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摘要：绘制洪水风险图是实施洪水管理的重要手段之一。以黄河下游防洪形势最为复杂的濮阳河段为研究对象，基于MIKE21FM模型，模拟分析该河段的三处堤防分别出现溃决后溃堤洪水在防洪保护区内的演进过程，绘制三处溃口的最大淹没水深分布图，并通过糙率敏感性分析说明了模拟结果的合理性。相关成果可为防汛指挥部门制定相应的防洪减灾措施提供科技支撑，建模方法也可为模拟该河段的其他溃口提供参考。

关键词：洪水；风险；MIKE；淹没；模拟；黄河濮阳段

中图分类号：TV122+.4；TV882.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.008

1 引言

洪水风险图作为重要的非工程防洪措施，可直观地显示区域内的淹没水深、洪水到达时间、淹没历时等信息，已经成为近年来防灾减灾管理的重要依据，是由“控制洪水”向“管理洪水”观念转变的具体体现。洪水风险图是洪水分析计算成果的直观显示，而洪水分析目前主要有历史水灾法、水文学法和水力学法。本文选择水力学法，并从国家防办公布的《重点地区洪水风险图编制项目软件名录》中选择MIKFE软件，利用其中的MIKE21模型建立洪水分析模型。该软件主要用于模拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及环境等，在国内外得到了广泛应用，其一、二维洪水模拟技术已经比较成熟。

黄河下游的洪水灾害重在河南，而河南的重灾区则在濮阳。黄河的“善淤、善决、善徙”在濮阳河段表现得尤为突出，该河段是黄河下游河道变迁最频繁的河段之一。据统计，在黄河下游26次大的改道中，决口地点直接发生在濮阳境内的就有6次。濮阳段防洪保护区内分布有中原油田、京九铁路、京沪高铁、京沪高速等大量重要基础设施，一旦黄河堤防决口，经济损失不可估量。为了将决口可能造成的损失降低到最低，需要了解决口后的洪水淹没情况。本文即以濮阳段防洪保护区为研究对象，基于MIKE21模型分析该河段溃堤后防洪保护区的洪水风险。

2 研究区域概况

黄河濮阳段决口后，洪水将首先进入北金堤滞洪区。该区位于北金堤与黄河大堤之间，西南东北走向，上宽下窄，呈羊角形，地勢西高东低，主要包括滑县和长垣县东部、濮阳县大部、范县和台前县的全部，滞洪区的退水口设在台前县张庄闸，见图l。若溃口后进入北金堤滞洪区的洪水总量超过其设计分洪总量20.73亿m3，洪水可能漫过北金堤，进人山东省的聊城、德州和滨州地区，最后进入渤海，见图2。

保护区涉及河南、山东两省的新乡、濮阳、聊城、德州、滨州5个地级市，历史上黄河沉积、淤塞、决口、改道等造就了该区域平地、岗、洼、沙丘、沟河相间的地貌特征，属中原经济区粮食生产核心区、中原油田油气主产区、环渤海经济圈，2013年保护区涉及的县（市、区）GDP共计7329.67亿元，耕地2212166hm2，人口2068.6万人，人均GDP达35433元。区域内主要河流有黄河、金堤河、天然文岩渠、徒骇河、马颊河等。

3 数学模型

3.1 控制方程

为了准确拟合研究区域的不规则边界，选用MIKE21中的非结构化网格模型MIKE21FM进行模拟。MIKE21FM是基于平面二维不可压缩流体雷诺平均应力方程[式（1）～式（6）]开发的。式中：u和v分别为垂向平均流速在x与y方向的分量：t为时间；x、y与z为笛卡儿坐标；η为河底高程：d为静水水深；h为总水头；u、v分别为x、y方向的速度分量；g为重力加速度；P为水的密度；sxx、sxy、syx、syy为辐射应力分量：Pa为大气压强；Po为水的相对密度：s为点源流量；us、vs为源汇项的流速；Txx、Txy和Tyy为侧向应力项；Tsx和Tsy为水面风应力；Thx和Thy为水底摩擦力。

模型模拟的范围如图2所示，其中下侧和右侧以黄河大堤为界。为了包含所有淹没区域，经过多次试算后，确定了左侧边界。上侧边界为渤海湾的海岸线向外延伸后所得。确定模拟范围后，采用MIKF21FM模型，基于不规则网格对模拟区域进行网格划分，并对区域内的金堤河、马颊河和徒骇河进行网格加密。整个区域的网格总数为205394个，节点数为106840个。

3.2 口门设置

本次洪水风险分析选择历史上曾多次发生险情的冯楼、牛寨、廖桥作为溃口，分析这3处堤防发生溃决后，洪水在防洪保护区内的演进过程。根据黄河口门分洪过程的相关研究成果，采用一维河道模型将花园口近千年一遇的设计洪水（1982年典型洪水）演进至溃口附近断面，得到该断面的流量过程。采用文献[7]中的溃口分流比方法计算得到每个溃口的流量过程。该方法认为：决口48h内，口门分洪流量占断面流量的比例由60%线性增加至80%；48h后分流比进一步增大；4d之后全河夺流，分洪比例达到100%，计算所得的分洪总量见表1。

