盤(pán)錦雙臺(tái)子河汛期防洪水位的數(shù)值計(jì)算

伍成成 ，鄭西來(lái) ，林國(guó)慶

（1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100）

0 引言

遼河進(jìn)入盤(pán)錦境內(nèi)的河段俗稱(chēng)雙臺(tái)子河，是盤(pán)錦市區(qū)各排水出口的唯一外河承泄河道。盤(pán)錦市是全國(guó)31個(gè)重點(diǎn)防洪城市之一，現(xiàn)有堤防總長(zhǎng)593 km。該市地處遼河三角洲平原，地勢(shì)低洼，地面高程在3.0～4.0 m間，地勢(shì)西北高、東南低，由西北向東南傾斜。繞陽(yáng)河位于雙臺(tái)子河右岸，是其第一大支流，在張明甲處匯入雙臺(tái)子河。遼河流域降雨集中于汛期6～9月份，大約占年降雨量的75%。7～8月是降水鼎盛期，兩月占年徑流量50%以上[1]。

為防止潮水倒灌，改善水質(zhì)、提高閘上水位，同時(shí)保證盤(pán)錦地區(qū)上百萬(wàn)畝農(nóng)田灌溉用水，1968年在距河口61.3 km處的盤(pán)山縣修建了攔河閘。攔河閘設(shè)計(jì)泄洪流量5 000 m3/s（20年一遇），其中攔洪閘泄洪3 000 m3/s，溢洪堤分洪2 000 m3/s。該閘修建后，阻截了外海潮流上溯。現(xiàn)狀潮區(qū)界在攔河閘處，閘以下屬感潮段，平均潮差2.7 m，受徑流和潮流雙重影響。河口潮汐類(lèi)型屬于非正規(guī)半日潮，漲落潮每日各兩次，漲潮歷時(shí)3 h 14 min，落潮歷時(shí)9 h 5 min，共歷時(shí)12 h 24 min[9]。自 1984年盤(pán)錦建市以來(lái)，分別于1985年7至8月間，1986年、1994年、1995年、2005年汛期，發(fā)生4次較大的洪水。其中，1995年汛期洪峰流量為4 050 m3/s，是建閘以來(lái)最大洪水，造成直接經(jīng)濟(jì)損失11.86億元[2]。

近30年來(lái)，由于工農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要，河口區(qū)大量開(kāi)采石油和地下水，地面沉降每年降幅達(dá)8～10 mm/a，更加劇了雙臺(tái)子河防洪的嚴(yán)峻形勢(shì)[3]。因此，分析雙臺(tái)子河兩岸現(xiàn)有堤防抵御不同高位洪水的防護(hù)能力，對(duì)保護(hù)城市安全和人民生命財(cái)產(chǎn)至關(guān)重要。本文利用Mike11水動(dòng)力模型，計(jì)算干流河道及其主支流在雙臺(tái)子河上游遭遇高位洪水時(shí)的河道防洪水位，并分析現(xiàn)狀河道的防洪能力，以為雙臺(tái)子河防洪及河堤規(guī)劃提供依據(jù)。

1 水動(dòng)力模型

1.1 控制方程

Mike11河流水動(dòng)力模型是丹麥水力研究所DHI研發(fā)的，目前已在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用[4-7]。其基本控制方程是圣·維南（Saint-Venant）方程組：

式中，A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；Q為流量，m3/s；x為距離坐標(biāo)，m；t為時(shí)間坐標(biāo)，s；h為水位，m；q為旁側(cè)入流流量，m3/s；C為謝才系數(shù)，m0.5/s,C=1/nRy，n為河床糙率系數(shù)；R為水力半徑，m；g為重力加速度，m/s2。

水動(dòng)力方程的離散采用六點(diǎn)隱式（Abbott）差分格式求解，該格式無(wú)條件穩(wěn)定，可以在相當(dāng)大庫(kù)朗數(shù)（Courant number）下保持穩(wěn)定。計(jì)算網(wǎng)格由流量點(diǎn)和水位點(diǎn)交互組成，在邊界水位或流量一致的情況下，運(yùn)用消元法直接求解叉點(diǎn)方程組，得到河網(wǎng)所有叉點(diǎn)的水位，再回代可以求出河道各斷面在各個(gè)時(shí)刻的水位或流量[8]。

