輝發(fā)河干流洪水風(fēng)險(xiǎn)分析

高 鵬，劉 力

輝發(fā)河干流洪水風(fēng)險(xiǎn)分析

高 鵬1，劉 力2

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長春130021；2.丹東市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧丹東118000）

根據(jù)輝發(fā)河洪水特點(diǎn)及防洪工程現(xiàn)狀，分析發(fā)生大洪水的原因及洪水發(fā)生的特點(diǎn)和過程，應(yīng)用MIKE系列軟件模擬一、二維耦合數(shù)值模型，計(jì)算輝發(fā)河的洪水淹沒范圍以及洪水流速，對(duì)輝發(fā)河干流左右岸洪水演進(jìn)模擬結(jié)果進(jìn)行淹沒風(fēng)險(xiǎn)分析，為輝發(fā)河上游的水利工程安全建設(shè)規(guī)劃及防洪評(píng)價(jià)提供重要依據(jù)。

洪水；風(fēng)險(xiǎn)；輝發(fā)河；MIKE FLOOD

1 概況

輝發(fā)河位于吉林省南部，是松花江豐滿水庫以上的一大支流。輝發(fā)河發(fā)源于吉林省清源縣龍崗山脈中段的滾馬嶺，出源后向北流33 km后進(jìn)入吉林省境內(nèi)，流經(jīng)梅河口、輝南、磐石、樺甸等縣市，于樺甸市金沙鄉(xiāng)福星村福安屯匯入松花江（豐滿水庫庫區(qū)）。流域形狀呈扇形，全流域集水面積14 896 km2，河長267 km，其中吉林省境內(nèi)集水面積14 376 km2，河長234 km，河道平均比降0.5‰。

輝發(fā)河上游海龍水庫以上以低山為主，河道窄淺。海龍水庫至山城鎮(zhèn)兩岸為丘陵地帶，河道逐漸變寬，河谷寬500～2 000 m。由山城鎮(zhèn)到梅河口市城區(qū)段河谷寬3 000 m左右。梅河口市到朝陽鎮(zhèn)河谷更加開闊，中間加入蓮河和大沙河，地勢(shì)以丘陵崗地與河谷平地交錯(cuò)分布，谷寬發(fā)展到4 000 m左右，左岸崗坡及支流河谷已開發(fā)為耕地，右岸谷坡較緩，大部分也開墾為耕地。河口段河道兩岸較平坦，有寬廣的河漫灘，均已開發(fā)為水田。

輝發(fā)河流域地處亞洲大陸東端的中緯度地帶，大陸性氣候十分明顯，主要特點(diǎn)是四季分明，春季干燥多風(fēng)，夏季溫?zé)岫嘤辏锛緵鏊缋?，冬季寒冷漫長。多年平均降水量在700～800 mm之間，上游海龍站多年平均降水量為707.4 mm，下游樺甸站多年平均降水量754.6 mm。降水量年內(nèi)分配不均勻，主要集中在6—9月份，站年降水量的70%左右，受降雨影響，河水季節(jié)變化較大。

輝發(fā)河兩岸支流較多，且分布形狀呈樹枝狀河網(wǎng)，兩岸對(duì)稱、平衡發(fā)育，左右岸集水面積大小相當(dāng)，其較大支流有蓮河、大沙河、一統(tǒng)河、三統(tǒng)河、擋石河和金沙河等。

2 洪水特性分析

輝發(fā)河流域洪水均由暴雨產(chǎn)生，一般一年兩汛，春汛和夏汛。造成災(zāi)害的主要是夏汛洪水，由暴雨形成。夏汛洪水主要發(fā)生在6—9月，大洪水主要發(fā)生在7，8月。洪水過程多為單峰，一次洪水過程一般在7 d左右，基本是陡漲陡落，1 d洪量占3 d洪量的40%以上，3 d洪量占7 d洪量的50%以上。

3 防洪工程現(xiàn)狀

輝發(fā)河防洪體系由水庫、堤防組成。輝發(fā)河干流上游有海龍水庫，總庫容3.16×108m3，為輝發(fā)河流域唯一一座大型水庫，但由于其控制流域面積548 km2，僅占輝發(fā)河流域面積的3.7%，對(duì)下游的防洪作用有限。輝發(fā)河干流沿岸的防洪任務(wù)主要由沿岸堤防承擔(dān)。

輝發(fā)河海龍水庫壩下至輝發(fā)河河口，河道總長215.32 km。輝發(fā)河干流堤防多數(shù)是20世紀(jì)70年代修建，1995年大水后進(jìn)行了加固治理，現(xiàn)有堤防長177.55 km，其中左岸堤防長97.92 km，右岸堤防長79.63 km，斷續(xù)分布在河流兩側(cè)，堤距一般300～700 m。

輝發(fā)河農(nóng)村段堤防總長124.59 km，占總堤防長度的70.2%，堤防多修建于20世紀(jì)70年代，修建時(shí)防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，1995年大水后進(jìn)行了加固治理。堤身以壤土為主，局部為礫質(zhì)粗砂，堤基為礫質(zhì)粗砂。城區(qū)段堤防總長52.96 km，規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，梅河口市、輝南縣城區(qū)堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀為50年一遇，樺甸市城區(qū)堤防基本達(dá)到100年一遇標(biāo)準(zhǔn)。

