變化情況，極大地縮短了研究人員的數(shù)據(jù)處理和分析決策時(shí)間。

4.3 避洪轉(zhuǎn)移決策分析

基于研究區(qū)50年一遇洪水演進(jìn)模擬結(jié)果，分析淹沒水深風(fēng)險(xiǎn)信息，提取最大淹沒水深和最短到達(dá)時(shí)間數(shù)據(jù)，繪制最大水深最短時(shí)間范圍包絡(luò)圖，確定淹沒范圍即為危險(xiǎn)區(qū)，淹沒區(qū)內(nèi)居民地將被定為轉(zhuǎn)移單元。當(dāng)黃河水庫(kù)下游計(jì)算區(qū)遭遇50年一遇洪水時(shí)，黃河水庫(kù)至金家鄉(xiāng)蘆家村發(fā)生河道洪水漫溢，不同淹沒水深等級(jí)全區(qū)資產(chǎn)影響統(tǒng)計(jì)見表6。

表6 50年一遇洪水損失統(tǒng)計(jì)結(jié)果

采用GIS技術(shù)開展空間分析，根據(jù)轉(zhuǎn)移單元人數(shù)、安置區(qū)容納能力、距離遠(yuǎn)近、行政區(qū)界等因素，確定轉(zhuǎn)移單元和安置區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在盡可能避免交通(特別是交匯路口)擁堵、避免跨縣級(jí)以上行政區(qū)安置，且各安置人口密度相當(dāng)?shù)那闆r，按照就近原則，結(jié)合道路分布情況，確定轉(zhuǎn)移方向及路徑，建立轉(zhuǎn)移單元與安置區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，避洪轉(zhuǎn)移方案如圖8所示。

5 結(jié) 論

針對(duì)中小流域洪水分析資料匱乏，本文采用了一、二維耦合水動(dòng)力模型精細(xì)化模擬黃河水庫(kù)下游洪水演進(jìn)過(guò)程。結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了災(zāi)情分析和損失評(píng)估并制定避洪轉(zhuǎn)移方案。文中綜合考慮了黃河水庫(kù)洪源、防洪工程以及河道防洪標(biāo)準(zhǔn)，以不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)洪水方案為例，對(duì)水庫(kù)下游建立一、二維耦合水動(dòng)力模型模擬河流洪水漫溢分流演進(jìn)過(guò)程，并提取了關(guān)鍵斷面水力要素值進(jìn)行量化分析，且基于標(biāo)準(zhǔn)洪水風(fēng)險(xiǎn)劃分及避洪轉(zhuǎn)移要求，繪制了50年一遇工況條件下研究區(qū)域避洪轉(zhuǎn)移圖，形成結(jié)論如下：

(1) 中小流域普遍存在徑流觀測(cè)資料缺失或不足的情況，而本次采用一、二維耦合水動(dòng)力模型能夠良好地避免受到制約。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果分析，精度滿足要求，具有一定的可靠性，可為其他缺乏徑流觀測(cè)資料中小流域的洪水風(fēng)險(xiǎn)分析及避洪決策制定提供參考。

(2) 通過(guò)對(duì)不同洪水重現(xiàn)期條件的洪水演進(jìn)過(guò)程模擬，隨著洪水重現(xiàn)期的增大，淹沒水深及淹沒面積逐漸增大，且在各重現(xiàn)期洪水條件下，河道兩岸沿程多處發(fā)生河道漫溢現(xiàn)象。

(3) 通過(guò)對(duì)不同洪水重現(xiàn)期條件下斷面水力要素的提取與分析，發(fā)現(xiàn)河道沿程水位呈現(xiàn)線性變化規(guī)律，且隨著洪水重現(xiàn)期的增大，沿程最低與最高水位均逐漸增加。如在水庫(kù)下游4 000 m處，當(dāng)洪水重現(xiàn)期為10年一遇時(shí)，最低水位為252.84 m，最高水位為255.43 m，當(dāng)洪水重現(xiàn)期增大至50年一遇時(shí)，最低水位增高至253.34 m，最高水位升高至256.89 m。

(4) 根據(jù)洪水模擬計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行洪災(zāi)影響分析評(píng)估，確定了防洪保護(hù)區(qū)在遭受上述洪水時(shí)需轉(zhuǎn)移單元及人口數(shù)量、規(guī)劃安置場(chǎng)所、制定轉(zhuǎn)移路線，避洪方案的合理性分析。

本文提出的水庫(kù)洪水風(fēng)險(xiǎn)分析及避洪決策方法能夠較好地預(yù)測(cè)洪水演進(jìn)過(guò)程，可據(jù)此制定正確的避洪轉(zhuǎn)移方案。未來(lái)研究中將完善該洪水風(fēng)險(xiǎn)分析方法，開展實(shí)時(shí)洪水風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算分析，結(jié)合水庫(kù)調(diào)度及風(fēng)險(xiǎn)管理開發(fā)基于動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的防汛決策系統(tǒng)，同時(shí)，還可具有災(zāi)情評(píng)估分析、避洪轉(zhuǎn)移分析等功能，所有結(jié)果在系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)時(shí)表現(xiàn)，應(yīng)用靈活，效果直觀。