1.2 河道概化

在充分掌握天然河道水文資料的基礎(chǔ)上，以主干河道為基礎(chǔ)，考慮主要支流的影響，對(duì)研究區(qū)河網(wǎng)進(jìn)行概化，概化前后河網(wǎng)的水力特性基本一致。本次模擬中雙臺(tái)子河上邊界設(shè)在攔河閘處，下邊界設(shè)在河口三道溝處，總長(zhǎng)61.87 km；支流繞陽(yáng)河將胡家農(nóng)場(chǎng)攔河蓄水處設(shè)為上邊界，下游與雙臺(tái)子河聯(lián)通，全長(zhǎng)31.46 km。河網(wǎng)概化見(jiàn)圖1。

圖1 河網(wǎng)水系概化示意

1.3 參數(shù)率定和驗(yàn)證

水動(dòng)力模型主要率定河道糙率，考慮到模型計(jì)算的穩(wěn)定性和時(shí)間的要求，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為3 min，空間步長(zhǎng)50～200 m，共計(jì)82個(gè)水位計(jì)算點(diǎn)，79個(gè)流量點(diǎn)。計(jì)算條件：攔河閘采用實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)，下游三道溝處采用實(shí)測(cè)潮位數(shù)據(jù)（黃?；鶞?zhǔn)面），繞陽(yáng)河上游因河道被攔，設(shè)為閉邊界。采用2009年張明甲站實(shí)測(cè)水文資料對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定和驗(yàn)證。雙臺(tái)子河糙率系數(shù)為0.008～0.030，繞陽(yáng)河糙率系數(shù)為0.01～0.02（見(jiàn)圖 2、 3）。

圖2 糙率率定時(shí)張明甲站水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較曲線(xiàn)

圖3 糙率驗(yàn)證時(shí)張明甲站水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較曲線(xiàn)

從圖2、3可以看出，驗(yàn)證點(diǎn)處水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好，率定的參數(shù)能正確反映河道阻力特性。

2 感潮河段防洪水位計(jì)算

2.1 方案設(shè)計(jì)

盤(pán)錦城區(qū)的現(xiàn)有防洪工程由攔河閘和兩岸防洪大堤組成。根據(jù)盤(pán)錦市防汛抗旱指揮部于2003年制定的城市防洪預(yù)案，河堤按20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，農(nóng)村段安全超高2.0 m，城市段安全超高2.5 m。攔河閘～繞陽(yáng)河口段尚有部分無(wú)堤段，有堤段左堤25.1 km，右堤29.16 km。由于建閘改變了閘上下游水沙條件，在運(yùn)用方式上又未按設(shè)計(jì)的調(diào)水調(diào)沙方式控制；攔河閘啟用后，上下游河道淤積嚴(yán)重，河床抬升，河槽過(guò)水面積明顯減??；從而降低了攔河閘的泄洪能力和分洪標(biāo)準(zhǔn)，也影響了閘體本身的安全。

盤(pán)錦建成區(qū)內(nèi)一統(tǒng)河和螃蟹溝2條排水明渠，構(gòu)成市區(qū)雨污水主要承泄水體，規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。一統(tǒng)河經(jīng)谷家閘從右岸泄入遼河，螃蟹溝經(jīng)于崗子站從左岸泄入遼河。計(jì)算表明，當(dāng)出現(xiàn)設(shè)計(jì)暴雨時(shí)，產(chǎn)生的雨污水總流量為63.29 m3/s。盤(pán)錦地處遼河下游，地勢(shì)低，河口潮差大，一旦風(fēng)暴潮和上游洪水遭遇，城市防汛形勢(shì)更為嚴(yán)峻。因此，研究雙臺(tái)子河道的現(xiàn)狀防洪能力時(shí)，必須考慮上游洪水位、下游高潮位及強(qiáng)降雨遭遇的情況。

本文分析上游不同頻率洪水、下游高潮位及強(qiáng)降雨遭遇的各種不利水文組合，應(yīng)用Mike11模型計(jì)算雙臺(tái)子河及支流繞陽(yáng)河現(xiàn)狀河道的洪水位（見(jiàn)表1）。方案1～5上游水位為河閘不同頻率設(shè)計(jì)水位和相應(yīng)的流量，下游采用10年一遇的潮位。方案6模擬最不利組合水文情景，上游為雙臺(tái)子河有水文記錄以來(lái)最大洪水，下游采用有記錄以來(lái)實(shí)測(cè)最高潮位。各方案同時(shí)考慮遭遇區(qū)間強(qiáng)降雨（20年一遇）。