4 洪水風(fēng)險(xiǎn)分析

為了解輝發(fā)河發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水后，沿河漫溢的淹沒范圍、淹沒水深、洪水到達(dá)時(shí)間及洪水在保護(hù)區(qū)內(nèi)的演進(jìn)過程等信息。采用一維非恒定流模型MIKE11模擬河道洪水演進(jìn)過程，采用二維非恒定流模型MIKE21模擬淹沒區(qū)的洪水演進(jìn)過程。采用MIKE FLOOD模型將河道一維非恒定流模型、淹沒區(qū)二維非恒定流模型動(dòng)態(tài)耦合，以模擬漫溢對(duì)編制區(qū)的影響。

4.1 一維水動(dòng)力模型

MIKE11是模擬河口、河流、河網(wǎng)、灌溉系統(tǒng)水流、水質(zhì)、泥沙輸運(yùn)等一維問題的專業(yè)軟件包，其核心部分為水動(dòng)力學(xué)模塊（HD）。模型中描述河道洪水運(yùn)動(dòng)是利用Abbott六點(diǎn)隱式格式求解圣?維南（Saint-Venant）方程組，公式如下：

連續(xù)性方程：

式中：Q為斷面流量，m3/s；A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；q為源匯的單寬流量，m2/s；x，t分別是距離坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo)；h為水深，m；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑，m；g為重力加速度，m/s2；α為動(dòng)量校正系數(shù)。

MIKE11采用的離散方法是Abbott-Ionescu六點(diǎn)有限差分格式，用追趕法求解。計(jì)算時(shí)在網(wǎng)格點(diǎn)按順序交替計(jì)算流量和水位，以其為中心對(duì)控制方程進(jìn)行離散。

洪水分析選用流量過程作為上邊界條件，共設(shè)置了14個(gè)上邊界，分別位于海龍水庫壩下、西河河口以上，以及區(qū)間較大支流西河、梅河、蓮河、大沙河、一統(tǒng)河、三統(tǒng)河、擋石河、蛤蟆河、石道河、富太河、呼蘭河、金沙河河口處，其中海龍水庫壩下的上邊界條件采用海龍水庫各頻率調(diào)洪出庫流量過程，其它為各區(qū)間設(shè)計(jì)流量過程。下游邊界采用豐滿水庫1995年典型同頻率調(diào)洪庫水位過程。輝發(fā)河河道糙率參考《輝發(fā)河防洪規(guī)劃報(bào)告》《吉林省輝發(fā)河重點(diǎn)段治理工程可行性研究報(bào)告》設(shè)計(jì)成果，主槽糙率取值在0.03～0.035之間，灘地糙率取值在0.06～0.09之間。

4.2 MIKE21二維水動(dòng)力學(xué)模型

該模塊屬于平面二維水流模型，適合模擬具有自由表面的港口、河流、湖泊及海洋等，采用二維非恒定流方程組作為控制方程，包括水流連續(xù)性方程、水流沿x方向及y方向的動(dòng)量方程，采用ADI逐行法對(duì)連續(xù)方程及運(yùn)動(dòng)方程分別進(jìn)行時(shí)空上的積分，每個(gè)方向及每個(gè)單獨(dú)的網(wǎng)格線產(chǎn)生的方程矩陣用追趕法求解。

二維非恒定流方程由水流連續(xù)方程和動(dòng)量方程組成，具體形式如下：

式中：h為水深，m；Z為水位，m；u，v為 x，y方向沿垂線平均的水平流速分量，m/s；g為重力加速度，m/s2；n為糙率；q為源匯項(xiàng)，m/s。

MIKE21具有2套空間離散系統(tǒng)，分別是矩形結(jié)構(gòu)和三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。洪水分析采用無結(jié)構(gòu)三角形對(duì)潰堤影響區(qū)域進(jìn)行剖分。區(qū)域總面積約為1 235.4 km2，控制最大網(wǎng)格面積不大于0.04 km2，網(wǎng)格總數(shù)95 784個(gè)，最大網(wǎng)格為0.039 km2。區(qū)域內(nèi)部的橋涵、圩堤、引水渠和路基等建筑物，采用MIKE 21的水工建筑物模塊進(jìn)行概化和模擬。淹沒區(qū)下墊面類型及糙率的選取對(duì)洪水分析結(jié)果有很大影響，依據(jù)收集到的土地利用圖對(duì)區(qū)域地物進(jìn)行概化，將淹沒區(qū)分為村莊、樹叢、旱田、水田、道路、荒地共6種地表類型，對(duì)各類型下墊面糙率分別賦值，見表1。

表1 淹沒區(qū)下墊面糙率表

4.3 一、二維模型耦合

一、二維模型耦合的原理是在兩者的連接斷面處補(bǔ)充物理量之間的關(guān)系，以此實(shí)現(xiàn)兩者的耦合。采用MIKE FLOOD將MIKE11和MIKE21結(jié)果進(jìn)行耦合，耦合方式采用側(cè)向連接，將MIKE的各個(gè)河段的河道兩側(cè)分別于MIKE21的一系列網(wǎng)格單元相連。

