大凌河下游洪水演進(jìn)分析

王 穎

(遼寧省葫蘆島水文局，遼寧 葫蘆島 125000)

近年來(lái)，隨著城市建設(shè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，河道洪水災(zāi)害對(duì)生態(tài)資源的破壞和引起的經(jīng)濟(jì)損失逐漸增大，大部分區(qū)域的江河洪水對(duì)臨河城鎮(zhèn)的人口、耕地、生態(tài)以及農(nóng)業(yè)等均造成不同程度的危害。在臨河城鎮(zhèn)發(fā)展過(guò)程中為減少洪澇災(zāi)害的不利影響，防洪減災(zāi)非工程措施的研究已成為洪澇風(fēng)險(xiǎn)管理及洪水風(fēng)險(xiǎn)分析的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

在洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析方面國(guó)內(nèi)許多學(xué)者開(kāi)展了大量研究并給出了淹沒(méi)最大的范圍，如Chua等[1]以萊茵河為例，對(duì)沿線(xiàn)洪泛區(qū)的淹沒(méi)情況利用二維水動(dòng)力模型進(jìn)行模擬分析；P.D Bates等[2]采用運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散理論建立了淹沒(méi)預(yù)測(cè)模型，對(duì)河道水流狀況利用一維運(yùn)動(dòng)波表征，采用有限差分法進(jìn)行求解，而洪范區(qū)的水流徑流狀況利用二維擴(kuò)散波進(jìn)行描述；Vacondio等[3]對(duì)開(kāi)邊界條件下的洪水淺水運(yùn)動(dòng)利用光滑粒子水動(dòng)力數(shù)值模型進(jìn)行模擬分析；槐文信等[4]對(duì)不規(guī)則區(qū)域的二維非恒定流運(yùn)動(dòng)過(guò)程利用曲線(xiàn)坐標(biāo)系下的離散數(shù)值格式的有限分析法進(jìn)行分析，然而對(duì)洪水風(fēng)險(xiǎn)分析利用概率統(tǒng)計(jì)方法未能全面考慮整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性與隨機(jī)性特征；馮平等[5]在南水北調(diào)中線(xiàn)工程中利用二維復(fù)合事件風(fēng)險(xiǎn)組合模型進(jìn)行防洪風(fēng)險(xiǎn)分析，為工程的防洪度汛提供了重要的參考價(jià)值；苑希民等[6]對(duì)洪泛區(qū)洪水平面運(yùn)動(dòng)過(guò)程利用二維淺水動(dòng)力模型進(jìn)行解析，而對(duì)任意時(shí)刻窄深河道的流量與水位等水力要素尚無(wú)法實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的描述。因此，在洪水演進(jìn)分析與風(fēng)險(xiǎn)管理中耦合一、二維水動(dòng)力模型各自獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可充分發(fā)揮模型在河道與洪泛區(qū)模擬過(guò)程中的作用。

本文以大凌河下游河段為例，從動(dòng)量守恒與水量平衡的角度構(gòu)建了一、二維水動(dòng)力MIKE FLOOD耦合模型，對(duì)該河段50a一遇的洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)與淹沒(méi)過(guò)程利用模型進(jìn)行分析，可為大凌河洪水風(fēng)險(xiǎn)管理、防汛應(yīng)急搶險(xiǎn)以及防洪體系的完善提供一定參考。

1 洪水演進(jìn)方法及原理

1.1 確定洪水演進(jìn)方法

大凌河干流全長(zhǎng)398km，流域內(nèi)河網(wǎng)密布主要有牤牛河、老虎山河、涼水河子、西河等支流，平均坡降1.35‰，集水面積2.35萬(wàn)km2。河道主要徑流山間河谷平原區(qū)、低山丘陵區(qū)和下游平原區(qū)，實(shí)測(cè)資料顯示洪水災(zāi)害較為嚴(yán)重的區(qū)域主要集中在下游河段的平原區(qū)。另外，由于沉降、地形等作用影響使得河道防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際值存在一定差距，若出現(xiàn)較大的洪水極易出現(xiàn)大范圍淹沒(méi)下游耕地、村莊及城鎮(zhèn)等災(zāi)害。由于大凌河下游段的歷史洪水災(zāi)害資料比較少且可靠性低，在對(duì)該河段洪水風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí)不適用歷史水災(zāi)害與水文學(xué)法。鑒于此，本研究對(duì)該河段洪水分析擬采用水力學(xué)方法，為實(shí)現(xiàn)堤內(nèi)外水流在滿(mǎn)溢處的交互動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)模擬建立了一、二維河道及兩岸洪水淹沒(méi)耦合模型，對(duì)不同時(shí)刻的洪水動(dòng)態(tài)演進(jìn)水力要素，如水深、流量與水位進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬分析[7-15]。