表1 雙臺(tái)子河防洪設(shè)計(jì)水位計(jì)算方案

2.2 雙臺(tái)子河

作為干流，雙臺(tái)子河的行洪能力直接影響著盤(pán)錦的城市安全。根據(jù)設(shè)計(jì)的河道防洪水位計(jì)算方案，雙臺(tái)子河攔河閘～三道溝段遭遇不同頻率洪水位及最不利組合時(shí)最高水位包絡(luò)線(xiàn)如圖4、5所示。

從圖4、5可以看出，現(xiàn)狀河道遭遇河閘設(shè)防水位時(shí)，雙臺(tái)子河能抵御洪水。干流遭遇警戒洪水位時(shí)，右堤18+597處洪水溢出。當(dāng)發(fā)生10年一遇以上洪水時(shí)，雙臺(tái)子河干流多處發(fā)生洪水漫堤，已不能抵御更大頻率洪水。當(dāng)河道出現(xiàn)最不利洪水組合情形時(shí)，雙臺(tái)子河0+000～51+418出現(xiàn)險(xiǎn)情。分析表明：現(xiàn)狀河道的防洪標(biāo)準(zhǔn)已低于河閘設(shè)防時(shí)的水位標(biāo)準(zhǔn)，原因可能是上游泥沙增多，閘下淤積嚴(yán)重，河床抬升，過(guò)水面積減小，導(dǎo)致河道防洪標(biāo)準(zhǔn)降低。

圖4 不同頻率洪水位時(shí)雙臺(tái)子河最高水位包絡(luò)線(xiàn)

圖5 最不利組合時(shí)雙臺(tái)子河最高水位包絡(luò)線(xiàn)

2.3 繞陽(yáng)河

繞陽(yáng)河作為雙臺(tái)子河右岸第一大支流，流域內(nèi)分布著遼河油田等重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象，承擔(dān)兩岸農(nóng)業(yè)灌溉、河道防洪的重要任務(wù)。由于繞陽(yáng)河上游在胡家農(nóng)場(chǎng)處被攔截，當(dāng)雙臺(tái)子河遭遇上游高位洪水及下游高潮位時(shí)，不可避免地會(huì)對(duì)繞陽(yáng)河產(chǎn)生影響。雙臺(tái)子河遭遇不同頻率洪水及最不利洪水組合方案時(shí)，繞陽(yáng)河河道最高水位包絡(luò)線(xiàn)如圖6、7所示。

圖6 不同頻率洪水位時(shí)繞陽(yáng)河最高水位包絡(luò)線(xiàn)

圖7 最不利組合時(shí)繞陽(yáng)河最高水位包絡(luò)線(xiàn)

從圖6可以看出，雙臺(tái)子河發(fā)生警戒水位洪水時(shí)，由于繞陽(yáng)河左堤177+06～31+458段兩岸河堤高程低，部分堤段洪水漫溢。雙臺(tái)子河上游洪水位達(dá)到設(shè)防水位時(shí)，繞陽(yáng)河14+788樁位下洪水漫溢，部分河堤洪水超高0.6 m。隨著雙臺(tái)子河洪水位增大，繞陽(yáng)河的防洪形勢(shì)愈加嚴(yán)峻，部分堤段水位超高大于2 m。從圖7可見(jiàn)，在最不利組合洪水情況下，由于遭遇高位洪水和高潮，繞陽(yáng)河已不能抵御洪水，洪水淹沒(méi)范圍擴(kuò)大。一旦發(fā)生高位洪水，洪水漫堤，將對(duì)沿河兩岸造成重大損失。

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用Mike11水動(dòng)力模型建立了盤(pán)錦雙臺(tái)子河口感潮段水動(dòng)力學(xué)模型，針對(duì)雙臺(tái)子河及繞陽(yáng)河現(xiàn)狀河道，重點(diǎn)分析了當(dāng)遭遇上游不同頻率洪水、下游高潮位及區(qū)間強(qiáng)降雨的各種不利組合時(shí)河道最高洪水位；同時(shí)，以建攔河閘后的1995年汛期最大洪水為例，分析了現(xiàn)狀河道的最高防洪設(shè)計(jì)水位。結(jié)果表明：由于河道淤積，加之堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)較低，當(dāng)遼河上游來(lái)水較大時(shí)，雙臺(tái)子河和繞陽(yáng)河的現(xiàn)狀河道不足以抵御高位洪水。因此，亟需疏浚河道，加高培厚河堤，增大河道的行洪能力。

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