3.3 参数与边界条件

根据研究区域1：50000全要素基础地理信息数据，提取研究区域内的土地利用类型数据，并依据《洪水风险图编制导则》设置不同土地类型的糙率。

现场调研发现北金堤处于洪水演进的主流路上，受洪水的顶冲作用较强。结合近年北金堤发生的管涌和渗漏等险情数据，模拟计算时认为莘县古城三里营和阳谷县孟堤口为最薄弱的堤段，在堤前水位低于堤顶2.5m时会发生溃决。由于MIKE21FM模型需指定每个溃口发生溃决的具体时刻，因此初次计算时，假定北金堤不发生溃决，根据两处溃口前的水位变化过程，确定各自堤前水位达到低于堤顶2.5m的时刻：再次计算时，则将两个溃口设定在相应时刻发生溃决。

研究区域内分布有众多的高速公路、国道、省道、铁路和引水干渠等大型线性建筑物，对洪水演进有明显的影响。本次模拟考虑了京台高速等16条公路和京沪线等10条铁路，以及南水北调东线干渠、位山引黄干渠、马颊河、徒骇河、漳卫新河、德惠新河等河流的堤防（见图2），采用MIKF21FM模型中的DIKE建筑物功能模拟其挡水作用。对于线性建筑物沿线的桥梁和涵洞，因数量巨大，故根据所处的地形特征将邻近的桥涵进行合并处理。

4 模拟结果

4.1 冯楼

冯楼处堤防发生溃决时，溃口洪水以溃口为中心呈扇形向外扩散，溃堤6h后，洪水淹没长垣县城，越过新石铁路：溃堤24h后，洪水受西侧的大广高速公路阻隔，而继续向东北方向演进，进入北金堤滞洪区；48h后，洪水到达金堤河，受北金堤阻挡，洪水沿金堤河向下演进；120h后，洪水到达北金堤起点，滞洪区内的水位持续上升：240h之后，洪水从北金堤沿线的三里营和孟堤口两处溃口进入山东阳谷县境内，之后沿徒骇河和马颊河之间区域向东北方向演进，前锋到达禹城市：480h之后，洪水沿徒骇河进人渤海，最终淹没面积17354.42km2，见图3（a）。

4.2 牛寨

牛寨处堤防发生溃决时，溃口洪水以溃口为中心呈扇形向外扩散，溃堤24h后，洪水到达北金堤并沿金堤河向下游演进；溃堤48h后，洪水淹没范县县城，继续沿金堤河向台前方向演进：溃堤120h后，洪水从北金堤沿线的三里营和孟堤口两处溃口进人山东阳谷县境内；溃堤480h后，洪水沿徒骇河进入渤海，最终淹没面积16474.15km2，见图3（b）。

4.3 廖桥

廖桥处堤防发生溃决时，溃口洪水以溃口为中心呈扇形向外扩散，溃堤6h后，洪水淹没范县县城，前锋即将到达北金堤；溃堤24h后，洪水越过京九铁路，到达台前县城：溃堤48h后，洪水到达北金堤张庄闸，滞洪区內的水位持续上升：溃堤96h后，洪水从北金堤沿线的三里营和孟堤口两处溃口进入山东省的阳谷、莘县境内，前锋到达聊城市；溃堤240h后，部分洪水越过徒骇河到达商河县，沿徒骇河北侧演进：溃堤480h后，部分洪水进入渤海，最终淹没面积15758.56km2，见图3（c）。

4.4 敏感性分析

由于该保护区面积较大，且中华人民共和国成立以来未发生一起溃口决堤事件，因此缺乏实测资料验证本次计算结果。为说明计算结果、合理性，对模型进行敏感性分析，以证明模型选择的参数是合理的，进而也间接证明计算结果是可靠的。敏感性分析是针对模型参数取值的不确定性对模拟结果的影响进行评价，它是建立水动力学模型和合理预测的基础和前提。本文的敏感性分析是通过增大或减小模型中的重要参数——糙率，观察其对主要模拟结果——最终淹没面积的影响，以此判定该关键参数设置的合理性，为确定符合实际的水动力参数提供支撑。

以牛寨溃口为例，设置3个方案进行对比分析：方案一为本次计算采用的糙率值：方案二比方案一增大20%：方案三比方案一减小20%。经过分析计算，方案二和方案三洪水最终淹没面积分别为16302.82和16640.24km2，与方案一相比，方案二淹没面积减小约1.03%，方案三增大约I.Ol%，变化幅度在合理范围内，没有出现明显的增大或减小，说明建模选择的糙率值是合理的，淹没范围是可信的。

5 结论

以黄河下游濮阳段防洪保护区为例，利用MIKF21FM模型建立了平面二维水动力学模型，分析了冯楼、廖桥、牛寨三处发生溃堤后的洪水演进过程，绘制了每个溃口的最大淹没水深分布图。虽然历史上该河段多次决口，但年代久远，缺乏具体的淹没范围数据，无法对模型进行验证。为此，通过对模型的重要参数——糙率进行敏感性分析，表明模型所采用的糙率值是合理的，进而也间接证明了模拟结果是可信的。

濮阳河段河势复杂多变，溃口发生位置极具不确定性，但由上述3个溃口的洪水演进过程可以看出，该河段的溃口洪水都是先进入北金堤蓄滞洪区。如果溃口洪水总量低于北金堤蓄滞洪区的设计分洪总量，则北金堤不会发生溃决，可以利用张庄闸向黄河排洪，淹没范围仅限于蓄滞洪区：否则，北金堤则会出现溃决，洪水进入山东境内的聊城、德州和滨州，最后进入渤海，这种情况的淹没范围明显增大。模拟其他溃口时所用的边界条件都与本研究类似，故本研究建立模型的方法及选用的边界条件可为模拟其他溃口提供借鉴。