1.2 洪水演進(jìn)計(jì)算原理

(1)一維水動(dòng)力模型。假定河道水流為均質(zhì)流態(tài)、不可壓縮為一維模型的前提條件，其主要原理是通過(guò)假設(shè)水流流動(dòng)過(guò)程處于一維流態(tài)且河道斷面、坡降變化幅度不大，并服從靜水壓力分布的條件，采用一維明渠非恒定流微分方程即圣維南方程組進(jìn)行模擬分析，其表達(dá)式如下：

?A/?t+?Q/?x=q

(1)

(2)

式中，A—斷面面積，m2；Q—斷面流量，m3/s；q—單位河長(zhǎng)上的支流流量，m3/s；x—距離，m；t—時(shí)間，s；Z—水位，m；R—水力半徑，m；C—謝才系數(shù)，s/m1/3；α—?jiǎng)恿啃Ｕ禂?shù)，無(wú)量綱。

(2)二維水動(dòng)力模型。采用二維水動(dòng)力模型對(duì)大凌河下游河段洪水淹沒(méi)區(qū)域進(jìn)行分析，應(yīng)充分考慮河道水面環(huán)流、水平與垂直向水動(dòng)力大小以及洪水深淺等因素的影響，根據(jù)洪水的特點(diǎn)可采用下述連續(xù)方程作為二維水動(dòng)力模型，其表達(dá)式為：

(3)

水流的動(dòng)量方程表達(dá)式如下：

(4)

(5)

式中，Z,M—水深與水位，m；q，u，v—連續(xù)方程中的源匯項(xiàng)以及在x，y2個(gè)方向上的平均流速，m/s；M，N—在x，y2個(gè)方向上垂向單寬平均流量，m2/s；n，g—曼寧粗糙系數(shù)與重力加速度，m2/s。

(3)一、二維水動(dòng)力模型的耦合。在河道洪水演進(jìn)過(guò)程中為充分發(fā)揮一、二維模型的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，避免單獨(dú)使用各模型時(shí)可能出現(xiàn)的準(zhǔn)確性與精度較低的問(wèn)題，本研究考慮將一、二維模型利用側(cè)向連接方式構(gòu)建MIKE FLOOD動(dòng)態(tài)耦合，在固定時(shí)間步長(zhǎng)下大凌河下游河段兩岸洪水威脅區(qū)域的二維模型的入流條件為一維模型的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)計(jì)算數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)河道洪水風(fēng)險(xiǎn)分布狀況及堤線(xiàn)漫溢淹沒(méi)過(guò)程的模擬計(jì)算。

2 構(gòu)建洪水演進(jìn)計(jì)算耦合模型

2.1 模型分析范圍

大凌河下游段的模型計(jì)算范圍可根據(jù)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制成果確定，即細(xì)河入?yún)R口至河口段區(qū)域。通過(guò)查找相關(guān)資料確定10a一遇為該河段堤防防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，初步統(tǒng)計(jì)受洪水淹沒(méi)威脅的區(qū)域?yàn)?2.57km2。大凌河下游段兩岸與河道洪水威脅區(qū)域的一、二維水動(dòng)力耦合模型利用水力學(xué)洪水分析方法構(gòu)建，模擬分析洪水演進(jìn)淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)和漫溢分流過(guò)程的洪水標(biāo)準(zhǔn)為50a一遇。

2.2 河道斷面設(shè)置于網(wǎng)格剖分

(1)設(shè)置斷面。一維水動(dòng)力模型的基礎(chǔ)性重要數(shù)據(jù)是對(duì)河道斷面的設(shè)置，本研究結(jié)合大凌河下游段河道的蜿蜒曲折情況和實(shí)際寬度，根據(jù)1∶1萬(wàn)測(cè)量斷面與矢量地形圖內(nèi)插加密河道斷面，共設(shè)置平均間距為204.26m的76個(gè)斷面。

