基于MIKE21模型的大遼河漫灘洪水淹沒損失分析

吳 旺

(遼寧省水利水電勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110006)

1 概述

大遼河系指渾河、太子河兩河匯流點三岔河起，至入海口止的一段河流(全國第一次水利普查中將其歸為渾河下游段)，先后流經(jīng)海城市、盤山縣、盤錦市、大石橋市、營口市等市縣，河流全長約96km[1- 3]。大遼河地處遼河下游沖積平原，河道蜿蜒曲折，兩岸地勢平坦，屬典型的彎曲型平原河道，河道整體流向為向西南，由三岔河經(jīng)下坎子、石佛、賞軍臺、田莊臺、水源，至榮興農(nóng)場附近，流向折向東南，經(jīng)鴨島進入營口市[4]。大遼河于營口市周圍成一個180°彎后，流入遼東灣。

大遼河全河為感潮河段，大潮可上溯至三岔河以上[5]。自三岔河以下劃分為3段：三岔河至田莊臺為河流段，既受河水控制又受潮水影響；田莊臺至營口為過渡段，主要受潮水控制；營口以下為潮流段，完全受潮水控制[6- 7]。目前，大遼河防洪工程體系已基本建成，兩岸均有連續(xù)堤防。左岸利民閘以上、右岸大碾子公路以上河段防洪標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，對應(yīng)設(shè)計流量為8795m3/s，其中田莊臺以上為防洪堤、以下為防潮堤。左岸利民閘以下、右岸大碾子公路以下為防潮堤，堤頂高程大多高于歷史高潮位[8]。

大遼河兩岸堤距在600～3800m之間，主槽平均寬約500m，河灘地內(nèi)分布有大面積農(nóng)用地，河灘地受淹情況直接關(guān)系到地方經(jīng)濟損失，漫灘洪水流量控制問題一直以來是上游水庫放流及地方防汛預(yù)警關(guān)注的重點難點，分析研究大遼河漫灘洪水的淹沒損失具有很大的指導(dǎo)意義。

2 數(shù)學(xué)模型建立

2.1 計算方法

大遼河為感潮河段，河道主槽蜿蜒曲折，灘地寬窄不一，下游潮差大，水流條件極其復(fù)雜。為更準(zhǔn)確地模擬實際地形和邊界條件，本次計算采用MIKE21 FM二維數(shù)學(xué)模型。此模型是丹麥水力學(xué)研究所(Danish Hydraulic Institute，簡稱DHI)開發(fā)的二維河網(wǎng)模型系統(tǒng)，其精度高、守恒性好、使用方便，廣泛應(yīng)用于水動力模擬研究[9]。MIKE21 FM應(yīng)用在河流、湖泊、河口、海灣以及海洋近岸區(qū)域的水流、泥沙及水環(huán)境的模擬，在模擬二維非恒定流的同時，可進行干濕邊界設(shè)置，方便進行灘地水流模擬[10- 11]。

計算采用MIKE21 FM軟件中的水動力(Hydrodynamic)模塊建立模型，該模塊利用ADI二階精度的有限差分法對動態(tài)流的連續(xù)方程和動量守衡方程求解，計算方法采用ADI(Alternating Direction Implicit)和DS(Double Sweep)格式[12- 14]。

2.2 計算條件

2.2.1地形資料

本次計算地形采用2005年實測1∶10000河道平面地形圖和2011年實測河道橫斷面，模型主槽網(wǎng)格結(jié)合2011年橫斷進行校核修正。模型計算范圍確定為三岔河口—入海口段，兩岸以堤防作為控制。為準(zhǔn)確反映計算區(qū)域的實際地形，對模型中的道路、圍堤等網(wǎng)格進行加密處理。地形網(wǎng)格搭建如圖1所示。

圖1 二維地形網(wǎng)格圖

2.2.2糙率

糙率結(jié)合現(xiàn)狀河道地形地貌、植被情況、灘槽分布情況、河床質(zhì)組成等特性，參考2011年《遼、渾、太、大四河行洪能力分析》成果，并通過與2013年洪痕調(diào)查成果核實重新修訂。本次模型主槽糙率范圍為0.01～0.02，灘地糙率范圍為0.025～0.04。