4.4 模型率定與驗(yàn)證

選用2010年汛期8月19—27日實(shí)測(cè)洪水過程，對(duì)一維河道模型參數(shù)進(jìn)行率定。以海龍水庫站流量過程作為模型的上游邊界，并根據(jù)實(shí)測(cè)資料計(jì)算海龍水庫站～梅河口站、梅河口站～朝陽站、朝陽站～五道溝站的各區(qū)間流量過程，作為區(qū)間入流過程，以輝發(fā)河河口的水位流量關(guān)系作為模型的下游邊界，通過調(diào)整輝發(fā)河的河床主槽及灘區(qū)的糙率參數(shù)，使得梅河口水文站、朝陽水文站、五道溝水文站處的模擬水位、流量值與實(shí)測(cè)水位、流量過程最大程度地吻合。洪峰流量誤差控制在8%以內(nèi)，最高水位誤差控制在15 cm以內(nèi)。

選用1995年7月23日至8月14日實(shí)測(cè)水文資料對(duì)一維河道模型率定得到的河道糙率成果進(jìn)行驗(yàn)證，洪水漲、落趨勢(shì)與實(shí)測(cè)情況擬合較好，流量過程誤差在20%以內(nèi)，水位誤差不超過20 cm。驗(yàn)證結(jié)果符合要求。

4.5 計(jì)算結(jié)果分析

在潰口流量方面，洪水量級(jí)越大，堤防開始潰堤跑水時(shí)間越早，潰口洪峰流量也越大，相應(yīng)進(jìn)入淹沒區(qū)的水量增加。以城東村潰口為例，20，50，100年一遇洪水潰口洪峰流量分別為310，513，706 m3/s，進(jìn)入淹沒區(qū)的水量分別為3 685×104，7 442×104，10 072×104m3。

在淹沒面積方面，淹沒面積隨河道洪水的洪峰流量增大而相應(yīng)增大。以100年一遇洪水整體漫溢方案為例，20年一遇洪水淹沒面積38.7 km2，50年一遇洪水淹沒面積88.8 km2，100年一遇洪水淹沒面積127.6 km2，20年與50年一遇洪水淹沒面積差異較大，主要為50年一遇洪水多數(shù)農(nóng)村堤段已形成漫溢。

在洪水流速方面，除潰口處、道路下的橋洞及局部洼地等處計(jì)算流速較大外，其它絕大部分區(qū)域最大洪水流速均在0.50 m/s以下。同一潰口淹沒區(qū)的洪水流速隨洪水量級(jí)的增大而增大，且最大流速基本位于同一區(qū)域。

5 結(jié)論與建議

1）分析了輝發(fā)河洪水特點(diǎn)及防洪工程現(xiàn)狀，應(yīng)用MIKE FLOOD軟件一、二維耦合模型模擬了輝發(fā)河干流左右岸30，50，100年一遇洪水演進(jìn)過程，對(duì)洪水淹沒水深和洪水流速進(jìn)行了分析。

2）輝發(fā)河屬于山區(qū)河流，河道狹窄，洪水陡漲陡落，水位變幅大，20年與50年、50年與100年一遇洪水之間最高水位差一般可達(dá)1 m左右，致使輝發(fā)河發(fā)生100年一遇洪水時(shí)，多數(shù)農(nóng)村堤段出現(xiàn)漫堤，堤防失去防洪作用。建議根據(jù)區(qū)域的水文及雨情監(jiān)測(cè)站網(wǎng)，及時(shí)掌握雨情和水情，提前做好沿岸農(nóng)村地區(qū)避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移的準(zhǔn)備。

3）輝發(fā)河沿岸農(nóng)村段防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，城市段防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，現(xiàn)狀堤防尚存在堤頂高程不達(dá)標(biāo)、堤身寬度不夠等問題，特別是農(nóng)村堤段險(xiǎn)工眾多，堤防整體整治十分必要，建議盡快實(shí)施輝發(fā)河重點(diǎn)段治理工程，為輝發(fā)河沿岸地區(qū)居民提供安全提供保障。

［1］修海峰，吳聯(lián)志.基于MIKEⅡ的平原河網(wǎng)洪水演進(jìn)水動(dòng)力研究［J］.南水北調(diào)與水利科技，2012，10（6）：151-154.

［2］王領(lǐng)元.用MIKE對(duì)河流一、二維的數(shù)值模擬［D］.大連：大連理工大學(xué)，2007．

［3］姜俊厚.基于MIKE和GIS洪水風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算的應(yīng)用研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2010．

［4］吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.輝發(fā)河流域防洪規(guī)劃報(bào)告［R］.2000.

［5］吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.吉林省輝發(fā)河重點(diǎn)段治理工程可行性研究報(bào)告［R］.2012.

TV122 < class="emphasis_bold"> ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

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1002—0624（2017）12—0036—03

2016-11-24