基于MIKE11水動力模型的大洋河丹東有堤段行洪能力分析

馮金鵬

摘要：河道現(xiàn)狀行洪能力是河道所在地區(qū)防洪安全的核心，也是防汛主管管部門汛期指導防汛的重要依據(jù)。為分析大洋河丹東有堤段的行洪能力，采用水動力模型MIKE11計算、模擬河道及河網(wǎng)的一維洪水演進過程，準確判斷其行洪能力，為保護沿岸居民防洪安全提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：行洪能力；MIKE11模型；模擬；一維洪水演進

中圖分類號：TV143 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）03-0030-03

1 大洋河丹東段河道概況

大洋河上游分東、西兩支，西支為東洋河，發(fā)源于岫巖縣西北部的唐望山，海拔928.9 m；東支為哨子河，發(fā)源于岫巖縣北部的古洞嶺，海拔937.8 m。兩支流在哨子河鄉(xiāng)匯合后稱為大洋河，先后納入亮子河、土牛河、小洋河和雙岔河，于東港市黃土坎鄉(xiāng)南注入黃海，河道長182 km，流域面積6 554 km2。大洋河現(xiàn)狀堤防不連續(xù)，干流洋河閘以下至入?？诙蝺砂督ǔ蛇B續(xù)堤防，其他段堤防主要分布在干流沿河村莊段和支流沿河村屯地勢較低處。2012年“804”暴雨洪水發(fā)生后，大洋河流域為重災區(qū)，洪峰過后，河道有所改變，河床、河岸極不穩(wěn)定，給防洪安全帶來極大威脅。

現(xiàn)主要研究大洋河干流洋河閘以下，即洋河閘以下至入?？诙危S土坎大橋以下為感潮段，受潮位控制）。該河段防洪標準20年一遇。左右岸都已經(jīng)建好堤防工程，沿岸村屯較多，現(xiàn)狀堤頂寬4～6 m，邊坡1.0︰2.5。其中跨河橋梁有3座，分別為黃土坎大橋、高速路特大橋和老洋河橋。

2 計算模型

MIKE11河流模型采用的是水動力學模型（HD模型），即眀渠不穩(wěn)定流隱式格式有限差分解。其差分格式采用了六點中心隱式差分格式（Abbott）格式，數(shù)值計算采用傳統(tǒng)的“追趕法”，即“雙掃”算法。該模型可以對不同地區(qū)的水流條件及亞臨界水流，或者從陡峭山區(qū)性河流到感潮河口的各種垂向均質(zhì)水流條件進行模擬。此外，在進行完全水動力學模擬的同時，還可以進行各種簡化水流模擬，如擴散波、運動波及準穩(wěn)定流計算。其控制方程組和方程組的離散如下。

2.1 控制方程組

MIK11水動力學模型的微分方程即圣維南（Saint-Venant）。方程組的基本假定是：不可壓縮、均質(zhì)流體；基本是一維流態(tài)；坡降小、縱向斷面變化幅度??；靜水壓力分布。

連續(xù)方程為：

+=q+δQc （1）

運動方程為：

+=-gA-gA （2）

式中：S，t分別代表空間與時間坐標；A代表河道過水斷面面積；Q代表斷面流量；q代表均勻旁側(cè)入流；Qc代表集中旁側(cè)入流；δ為Diracδ；z代表水位水量，K代表流量模數(shù)，由謝才公式計算。

2.2 方程組的離散

利用Abbott六點隱式格式離散上述控制方程組。該離散格式在每一個網(wǎng)格節(jié)點并不同時計算水位和流量，而是按順序交替計算水位和流量，分別稱為h點和Q點（圖1所示）。該格式為無條件穩(wěn)定，可以在相當大的Courant數(shù)下保持計算穩(wěn)定，取較長的時間步長以節(jié)省計算時間。

3 模型率定

考慮到資料的時效性及完整性，為準確分析大洋河的現(xiàn)狀行洪能力，計算橫斷面及1︰1萬平面圖均采用2012年汛后實測資料。通過不斷調(diào)整模型中的糙率，充分考慮包括灘槽劃分、地形（包括魚塘、沙坑、灘地構(gòu)筑物等）等諸多影響因素，參考2012年實測河底及平面地形等，結(jié)合對比沿程水文、水位站2012年實測水位流量關(guān)系，最終復核得到與2012年洪水期較為接近的數(shù)學計算模型。綜合糙率為0.024～0.028。

4 計算成果

MIKE11計算一維非恒定流需要的邊界條件包括2個，即下游的水位過程和上游的流量過程。

大洋河干流洋河閘以下至入海口段上邊界條件為洋河閘設(shè)計的閘下水位流量關(guān)系，下游邊界為大洋河入?？诓煌l率潮位關(guān)系。計算流量均采用2012年“804”洪水實際洪水過程。水力計算采用大洋河沿程的水文及水位站計算成果。計算斷面的2010年洪水過程線及邊界條件斷面的水位流量關(guān)系曲線見圖2—4，計算成果見表1。

5 薄弱環(huán)節(jié)分析

5.1 有堤段薄弱環(huán)節(jié)分析

計算結(jié)果表明：黃土坎大橋以上右岸堤防僅荒地、冰窖（地名）斷面達到20年一遇設(shè)計防洪標準，其余斷面均未達到20年一遇設(shè)計防洪標準；左岸只有冰窖斷面至上游高速路特大橋之間的4個斷面達到設(shè)計防洪標準，其余斷面未達到20年一遇設(shè)計防洪標準。

此段堤防主要在農(nóng)業(yè)學大寨時期修建，屬于趕工完成，技術(shù)標準低，工期急，后期維護少，造成堤防基本都達不到20一遇洪水標準。經(jīng)復核，現(xiàn)在此段堤防基本能達到10年一遇洪水標準。建議地方水利相關(guān)單位組織設(shè)計施工單位按照設(shè)計防洪標準進行加固處理并在汛期加強人員巡視，確保薄弱環(huán)節(jié)汛期安全。

5.2 無堤段臨河村屯防洪安全分析

為大洋河丹東段防洪安全考慮，將大洋河丹東段無堤段臨河村屯（地面高程高于10年一遇洪水位5 m以上的村屯未列入表格）地面高程與設(shè)計洪水位進行對比分析，成果見表2。

從表2中可以看出，勤儉屯地面高程高于10年一遇洪水位低于20年一遇洪水位，張粉房和小塔子兩村部分民居地面高程低于5年一遇洪水位，但是這3個村屯都依山而建，發(fā)生洪水時避險非常方便，逃險距離不超過50 m。因此，相關(guān)部門只需強化前期預警預報、汛期組織搶險及救援救助等工作即可。

參考文獻

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