黄河下游北金堤滞洪区洪水演进模拟及风险分析

倪菲菲,李利琴,曹 魁

(河南黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003)

北金堤滞洪区位于黄河下游高村-陶城铺宽河段转向窄河段的过渡段的左岸，在黄河大堤与北金堤之间。该滞洪区1951年由国务院批准兴建，是处理黄河下游超标准洪水的重要措施，是黄河下游“上拦下排，两岸分滞”[1]防洪工程体系的重要组成部分，在黄河防洪体系中具有不可替代的作用和地位。加快滞洪区建设步伐，不仅关系到滞洪区内100多万人民群众及沿黄广大人民群众的生命财产安全，还关系到整个黄淮海平原的安危，国家稳定的大局[2]。

1951年，根据政务院“关于预防黄河异常洪水的决定”，黄河下游开辟兴建北金堤滞洪区，当时的分洪口门设在长垣县孟岗石头庄，采用溢洪埝形式，设计分洪流量5100m3/s。经过对海河“63.8”、淮河“75.8”暴雨移置与充分论证，为了适时适量和安全可靠分滞黄河洪水，1976年国务院批准新建渠村分洪闸，较石头庄溢洪堰下移了28km，改建后的北金堤滞洪区设计分洪能力10000m3/s，可有效地分滞黄河洪水20亿m3，退水口门设在台前县的张庄闸。

北金堤滞洪区的洪水演进分析最近的也是“八五”攻关期间开展的“黄河下游滩区、分滞洪区风险分析和减灾研究”[3]，鉴于北金堤滞洪区从未启用，多年来滞洪区内修建很多非防洪工程，地形地貌发生较大变化，滞洪区滞洪淹没情况可能发生变化，且20世纪80年代以来，北金堤堤防上段被侵占严重，堤防管理困难，堤防工程年久失修，该堤段在滞洪运用时的临河水深将发生变化，可能会对防止洪水北侵造成不利影响，因此，开展滞洪区洪水演算模拟研究非常必要的。

1 北金堤滞洪区概述

1.1 北金堤滞洪区现状

北金堤滞洪区地处黄泛平原，是古黄河与现代黄河之间的低洼地带，黄河历史演变情况如图1所示，属于黄河一级支流金堤河流域。北金堤滞洪区淹没范围[4]包含河南、山东2省3市63个乡(镇)。全区上宽下窄，状如羊角，长171km，宽7～40km，总面积2316km2。区内地势西高东低，平均比降l/5000。区内现状人口205.07万，耕地241.23万亩。

图1 黄河历史演变图

1.2 北金堤滞洪区运用方式

北金堤滞洪区的运用方案，根据不同时期的防洪任务和河道排洪能力，由黄河防汛总指挥部拟定，滞洪运用时须报经国务院批准。

1963年国务院《关于黄河下游防洪问题的几项决定》中明确规定：当花园口发生超过22000m3/s洪峰时，应利用长垣县石头庄溢洪堰或河南其它地点分洪，以控制孙口流量最多不超过17000m3/s[2]。

1985年6月，国务院批转水利电力部《关于黄河、长江、淮河、永定河防御特大洪水方案报告的通知》中确定：花园口站发生22000m3/s以上至30000m3/s时，除利用东平湖滞洪外，还要根据情况，确定是否开放北金堤滞洪区。

小浪底水库建成后，与其它三库联合调度运用，可将花园口1000年一遇洪水由42300m3/s削减至22600m3/s。当发生1000年一遇及其以上洪水，充分利用水库拦洪后，花园口站洪峰流量仍超过22000m3/s，并预测孙口站可能超过17500m3/s，北金堤滞洪区在高村站流量达20000m3/s时开始分洪[5]，分洪后控制黄河流量不超过17500m3/s。

北金堤滞洪区分洪启用时，渠村分洪闸将以10000m3/s流量开闸分洪，洪水将自南向北演进，主流沿回木沟、过金堤河经20h左右抵达滑县四间房乡，历经约121h后，由台前县张庄闸退入黄河。

北金堤滞洪区滞洪后，退水方式采用高水自流入黄，即利用张庄闸泄水及在闸北端堤防破口300m泄水入黄。低水可利用已建成的电排站抽水入黄。

根据“黄河下游滩区、分滞洪区风险分析和减灾研究”模拟洪水演进成果，渠村闸分洪20亿m3作为北金堤滞洪区滞洪时的典型洪水，对滞洪区内洪水演进情况及其特性进行研究。根据滞洪区内不同位置滞洪水位、最大淹没水深、淹没历时等技术指标，评定各区域的洪水风险程度，以此划分为10个区域。