(2)網(wǎng)格剖分。對(duì)河道兩岸洪水威脅區(qū)域利用不規(guī)則無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格剖分技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后對(duì)網(wǎng)格分布狀況及尺寸結(jié)合地勢(shì)地形與線(xiàn)性阻水建筑物進(jìn)行確定，從而更好的體現(xiàn)該河段的地形特征。網(wǎng)格尺寸應(yīng)保持在0.003km2以?xún)?nèi)，對(duì)存在較大地形變化的區(qū)域和重要地區(qū)的網(wǎng)格應(yīng)適當(dāng)加大劃分密度，最終形成平均尺寸為9.35×10-4km2的網(wǎng)格6.85萬(wàn)個(gè)。

2.3 設(shè)置主要參數(shù)

(1)糙率。糙率是反映岸坡影響水流阻力、河道底部及洪泛區(qū)地表狀況的綜合系數(shù)，在洪水演進(jìn)計(jì)算模型中占據(jù)著重要地位。根據(jù)大凌河流域防洪整治工程相關(guān)資料和洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制細(xì)則，結(jié)合大凌河下游河段存在少量的雜草與石塊的實(shí)際情況確定河道的綜合糙率為0.035，居民地與農(nóng)田植被糙率在兩岸洪水威脅區(qū)分別為0.04、0.06。

(2)時(shí)間步長(zhǎng)的計(jì)算。大凌河下游河段一、二維水動(dòng)力模型的計(jì)算步長(zhǎng)應(yīng)綜合考慮模型的運(yùn)算效率及其穩(wěn)定性影響因素，最終確定一維模型的時(shí)間步長(zhǎng)為1s，二維模型的最小與最大時(shí)間步長(zhǎng)為0.01a、1s，根據(jù)河道地形條件與洪水信息對(duì)模型的計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。

2.4 確定邊界條件

上游入流邊界、下游出流邊界及區(qū)間匯流為大凌河下游段一、二維水動(dòng)力耦合模型的主要控制條件，所對(duì)應(yīng)的洪水流量過(guò)程均為50a一遇。

(1)入流邊界條件。上游降雨產(chǎn)匯流為大凌河下游河段洪水的主要來(lái)源，由于該河段可供計(jì)算的實(shí)測(cè)洪水資料較少且可靠性較低，因此對(duì)上游邊界50a一遇的洪水流量過(guò)程考慮利用單位線(xiàn)法間接推算，其中暴雨參數(shù)根據(jù)遼寧省2000年暴雨參數(shù)等值線(xiàn)圖確定，如圖1所示。細(xì)河入?yún)R口至河口段范圍內(nèi)的匯流洪水即為大凌河下游段區(qū)間洪水，對(duì)區(qū)間來(lái)流洪水過(guò)程利用綜合單位線(xiàn)法推算如圖2所示，入流邊界的概化處理方式為洪水沿河均勻匯入。

圖1 大凌河下游段細(xì)河斷面洪水流量過(guò)程

圖2 大凌河下游段區(qū)間匯流洪水過(guò)程

(2)出流邊界條件。由于受到干流的洪水頂托影響，大凌河下游河段的出流量邊界條件可設(shè)定為干流斷面處50a一遇洪水過(guò)程，如圖3所示。

圖3 大凌河下游河口段50a一遇洪水水位過(guò)程線(xiàn)

3 大凌河下游洪水演進(jìn)分析

3.1 洪水淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)分析

對(duì)大凌河下游河段的洪水漫堤淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)及演進(jìn)過(guò)程利用所構(gòu)建的一、二維水動(dòng)力耦合模型進(jìn)行分析，對(duì)不同河段的實(shí)時(shí)流量與水位利用非恒定水流動(dòng)力法進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)不同時(shí)刻任一網(wǎng)格的洪水淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)要素在漫頂洪水演進(jìn)過(guò)程中的變化進(jìn)行模擬分析。然后對(duì)各斷面最高水位線(xiàn)進(jìn)行提取，并連接繪制成線(xiàn)如圖4所示。

