基于MIKE軟件的海城河洪水風(fēng)險(xiǎn)分析研究

劉 瑤

（遼寧江河水利水電新技術(shù)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110003）

洪水災(zāi)害是發(fā)生最頻繁、分布最廣泛的自然災(zāi)害，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人民生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大威脅。面對(duì)嚴(yán)峻的防洪形勢(shì)，工程措施難以進(jìn)一步顯著提高防洪能力的現(xiàn)實(shí)情況，編制洪水風(fēng)險(xiǎn)圖并將其應(yīng)用到洪水風(fēng)險(xiǎn)管理實(shí)踐中，對(duì)于提高我國(guó)江河防洪減災(zāi)能力、減輕或避免生命財(cái)產(chǎn)損失具有重要意義。編制洪水風(fēng)險(xiǎn)圖是實(shí)踐治水新思路、建立洪水風(fēng)險(xiǎn)管理制度、開展洪水風(fēng)險(xiǎn)管理的重要基礎(chǔ)支撐，也是國(guó)家的前瞻性、戰(zhàn)略性信息基礎(chǔ)建設(shè)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(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)面臨的防洪形勢(shì)，開展洪水風(fēng)險(xiǎn)分析，制作洪水風(fēng)險(xiǎn)圖，對(duì)于與本研究河流特征相似的洪水風(fēng)險(xiǎn)分析具有借鑒意義。

1 MIKE軟件簡(jiǎn)介

MIKE軟件是由丹麥DHI水環(huán)境研究所開發(fā)的河流模擬系列軟件，包括水動(dòng)力模型、水質(zhì)模型、水資源分析、城市水問題等。其中MIKE11（一維）和MIKE21（二維）的動(dòng)態(tài)耦合一、二維水動(dòng)力模型（MIKE FLOOD）作為洪水分析軟件，在城市內(nèi)澇、河道洪水、沿海風(fēng)暴潮洪水研究中應(yīng)用廣泛。

MIKE FLOOD是一維和二維動(dòng)態(tài)耦合的洪水模擬軟件包，為河流與防洪保護(hù)區(qū)之間提供了有效的動(dòng)態(tài)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(jìn)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(shí)現(xiàn)二維的局部細(xì)化分析。

河道洪水的演進(jìn)過程采用非恒定流計(jì)算，且需要模擬潰堤后水流的平面運(yùn)動(dòng)情況，因此可在河道內(nèi)計(jì)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(zhǔn)確模擬出洪水歷時(shí)當(dāng)中河道內(nèi)洪水向堤外的擴(kuò)散演進(jìn)過程。

2 研究區(qū)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(fā)源于遼寧省海城市孤山鎮(zhèn)兄弟山，流經(jīng)孤山、析木、岔溝、馬風(fēng)、八里、響堂、海州、興海、鐵西、西柳、東四、中小、望臺(tái)、牛莊14個(gè)鎮(zhèn)（區(qū)），于牛莊鎮(zhèn)北邢家窩棚流入太子河，全長(zhǎng)92 km，流域面積1 377 km2。除上游少數(shù)區(qū)域?yàn)樯角鸬貏?shì)外，整個(gè)區(qū)域地勢(shì)以平原區(qū)為主，一旦海城河發(fā)生潰決，只有部分較高的鐵路和公路能夠阻水，洪水影響區(qū)域較大。

本次海城河洪水風(fēng)險(xiǎn)分析范圍為沈海高速公路橋至攔河山段，河段長(zhǎng)約16.7 km，其中沈海高速公路橋至東外環(huán)橋12.48 km為城區(qū)段，東外環(huán)橋至攔河山4.23 km為城郊段，見圖1。

圖1 海城河編制區(qū)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(xiàn)狀為：左岸關(guān)帝廟橋下游至沈海高速段堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，上游東外環(huán)橋向下游新建2.44 km堤防，防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，東外環(huán)橋上游為20年一遇；右岸均建有堤防，防洪標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)，發(fā)生在6～9月，全年最大洪水多發(fā)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(diào)蓄作用小，急驟強(qiáng)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(shí)較短，而且主要暴雨集中于1 d時(shí)間內(nèi)，致使較大洪水多呈單峰型。一次洪水歷時(shí)3 d左右，主要集中在1 d時(shí)間內(nèi)，洪峰受暴雨雨型控制。

