大洋河岫巖城市段河道防洪能力評(píng)估研究

2016-08-04 09:57:58馮金鵬遼寧省水利水電科學(xué)研究院遼寧沈陽110003

東北水利水電 2016年6期

馮金鵬（遼寧省水利水電科學(xué)研究院，遼寧沈陽110003）

馮金鵬
（遼寧省水利水電科學(xué)研究院，遼寧沈陽110003）

［摘要］為探清河道的防洪能力，以大洋河岫巖城市段為研究對(duì)象，采用MIKE11一維水動(dòng)力模型進(jìn)行河道水面線計(jì)算，根據(jù)防汛警戒水位及保證水位確定原則，結(jié)合不同頻率洪水組合的水位計(jì)算結(jié)果，得出不同斷面的特征水位以及保證流量。通過河道現(xiàn)狀防洪能力分析，得出過流能力較弱的河段，為防洪工程建設(shè)及兩岸防洪安全提供科學(xué)依據(jù)。

［關(guān)鍵詞］MIKE11；防洪能力；特征水位；大洋河

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工程建設(shè)的增多，許多涉及河道的工程如橋梁、閘壩、航道、采砂等對(duì)河道水流的影響日益嚴(yán)重。河道上游水土流失，下游泥沙淤積、河底增高，河道阻水建筑物的增多，侵占了過水?dāng)嗝妫拥佬泻槟芰κ艿讲煌潭扔绊?。因此，需要定期?duì)河道防洪能力進(jìn)行分析，以了解河道可安全通過的最大流量，確定河段防汛警戒水位和保證水位，為防洪應(yīng)急預(yù)案制定提供依據(jù)。最大安全泄量的計(jì)算過程需要多次試算，以得出最接近保證水位的對(duì)應(yīng)流量，MIKE11模型做為一維水動(dòng)力模擬軟件，其模型參數(shù)及邊界條件調(diào)節(jié)方便。

1 河道概況

大洋河發(fā)源于遼寧省鞍山市岫巖縣偏嶺鎮(zhèn)，全長182 km，流域面積6 554 km2，河道平均比降0.721‰，于東港市黃土坎鎮(zhèn)南注入黃海，為獨(dú)流入海河流。大洋河流域洪水主要由暴雨產(chǎn)生，多集中于7，8月份。2012年，受臺(tái)風(fēng)影響，多地出現(xiàn)致災(zāi)暴雨，大洋河岫巖水文站洪峰流量為4 380 m3/s，為有記錄以來第一位，重現(xiàn)期超過50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，多處發(fā)生堤防漫溢或潰決，洪災(zāi)損失嚴(yán)重。洪水過后，河道地形沖淤變化，有必要進(jìn)行汛后地形測(cè)量，重新復(fù)核河道防洪能力，提出有效的防洪措施。

此次研究選取防洪重點(diǎn)地區(qū)大洋河岫巖城市段為例，采用MIKE11軟件進(jìn)行計(jì)算分析。該段由冷家隈子至雅河匯合口上游，河道長約10.8 km，兩岸均建有堤防，右岸為岫巖縣城主城區(qū)，堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，左岸堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。

2 行洪能力計(jì)算分析

2.1 MIKE11水動(dòng)力模型

計(jì)算模型采用丹麥水力環(huán)境研究所（DHI）開發(fā)的MIKE系列軟件中的一維水動(dòng)力計(jì)算模塊MIKE11（HD）。MIKE11主要用于河流、河網(wǎng)等的水量水質(zhì)模擬，在洪水預(yù)報(bào)、水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、水資源管理等方面得到廣泛應(yīng)用。

1）控制方程

MIKE11以求解圣維南(Saint-Venant)方程組為理論基礎(chǔ)，方程組形式：

式中：Q為流量，m3/s；A為斷面面積，m2；h為水深，m；C為謝才系數(shù)；α為動(dòng)量校正系數(shù)；R為水力半徑，m；g為重力加速度，m/s2；x為距離坐標(biāo)，m；t為時(shí)間坐標(biāo)，s。

2）方程組的離散

利用六點(diǎn)Abbott-Ionescu隱式格式離散圣維南方程組，按順序交替計(jì)算每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的水位和流量。

2.2 計(jì)算條件

1）地形條件

模型計(jì)算地形采用2012年汛后實(shí)測(cè)河道橫斷面，對(duì)橋梁、閘壩等水工建筑物以及重點(diǎn)觀測(cè)斷面處均設(shè)置了測(cè)量斷面，如圖1所示。