圖4 50a一遇洪水下大凌河下游段水面線(xiàn)變化

根據(jù)圖4可知，在50a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)下大凌河下游河段全線(xiàn)地段發(fā)生漫溢現(xiàn)象，漫溢長(zhǎng)16.22km，淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)大且漫溢水頭高。根據(jù)不同時(shí)刻的洪水淹沒(méi)水深變化特征可以看出，多個(gè)區(qū)域在洪水演進(jìn)初始時(shí)刻均出現(xiàn)了淹沒(méi)現(xiàn)象，隨著時(shí)間的推移積水深與淹沒(méi)范圍呈現(xiàn)出先增大后減少的變化趨勢(shì)。上游區(qū)域淹沒(méi)范圍在洪水演進(jìn)12h時(shí)迅速增大，淹沒(méi)區(qū)積水量在最大水深為1.20m時(shí)達(dá)到280.55萬(wàn)m3；河道兩岸提防在洪水演進(jìn)45h時(shí)出現(xiàn)漫溢現(xiàn)象，在該條件下洪水演進(jìn)至大凌河干流河段，在河口處的淹沒(méi)水深最大為5.48m，積水量達(dá)4218.20萬(wàn)m3；淹沒(méi)區(qū)洪水在演進(jìn)120h時(shí)大部分退回至下游區(qū)域，在該條件下的積水量達(dá)490.52萬(wàn)m3。

3.2 計(jì)算結(jié)果合理性分析

考慮到大凌河下游河段洪澇災(zāi)害實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料較少且可靠性較低的實(shí)際情況，本研究從地形水深比、流場(chǎng)分布及水量平衡等方面計(jì)算分析模擬結(jié)果的合理性，從而保證模型的合理性、科學(xué)性與精準(zhǔn)度。

(1)水量平衡分析。根據(jù)河道洪水演進(jìn)模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)計(jì)算淹沒(méi)區(qū)積水面積、河道槽蓄量及進(jìn)出水量，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析滿(mǎn)足洪水危險(xiǎn)區(qū)積水量計(jì)算關(guān)系式，可見(jiàn)在保證水量平衡方面所建立的模型具有一定的合理性與科學(xué)性。

(2)地形分析與流場(chǎng)分布。通過(guò)對(duì)比分析河道局部DEM高程、流場(chǎng)、流速與水深等水力參數(shù)發(fā)現(xiàn)，地形分布特征與流場(chǎng)、局部積水深變化趨勢(shì)基本保持一致，即地形較高的地區(qū)無(wú)淹沒(méi)或水深較小、低洼地區(qū)的水深較大且積水多、洪水徑流沿從高至低方向。洪水流速在沿堤線(xiàn)部位較大，而在遠(yuǎn)離堤線(xiàn)區(qū)域較小，該變化特征與流場(chǎng)密度分布與箭頭長(zhǎng)度保持較好的一致性。由此表明，洪水流場(chǎng)分布均勻且滿(mǎn)足光滑分布特征，區(qū)域地形起伏分布特征與流場(chǎng)分布、洪水流速以及洪水淹沒(méi)水深存在一定的規(guī)律性，且二者匹配性較好，在模擬計(jì)算河道洪水演進(jìn)過(guò)程中所構(gòu)建的模型具有較好的合理性與科學(xué)性。

4 結(jié)論

(1)基于洪水威脅區(qū)一、二維水動(dòng)力模型和大凌河下游段河道實(shí)際狀況，構(gòu)建了MIKE FLOOD耦合模型，然后利用模型對(duì)50a一遇洪水情境下的淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)、漫堤洪水演進(jìn)及河道水面線(xiàn)進(jìn)行模擬分析，并對(duì)模擬結(jié)果的合理性從地形水深比、流場(chǎng)分布及水量平衡等方面分析，結(jié)果表明所構(gòu)建的模型具有較高的可靠性與模擬精度。

(2)大凌河下游河段具有窄淺、蜿蜒等特征，一旦遇到超標(biāo)準(zhǔn)洪水很容易出現(xiàn)較大的洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，淹沒(méi)范圍及影響程度較大，因此有必要對(duì)河道護(hù)坡護(hù)岸、堤防加高及河道疏浚清淤等處理，從而降低洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)并提高過(guò)流能力。