基于MIKE軟件的海城河洪水風險分析研究

劉 瑤

（遼寧江河水利水電新技術設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110003）

洪水災害是發生最頻繁、分布最廣泛的自然災害，給社會經濟發展及人民生命財產帶來巨大威脅。面對嚴峻的防洪形勢，工程措施難以進一步顯著提高防洪能力的現實情況，編制洪水風險圖并將其應用到洪水風險管理實踐中，對于提高我國江河防洪減災能力、減輕或避免生命財產損失具有重要意義。編制洪水風險圖是實踐治水新思路、建立洪水風險管理制度、開展洪水風險管理的重要基礎支撐，也是國家的前瞻性、戰略性信息基礎建設工作之一。文章基于MIKE軟件，以遼寧省中小河流海城河為例，按河流遭遇超標準洪水時面臨的防洪形勢，開展洪水風險分析，制作洪水風險圖，對于與本研究河流特征相似的洪水風險分析具有借鑒意義。

1 MIKE軟件簡介

MIKE軟件是由丹麥DHI水環境研究所開發的河流模擬系列軟件，包括水動力模型、水質模型、水資源分析、城市水問題等。其中MIKE11（一維）和MIKE21（二維）的動態耦合一、二維水動力模型（MIKE FLOOD）作為洪水分析軟件，在城市內澇、河道洪水、沿海風暴潮洪水研究中應用廣泛。

MIKE FLOOD是一維和二維動態耦合的洪水模擬軟件包，為河流與防洪保護區之間提供了有效的動態連接方式。MIKE FLOOD集合了MIKE11和MIKE21中的元素，并且專門為了洪水模擬改進了功能。這種耦合具有很高的靈活性，使用戶能夠在一維模型中實現二維的局部細化分析。

河道洪水的演進過程采用非恒定流計算，且需要模擬潰堤后水流的平面運動情況，因此可在河道內計算采用一維非恒定流模型，河道外采用平面二維模型。將一維模型與二維模型耦合，可以準確模擬出洪水歷時當中河道內洪水向堤外的擴散演進過程。

2 研究區概況

2.1 河道及防洪工程情況

海城河是太子河左岸支流，發源于遼寧省海城市孤山鎮兄弟山，流經孤山、析木、岔溝、馬風、八里、響堂、海州、興海、鐵西、西柳、東四、中小、望臺、牛莊14個鎮（區），于牛莊鎮北邢家窩棚流入太子河，全長92 km，流域面積1 377 km2。除上游少數區域為山丘地勢外，整個區域地勢以平原區為主，一旦海城河發生潰決，只有部分較高的鐵路和公路能夠阻水，洪水影響區域較大。

本次海城河洪水風險分析范圍為沈海高速公路橋至攔河山段，河段長約16.7 km，其中沈海高速公路橋至東外環橋12.48 km為城區段，東外環橋至攔河山4.23 km為城郊段，見圖1。

圖1 海城河編制區域示意圖

海城河城市段河面較寬，兩岸堤防修建較為完善，堤防現狀為：左岸關帝廟橋下游至沈海高速段堤防防洪標準為20年一遇，上游東外環橋向下游新建2.44 km堤防，防洪標準為50年一遇，東外環橋上游為20年一遇；右岸均建有堤防，防洪標準為50年一遇。

2.2 暴雨洪水

海城河洪水由暴雨形成，洪水與暴雨相應，發生在6～9月，全年最大洪水多發生在7～8月份，尤以8月最多。海城河屬山溪性河流，河道坡降陡，河槽調蓄作用小，急驟強烈的暴雨形成陡漲陡落的洪水。由于一次天氣過程造成的暴雨歷時較短，而且主要暴雨集中于1 d時間內，致使較大洪水多呈單峰型。一次洪水歷時3 d左右，主要集中在1 d時間內，洪峰受暴雨雨型控制。

新中國成立以來，發生20多次洪水。海城水文站出現超2 000 m3/s的洪峰7次，海城站實測最大洪峰流量3 230 m3/s，超過20年一遇，為有記錄以來的第1位，發生在2012年。2012年，受第10號臺風達維影響，8月4日凌晨開始普降大暴雨，海城河流量3 230 m3/s，是有水文記錄以來海城河全流域最大洪水，造成海城河下游5處堤防漫堤決口，損失達36.12億元。