目前北金堤滞洪区从未使用，考虑到滞洪区内涉及人口众多，随着小浪底水库的运用，北金堤滞洪区的分洪运用几率为近1000年一遇，但仍为黄河防洪减淤体系[6]总体布局的重要组成部分，为保留滞洪区，在黄河下游发生超标准洪水时，是采取的“牺牲局部，顾全大局”的一项临时(或应急)分洪措施[7]。

1.3 北金堤滞洪区防洪工程

北金堤滞洪区防洪工程主要包括北金堤、渠村分洪闸、张庄退水闸、群众避洪工程及撤退道路桥梁等。位置图如图2所示。

图2 北金堤滞洪区防洪工程位置图

北金堤修建于汉代，距今约1900多年。是东汉时期的黄河南堤，1855年铜瓦厢决口后，成为黄河北岸大堤，北金堤滞洪区开辟以后，成为滞洪区的北边围堤。经1978—1979年培修后，现状北金堤堤防上起河南省安阳市滑县白道口镇，下至山东省阳谷县陶城埠，长为158.585km，相应桩号为-(35+250)～120+335、0+000～3+000。北金堤作为金堤河的左岸堤防，1+500处以下堤段紧靠金堤河河道。在北金堤和金堤河之间修建北小堤和南小堤，北小堤长23.5km，南小堤长83km。

渠村分洪闸(相应黄河大堤桩号为47+776～48+525)是在黄河发生特大洪水时，向北金堤滞洪区分洪的大型工程，设计最大分洪流量10000m3/s，为Ⅰ级建筑物，工程总长209.5m，总宽749m，共分56孔。

张庄入黄闸(相应黄河大堤桩号为193+895)位于河南省台前县境内金堤河与黄河交汇处临黄大堤上，张庄退水闸既是北金堤滞洪区滞洪洪水的入黄闸，又是金堤河涝水的入黄闸，其主要功能除排涝外，还可挡黄、滞洪退水、倒灌分洪。该工程属1级水工建筑物，最大排涝流量为620m3/s，设计滞洪退水和倒灌分洪流量均为1000m3/s，最大排涝流量6200m3/s。

1.4 北金堤滞洪区主要非防洪工程

北金堤滞洪区内主要非防洪工程包括京开高速公路(又名大广高速)、郑济高铁、濮范高速公路、德商高速、阳新高速、濮卫高速、京九铁路、汤台铁路、山西中南部铁路通道工程9处大型公路铁路工程和引黄入冀补淀工程。道路工程均采用填土路基的方式穿越北金堤滞洪区，引黄入冀补淀工程河南段内全长约84km，在第三濮清南干渠基础上改建而成。位置图如图3所示。

图3 北金堤滞洪区主要非防洪工程位置图

2 滞洪区洪水演进模拟

本次模拟采用二维非恒定流洪水演进数学模型，对北金堤滞洪区的洪水演进过程进行模拟[8]。

2.1 地形处理

鉴于多年来地形地貌的变化，本次在八五攻关成果的基础上建立二维洪水演进模型。根据河南省测绘局2017年实测的北金堤滞洪区地形图(1∶10000)，结合实地调查，主要是近年来新增的规模较大的路、桥要加入地形中，确定模型采用的滞洪区的地形，生成计算区域的数字高程模型(DEM)。道路和渠堤等，除各道路沿线设置的特大桥、中型桥外等过流通道外的路基部分，均概化为不过水的“墙”(Wall)，并沿其走向对网格进行加密。

地形数据经处理后生成闭合水陆边界线(BJ.xyz文件)如图4所示，和高程散点数据(piont.xyz文件)如图5所示，然后导入网格生成器(mesh generator)。计算区域内地形比较复杂，为了合理布置计算网格，本文采用Delaunay三角化法对计算区域进行网格划分，并在工程位置附近进行了加密[9- 16]，如图6所示。

图4 滞洪区边界图

图5 滞洪区高程图

图6 北金堤为边界的滞洪区网格剖分图

2.2 边界条件及参数选取

模型计算范围确定后，根据滞洪区地理位置、构筑物、地形及使用方式等情况，确定模型计算的边界条件和参数。

2.2.1 流量及计算时间

本次研究的主要研究方法为建立北金堤滞洪区洪水运动模型，采用二维非恒定流洪水演进数学模型，对北金堤滞洪区洪水演进过程进行模拟，模型计算条件采用“八五”攻关成果的计算条件，即黄河下游发生2000年一遇洪水，渠村闸最大分洪量10000m3/s，计算时间为10d(240h)，分洪总量20亿m3，与金堤河7亿m3来水同时相遇。安全起见，本次计算不考虑张庄闸退水。