新中國(guó)成立以來，發(fā)生20多次洪水。海城水文站出現(xiàn)超2 000 m3/s的洪峰7次，海城站實(shí)測(cè)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(fā)生在2012年。2012年，受第10號(hào)臺(tái)風(fēng)達(dá)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(dá)36.12億元。

3 模型構(gòu)建及洪水風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 建模范圍

本次海城河洪水風(fēng)險(xiǎn)分析范圍，為攔河山至沈海高速公路橋段及兩岸保護(hù)區(qū)。計(jì)算中以海城河左、右岸堤防作為一維河道和二維區(qū)域的分界線，對(duì)計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行劃分。通過分析區(qū)域的洪水組成并結(jié)合斷面測(cè)量情況，確定一維河道的計(jì)算范圍，為上起攔河山上游約1 km處的實(shí)測(cè)斷面，下至沈海高速公路下游約1.8 km處的實(shí)測(cè)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(qū)域。海城河左岸編制區(qū)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(qū)域總面積約182.2 km2。

3.2 參數(shù)設(shè)置及模型率定

模型參數(shù)的取值是否合理，對(duì)于模型計(jì)算結(jié)果的精確性至關(guān)重要。流域植被，河道坡降，河床地質(zhì)、河道斷面形式及河道上的建筑物等，都會(huì)對(duì)河道洪水演進(jìn)產(chǎn)生影響，因而河道的概化以及參數(shù)的選定會(huì)影響到洪水演進(jìn)計(jì)算成果。為了使洪水演進(jìn)計(jì)算能較好地模擬流域洪水特征，須通過實(shí)際洪水復(fù)演計(jì)算確定各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)，并分析洪水計(jì)算模型概化的合理性。

海城河參數(shù)率定時(shí)將已有的參數(shù)成果作為糙率初值，在此基礎(chǔ)上不斷的調(diào)試，以保證各個(gè)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(shí)測(cè)洪水過程對(duì)模型糙率等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行率定，以海城河2012年8月4日實(shí)測(cè)洪痕作為糙率率定依據(jù)，具體結(jié)果見圖2。

圖2 沿程水面線計(jì)算值與實(shí)測(cè)值擬合圖

由計(jì)算結(jié)果可得，模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值符合較好，誤差最大值僅為0.06 m，在合理范圍內(nèi)，故糙率率定結(jié)果可用于其他方案的計(jì)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(gè)別河勢(shì)不順直且有挑流及回水現(xiàn)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(yán)重，邊灘糙率取0.04～0.06。

3.3 洪水風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及分析，海城河設(shè)置中央堡小學(xué)及香山公園附近2個(gè)潰口，計(jì)算洪水頻率選擇超標(biāo)準(zhǔn)洪水。通過模型計(jì)算可以得出各個(gè)方案下洪水淹沒范圍、淹沒水深等洪水要素。

將海城河2個(gè)堤防潰口超標(biāo)準(zhǔn)洪水淹沒計(jì)算結(jié)果疊加分析，得出最大水深包絡(luò)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(qū)域受洪水影響的危險(xiǎn)區(qū)分布，主要涉及碼頭街道、東柳街道、前柳街道、驗(yàn)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(qū)分布范圍來看，香山公園潰口處地勢(shì)高，洪水危險(xiǎn)區(qū)分布相對(duì)較小。而中央堡小學(xué)歷史潰口處地勢(shì)較為低平，受洪水影響范圍較大，海城河右岸海城市區(qū)段防洪標(biāo)準(zhǔn)較低，且地勢(shì)較為低平，受洪水影響范圍較大。從社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面看，香山公園附近潰口淹沒面積較小，因此淹沒農(nóng)田面積也較小。中央堡小學(xué)潰口淹沒影響范圍為人口高度集中的西柳鎮(zhèn)，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(shù)最多，汛期應(yīng)重點(diǎn)防護(hù)。

4 結(jié)語

基于MIKE軟件建構(gòu)的河道與洪泛區(qū)一維二維水動(dòng)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(duì)洪水演進(jìn)的影響，洪水淹沒空間分布合理。通過洪水風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算分析，得出區(qū)域內(nèi)洪水淹沒水深及范圍分布情況，汛期應(yīng)加強(qiáng)洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域防汛管理，研究成果為海城河流域防洪應(yīng)急預(yù)案編制、防洪搶險(xiǎn)等工作提供科學(xué)依據(jù)。研究方法可應(yīng)用于其它類似河流洪水風(fēng)險(xiǎn)分析中。