2.2.3邊界條件

計算流量從200m3/s逐次增大至河灘地完全淹沒，逐次增加量為200m3/s。另外計算50年一遇洪水水面線，對應(yīng)流量為8795m3/s。

通過對大遼河河口1954—2010年共57年的洪潮遭遇情況進行統(tǒng)計分析，其洪潮遭遇不具備關(guān)聯(lián)性，以洪水為主和以潮水為主兩種情況下的河口水位成果見表1。本次為計算大遼河漫灘洪水淹沒情況，綜合考慮，模型起點水位采用以洪水影響為主的洪潮遭遇水位[15]。

表1 大遼河河口潮水位成果表

2.3 計算結(jié)果

2.3.1平灘流量

大遼河河灘地勢較為平坦，灘地橫比降由主槽向堤防方向逐漸變緩，平灘流量統(tǒng)計以灘唇點高程代表平灘高程是合適的，平灘流量即為水位與灘唇點高程基本相平時對應(yīng)的流量。統(tǒng)計各計算斷面灘唇點高程，并結(jié)合大遼河水面線逐級流量計算成果，形成平灘流量成果見表2。

表2 大遼河河道平灘流量成果表

2.3.2保證流量

大遼河兩岸現(xiàn)狀均有連續(xù)堤防，左岸利民閘以上、右岸大碾子公路以上河段堤防經(jīng)過系統(tǒng)整修，防洪標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，堤段以田莊臺為界，以上為防洪堤、以下為防潮堤；左岸利民閘以下、右岸大碾子公路以下堤防未經(jīng)過系統(tǒng)整修，為防潮堤。本次計算大遼河50年一遇洪水水面線(流量為8795m3/s)發(fā)現(xiàn)，沿河堤防基本能滿足原設(shè)計泄洪要求。大遼河各堤段保證流量見表3。

表3 大遼河河道保證流量成果表

3 河道行洪范圍地類劃定

河道行洪范圍地類劃定基礎(chǔ)資料包括2005年1∶1萬河道平面地形圖和2011年實測大遼河河道地類分布圖。

(1)河道主槽邊界及堤防布置均采用2005年1∶1萬河道地形圖成果，大遼河兩岸均有連續(xù)堤防，行洪范圍以兩岸堤防為界。

(2)行洪范圍內(nèi)地類類別及相應(yīng)面積采用2011年實測大遼河河道地類分布圖成果。

統(tǒng)計大遼河河道行洪面積約151428畝，河道主槽面積約31681畝，灘地約119748畝。河灘地地類以水田、旱田、蘆葦、濕地、魚塘為主，其中水田占比最多，約為49%。灘地面積中，荒地約1415畝，旱地約23357畝，水田約58840畝，林地約3739畝，魚塘約10553畝，大棚約4271畝，葦田、濕地約11878畝，其他地類約5694畝。大遼河河道面積及地類面積等見表4。

4 淹沒損失分析

大遼河漫灘洪水淹沒損失主要利用各級流量淹沒線進行圈定，結(jié)合2011年渾河河道外業(yè)調(diào)查地類成果圖將河道淹沒面積細(xì)分至各地類，并按地類地物進行歸納制表。大遼河河道淹沒損失統(tǒng)計成果見表5、圖2。可見，大遼河灘地在200m3/s流量下淹沒面積33079畝，約占灘地面積的28%；至3400m3/s流量下河灘地完全淹沒，淹沒面積119748畝。其中1000～2000m3/s流量區(qū)間淹沒損失隨流量遞增幅度最大，淹沒面積占比從35%急劇增至84%。，平均每2003/s流量增加淹沒面積約10%(約1.2萬畝)。1000～2000m3/s流量區(qū)間中又以1600m3/s和2000m3/s流量淹沒遞增量最大，分別較上級流量增加淹沒面積約2.2萬畝和1.7萬畝。

表4 大遼河河道面積一覽表 單位：畝

5 結(jié)語

本文通過逐級流量計算，分析統(tǒng)計了大遼河不同量級漫灘洪水的淹沒損失，模型計算采用實測資料，充分考慮了跨河建筑物、洪潮遭遇情況等影響因素，并進行了歷史洪痕復(fù)核，具有較高的準(zhǔn)確度和可信度。研究成果可為上游水庫調(diào)度、洪水預(yù)警及洪水風(fēng)險評估等提供參考依據(jù)，研究方法對彎曲型平原河道具有較強的適用性。值得指出的是，本次實測地類時間為2011年，隨著時間推移河道內(nèi)地類若發(fā)生較大面積變化，應(yīng)在本次分析計算基礎(chǔ)上進行相應(yīng)調(diào)整，以確保成果切合實際。