渠村闸分洪时，渠村闸分洪流量过程线如图7所示。金堤河入流模拟从道口、濮阳、高堤口、张庄4个点入流，各分洪量按定值200m3/s。

图7 渠村闸分洪流量过程线

2.2.2 糙率选取

黄河下游洪水由于含沙量高的缘故，主槽糙率一般低于其他河流，汛期主槽糙率一般分布在0.006～0.015之间。由于糙率变化的影响因素比较复杂，目前尚难建立糙率与二维模型中的可利用变量的关系，如流量、含沙量、水深等之间的关系，为此主槽糙率取常数0.01。

滩地上的糙率按通用的惯例赋值，村庄0.07，旱地0.06，水田0.05。

2.2.3 其余参数

干湿边界和涡粘系数等指标采用默认值，不考虑风浪、温度等因素的影响。

3 洪水演进计算结果分析

3.1 模型验证

选取“八五攻关”成果进行模型验证和分析，以渠村闸分洪20亿m3，金堤河入流7亿m3为输入。以北金堤堤防滞洪水位为调整目标，进行洪水演进验证。

根据北金堤滞洪区洪水运动模型成果，在使用北金堤滞洪区分洪时，滞洪区内的洪水演进过程与“八五攻关”成果基本一致。因多项非防洪工程的建设与地形地貌的改变，主要变化为大广高速西北区域(左侧)滞洪能力下降。

3.2 演进分析

根据选定的计算范围和条件，经计算得到北金堤滞洪区不同时段(第16、第72、第240h)的水深、流速分布图，以及各特征点的水深、流速值变化过程。

从0时刻起，北金堤滞洪区由渠村闸开始向滞洪区分洪，流量为3000m3/s，至第16h，入流量达到最大分洪量10000m3/s，期间金堤河从道口、濮阳、高堤口、张庄4点开始入流，各分洪流量为定值200m3/s。至第16h末，滞洪区工程前后水深、流速分布见图8—9。根据计算此时滞洪区入洪量为4.25亿m3。

图8 第16小时末滞洪区水深分布图(单位：m)

图9 第16小时末滞洪区流速分布图(单位：m/s)

第16h时达到10000流量，之后到第61h时，流量保持不变，不再叙述，之后第61～72h，渠村闸分洪流量减至0，金堤河继续入流，流量保持800m3/s。至第72h末，滞洪区工程前后水深、流速分布见图10—11。此时滞洪区入洪量为22.39亿m3。

图10 第72小时末滞洪区水深分布图(单位：m)

第72h后，渠村闸关闭不再分洪，洪水在滞洪区内继续推进，金堤河继续入流流量800m3/s，直至第240h末。此时滞洪区的总滞洪量为27亿m3，滞洪区工程前后水深、流速分布图如图12—13所示。

由图可知，第16h，受金堤河高堤口入流点影响，北金堤-(3+000)～1+800沿线部分堤段被淹没，淹没深度全部在1m以下，流速在0.3m/s以下。

第72h，北金堤-(35+250)～1+800大部分堤段被淹没，-(25+500)～1+800淹没深度在1～2m；流速在0.1～0.2m/s间。

第240h，由于渠村闸关闭以后，洪峰过程继续在滞洪区内行进，当洪峰到达滞洪区末端后，-(35+250)～1+800沿线堤段部分区域的洪水开始消退，露出地面。

3.3 北金堤堤防风险分析

根据北金堤滞洪区洪水运动模型成果，滞洪区蓄洪水深情况见表2—3。由此可见，大广高速以上堤防，主要涉及滑县白道口至濮阳县南堤村，在滞洪工况下，堤防所承担的滞洪任务下降，如图14—15所示，大广高速以上堤段(桩号-35+250～-15+600)最大水深仅0.8m，结合实测地形，该区域地形地貌变化较大，现状地势较高，加上该段堤防未整体偎水，滞洪压力很小。大广高速以下堤段仍需要承担滞洪作用。

表2 北金堤滞洪区风险分区及相应水流特性

表3 北金堤滞洪蓄水情况统计表

4 结语

根据北金堤滞洪区洪水演进模拟成果，在渠村闸分洪总量20亿m3，金堤河入流7亿m3为条件下，北金堤滞洪区可在黄河下游超标准洪水条件下有效承担滞洪作用，自“八五攻关”以来，北金堤滞洪区地形地貌变化致大广高速西北区域滞洪能力下降。结合这部分区域经济发展的情况，在不影响北金堤滞洪区分洪总量的前提下，可将该区域有序的调整出北金堤滞洪区域，大力发展经济，提高当地的经济发展能力。下一步应对北金堤滞洪区大广高速的涵洞和桥梁进行防洪封堵方案研究，为调整北金堤滞洪区提供可操作性的防洪方案，既满足防洪需要，又促进地方的经济发展。