大洋河岫巖城市段河道防洪能力評估研究

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）

大洋河岫巖城市段河道防洪能力評估研究

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象，采用MIKE11一維水動力模型進(jìn)行河道水面線計算，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?，河道行洪能力受到不同程度影響。因此，需要定期對河道防洪能力進(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)。最大安全泄量的計算過程需要多次試算，以得出最接近保證水位的對應(yīng)流量，MIKE11模型做為一維水動力模擬軟件，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地區(qū)大洋河岫巖城市段為例，采用MIKE11軟件進(jìn)行計算分析。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 行洪能力計算分析

2.1 MIKE11水動力模型

計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力計算模塊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、水利工程規(guī)劃設(shè)計、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為時間坐標(biāo)，s。

2）方程組的離散

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

2.2 計算條件

1）地形條件

模型計算地形采用2012年汛后實測河道橫斷面，對橋梁、閘壩等水工建筑物以及重點觀測斷面處均設(shè)置了測量斷面，如圖1所示。

圖1 河道測量斷面分布圖

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)計洪水，采用“大洋河流域規(guī)劃報告”成果，對應(yīng)的設(shè)計流量分別為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)率定及驗證

基于以往模型試驗及河床組成顆粒調(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測資料進(jìn)行模型率定與驗證，經(jīng)計算分析，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，將實測水位過程與計算水位過程對比，如圖3所示。模型的計算水位過程與實測水位擬合較好，洪峰水位差為0.05 m，結(jié)果表明所建的計算模型精度較高，可用于防洪能力評估計算。

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)河道實際情況及經(jīng)驗，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)計超高值。右岸堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，設(shè)計超高為1.2 m，左岸防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，設(shè)計超高為0.9 m。采用MIKE11模型，計算不同流量下水位變化，得出計算斷面的防洪能力，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號橡膠壩）左右岸堤防未達(dá)到設(shè)計標(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)生險情，危害較大，應(yīng)按照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加固處理，以滿足原設(shè)計防洪標(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)計標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計標(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)對堤頂進(jìn)行加高，同時編制應(yīng)急預(yù)案，組織臨河村莊進(jìn)行搶險和逃生演練。

為了提高防汛管理效率，根據(jù)重點保護(hù)對象及河道特性，同時考慮交通便利性等因素，選取特征水位觀測點。觀測點可代表一定長度河段，觀測點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應(yīng)的觀測點處水位，即堤段所有堤防在觀測點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）和北洋橋為特征水位觀測點，岫巖站代表D2（五間房村）至D6（3號橡膠壩）河段，北洋橋觀測點代表D6至D8（冷家隈子）河段，觀測點特征水位成果如表2所示。岫巖站代表河段中，D4斷面的泄流能力最弱，因此，作為觀測點岫巖站的保證水位為D4斷面安全下泄流量對應(yīng)的水位，右岸城區(qū)的保證水位為75.5 m。同理，觀測點北洋橋所在河段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號橡膠壩左右兩岸以及D8斷面左岸堤防未達(dá)到設(shè)計標(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。