圖1 河道測(cè)量斷面分布圖

2）邊界條件

上游流量邊界選用岫巖水文站設(shè)計(jì)洪水，根據(jù)兩岸堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)選擇20年一遇及50年一遇設(shè)計(jì)洪水，采用“大洋河流域規(guī)劃報(bào)告”成果，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)流量分別為2 950 m3/s和4 050 m3/s。下游邊界選用雅河入?yún)R口上游水流平順段的水位流量關(guān)系，如圖2所示。

圖2 下邊界水位流量關(guān)系曲線圖

3）模型參數(shù)率定及驗(yàn)證

基于以往模型試驗(yàn)及河床組成顆粒調(diào)查分析，該段河道糙率為0.030～0.045。近年來大洋河發(fā)生較大洪水的年份有1982，1994，2012年，選取這幾年的洪水過程實(shí)測(cè)資料進(jìn)行模型率定與驗(yàn)證，經(jīng)計(jì)算分析，確定大洋河岫巖段糙率取值為0.04。以2012年“8·4”洪水岫巖水文站為例，將實(shí)測(cè)水位過程與計(jì)算水位過程對(duì)比，如圖3所示。模型的計(jì)算水位過程與實(shí)測(cè)水位擬合較好，洪峰水位差為0.05 m，結(jié)果表明所建的計(jì)算模型精度較高，可用于防洪能力評(píng)估計(jì)算。

圖3 2012年岫巖站水位過程比較圖

2.3 防洪能力分析

此次防洪能力分析主要進(jìn)行防汛特征水位的確定，包括警戒水位及保證水位。根據(jù)河道實(shí)際情況及經(jīng)驗(yàn)，警戒水位采用洪水位到達(dá)堤腳或漫過堤腳以上0.5～1.0 m水位作為警戒水位，保證水位為堤頂高程減去堤防設(shè)計(jì)超高值。右岸堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，設(shè)計(jì)超高為1.2 m，左岸防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，設(shè)計(jì)超高為0.9 m。采用MIKE11模型，計(jì)算不同流量下水位變化，得出計(jì)算斷面的防洪能力，結(jié)果如表1所示。

表1 大洋河干流岫巖縣城段防洪能力基本情況表

D4斷面（2號(hào)橡膠壩）左右岸堤防未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，其中右岸應(yīng)為50年一遇標(biāo)準(zhǔn)，左岸應(yīng)為20年一遇標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)狀左右岸都未達(dá)到20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)。此段為城市段，洪水期易發(fā)生險(xiǎn)情，危害較大，應(yīng)按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加固處理，以滿足原設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)，并在汛期加強(qiáng)人員巡視。

D8斷面（冷家隈子城市段末端）左岸堤防未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，現(xiàn)狀未達(dá)標(biāo)。此段堤防背水側(cè)為農(nóng)田，距離最近村莊為冷家隈子村，村莊依山而建，應(yīng)對(duì)堤頂進(jìn)行加高，同時(shí)編制應(yīng)急預(yù)案，組織臨河村莊進(jìn)行搶險(xiǎn)和逃生演練。

為了提高防汛管理效率，根據(jù)重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象及河道特性，同時(shí)考慮交通便利性等因素，選取特征水位觀測(cè)點(diǎn)。觀測(cè)點(diǎn)可代表一定長度河段，觀測(cè)點(diǎn)處保證水位為其代表段堤防能夠安全下泄的最小洪峰流量所對(duì)應(yīng)的觀測(cè)點(diǎn)處水位，即堤段所有堤防在觀測(cè)點(diǎn)超過此水位前均可保證其防洪安全。選定岫巖站（青洋橋附近）和北洋橋?yàn)樘卣魉挥^測(cè)點(diǎn)，岫巖站代表D2（五間房村）至D6（3號(hào)橡膠壩）河段，北洋橋觀測(cè)點(diǎn)代表D6至D8（冷家隈子）河段，觀測(cè)點(diǎn)特征水位成果如表2所示。岫巖站代表河段中，D4斷面的泄流能力最弱，因此，作為觀測(cè)點(diǎn)岫巖站的保證水位為D4斷面安全下泄流量對(duì)應(yīng)的水位，右岸城區(qū)的保證水位為75.5 m。同理，觀測(cè)點(diǎn)北洋橋所在河段D8斷面的泄流能力較弱，左岸保證水位為79.63 m。

3 結(jié)論

應(yīng)用MIKE11構(gòu)建了大洋河岫巖城市段水力數(shù)值模型，進(jìn)行河道防洪能力分析，結(jié)果合理可靠。防洪能力分析結(jié)果表明，岫巖城市段經(jīng)多年治理，總體堤防狀況較好，過流能力較好，但在2號(hào)橡膠壩左右兩岸以及D8斷面左岸堤防未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，過流能力較弱，應(yīng)盡快采取工程措施，提高防洪能力。