3 模型構建及洪水風險分析

3.1 建模范圍

本次海城河洪水風險分析范圍，為攔河山至沈海高速公路橋段及兩岸保護區。計算中以海城河左、右岸堤防作為一維河道和二維區域的分界線，對計算區域網格進行劃分。通過分析區域的洪水組成并結合斷面測量情況，確定一維河道的計算范圍，為上起攔河山上游約1 km處的實測斷面，下至沈海高速公路下游約1.8 km處的實測斷面。

二維模型范圍包括海城河攔河山至沈海高速公路橋段可能淹沒的區域。海城河左岸編制區以海城河左岸堤防、沈海高速、丹錫高速及部分高地為界；海城河右岸以海城河右岸堤防、太子河支流左岸、沈海高速公路及部分高地為界，編制區域總面積約182.2 km2。

3.2 參數設置及模型率定

模型參數的取值是否合理，對于模型計算結果的精確性至關重要。流域植被，河道坡降，河床地質、河道斷面形式及河道上的建筑物等，都會對河道洪水演進產生影響，因而河道的概化以及參數的選定會影響到洪水演進計算成果。為了使洪水演進計算能較好地模擬流域洪水特征，須通過實際洪水復演計算確定各項計算參數，并分析洪水計算模型概化的合理性。

海城河參數率定時將已有的參數成果作為糙率初值，在此基礎上不斷的調試，以保證各個河段的水位與流量均滿足精度要求。本次采用海城河2012年8月4日實測洪水過程對模型糙率等關鍵參數進行率定，以海城河2012年8月4日實測洪痕作為糙率率定依據，具體結果見圖2。

圖2 沿程水面線計算值與實測值擬合圖

由計算結果可得，模型計算值與實測值符合較好，誤差最大值僅為0.06 m，在合理范圍內，故糙率率定結果可用于其他方案的計算。具體糙率的選取為：直段河道主槽的綜合糙率為0.020～0.035；個別河勢不順直且有挑流及回水現象的斷面綜合糙率為0.025～0.050；河道邊灘地高低不平，阻水較為嚴重，邊灘糙率取0.04～0.06。

3.3 洪水風險分析

根據現場調查及分析，海城河設置中央堡小學及香山公園附近2個潰口，計算洪水頻率選擇超標準洪水。通過模型計算可以得出各個方案下洪水淹沒范圍、淹沒水深等洪水要素。

將海城河2個堤防潰口超標準洪水淹沒計算結果疊加分析，得出最大水深包絡范圍，如圖3所示。

圖3 洪水淹沒范圍圖

從圖中可以看出，海城河研究區域受洪水影響的危險區分布，主要涉及碼頭街道、東柳街道、前柳街道、驗軍街道，最大淹沒水深為4.21 m，最大淹沒范圍為36.7 km2。從淹沒區分布范圍來看，香山公園潰口處地勢高，洪水危險區分布相對較小。而中央堡小學歷史潰口處地勢較為低平，受洪水影響范圍較大，海城河右岸海城市區段防洪標準較低，且地勢較為低平，受洪水影響范圍較大。從社會經濟方面看，香山公園附近潰口淹沒面積較小，因此淹沒農田面積也較小。中央堡小學潰口淹沒影響范圍為人口高度集中的西柳鎮，淹沒影響范圍涉及東柳街道、西柳街道及碼頭街道，因此，該處潰口受影響人口數最多，汛期應重點防護。

4 結語

基于MIKE軟件建構的河道與洪泛區一維二維水動力耦合模型，該模型能綜合反映地形、房屋分布、河流水系、道路和鐵路等下墊面條件對洪水演進的影響，洪水淹沒空間分布合理。通過洪水風險計算分析，得出區域內洪水淹沒水深及范圍分布情況，汛期應加強洪水風險區域防汛管理，研究成果為海城河流域防洪應急預案編制、防洪搶險等工作提供科學依據。研究方法可應用于其它類似河流洪水風險分析中。