季節(jié)性河流馬頰河莘縣段行洪能力分析

崔紹峰 詹新煥 夏可政 王坤 劉克琳

摘?要：合理地分析河道行洪能力，能夠有效地減少洪災(zāi)損失并為河道管理者提供決策支持。在對北方地區(qū)馬頰河流域暴雨洪水分析的基礎(chǔ)上，探討“設(shè)計暴雨推求設(shè)計洪水方法”在該地區(qū)的適用性，并基于MIKE11構(gòu)建馬頰河莘縣段一維水動力學(xué)模型，對比分析在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)“1961年雨型”洪水和1971年典型洪水下馬頰河莘縣段的河道洪水演進(jìn)情況，根據(jù)河道水面線變化及相應(yīng)最高水位與堤頂?shù)木嚯x，分析洪水上灘情況，評價河道行洪能力。結(jié)果表明：馬頰河莘縣段基本可達(dá)到“1961年雨型”防洪標(biāo)準(zhǔn)，僅有少數(shù)低洼河段出現(xiàn)洪水漫灘現(xiàn)象，需對相應(yīng)堤防進(jìn)行加高防護(hù)處理;在1971年典型洪水下，洪水在主槽內(nèi)演進(jìn)，不會出現(xiàn)洪水漫灘現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：河道行洪;設(shè)計暴雨分析;MIKE11;馬頰河莘縣段

中圖分類號：TV877?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.05.012

Abstract： Reasonably analyzing flood carrying capacity of channel can effectively reduce flood losses and provide favorable decision support for river managers. Based on the analysis of rainstorm and flood of Majia River basin in northern China， this paper discussed the applicability of “the method of deducing design flood from design rainstorm” in this area， constructed a one-dimensional hydrodynamic model for Majia River in Shenxian section based on MIKE11 and compared and analyzed the river flood evolution in the design standard of “rain-type of 1961” flood and the typical flood in 1971. Through the change of river water surface profile and the distance between the corresponding highest water level and the dike top， it analyzed the situation of flood on the beach and evaluated the flood passing capacity of the river. The results show that the Majia River in Shenxian section can basically meet the flood control standard of “rain-type of 1961”， only a few low-lying sections have flooding problem and the corresponding levees need to be heightened for protection; the flood flows in the main channel and the floodplain will not be flooded under the conditions of the typical flood in 1971.

Key words： river course flood passing; design storm analysis; MIKE11; Majia River in Shenxian section

1?引?言

近年來我國洪澇災(zāi)害頻發(fā)，造成的破壞持續(xù)增加，科學(xué)合理分析河道行洪能力對于加強(qiáng)河流的洪水管理及減少洪水帶來的損失具有非常重要的意義[1]。許士國等[2]構(gòu)建石佛寺水庫下游河道的一維水動力學(xué)模型，復(fù)核河堤的防洪能力;修海峰等[3]基于MIKE11模擬計算瑞平水系主要河道內(nèi)的流量及水位變化情況;趙文靜[4]建立汾河蘭村—義棠段的一維洪水演進(jìn)模型，結(jié)合生態(tài)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)值模擬;馬嬌嬌等[5]應(yīng)用MIKE建立淮河干流蚌埠至浮山段水動力數(shù)學(xué)模型，模擬100 a一遇洪水在河道的行洪演進(jìn)過程;張防修等[6]構(gòu)建主槽一維和灘地側(cè)向耦合洪水演進(jìn)模型，在黃河下游花園口至夾河灘河段得到成功應(yīng)用;蔣楠等[7]采用MIKE11和HEC-RAS模型對錦江河段水面線進(jìn)行模擬計算，表明MIKE11模型推算的水面線更準(zhǔn)確;李文義等[8]基于小浪底水庫運用前后黃河下游窄河段的河道形態(tài)變化，利用MIKE11模型對黃河下游艾山—濼口窄河段2000年、2003年、2013年洪水過程進(jìn)行模擬;張濤等[9]采用MIKE11對平原河道東魚河中下游河段進(jìn)行水面線計算，所得成果能夠為河道洪水調(diào)度提供決策參考;陳璇等[10]基于MIKE11構(gòu)建了秦淮河流域一維水文水動力學(xué)耦合模型，復(fù)核流域現(xiàn)狀防洪能力，對其現(xiàn)狀防洪能力不足問題提出相應(yīng)解決措施。本文在對馬頰河流域暴雨洪水分析的基礎(chǔ)上，基于MIKE11構(gòu)建馬頰河莘縣段一維水動力學(xué)模型，對比分析發(fā)生“1961年雨型”設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)洪水和1971年典型洪水時，河道水面線及相應(yīng)最高水位與堤頂距離的變化情況，以此復(fù)核馬頰河莘縣段的河道行洪能力，力求為河道治理與洪水調(diào)度決策提供技術(shù)支撐。

2?研究區(qū)概況及水文分析

2.1?研究區(qū)概況

馬頰河屬海河流域，是聊城市全境的省級重點行洪排澇河道，更是莘縣行洪排澇的“主動脈”之一。目前按“1961年雨型”防洪標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)堤防，其防洪標(biāo)準(zhǔn)在莘縣段相當(dāng)于5～20 a一遇洪水。莘縣段處于馬頰河上游，灘地面積大，數(shù)十年來河水未上灘，特別是20世紀(jì)80年代以來，馬頰河已成為季節(jié)河，常年干涸，主要依靠降水或引調(diào)黃河水來保證沿河耕地灌溉，當(dāng)?shù)厝罕娫跒┑貎?nèi)建起了蔬菜大棚。馬頰河莘縣段屬于半濕潤大陸性氣候區(qū)，春季南風(fēng)大而多，降水稀少;夏季溫度高，雨量大;秋季溫和涼爽，降水減少;冬季寒冷干燥，雨雪稀少。這種氣候特征形成了春季易旱、夏季易澇、晚秋又旱的自然特點。

2.2?歷史暴雨洪水分析

分析歷史暴雨洪水，是確定馬頰河莘縣段一維水動力學(xué)模型邊界條件的前提。收集馬頰河流域莘縣段及其附近莘縣、朝城、畢屯、觀城、桑阿鎮(zhèn)和王奉6個雨量站1956年建站以來歷年年最大1 d和3 d暴雨特征值，求其算術(shù)平均值，得到年最大1 d和3 d的面平均雨量，見圖1和圖2。

由圖1和圖2可知，年最大1 d和3 d降雨量有下降趨勢，但趨勢不顯著。年最大1 d降雨量的最大值為144 mm，發(fā)生在1993年;年最大3 d降雨量的最大值為193 mm，發(fā)生在1971年。

此外，分析馬頰河聊城市境內(nèi)水文站王鋪閘1971年建站以來歷年最大流量特征值，見圖3。由圖3可知，王鋪閘實測年最大洪峰流量表現(xiàn)為下降趨勢，趨勢較為顯著，最大洪峰流量最大值為193 m3/s，發(fā)生在1971年。

將年最大洪峰、年最大1 d降雨量與年最大3 d降雨量從大到小排列，選出排在前三位的洪峰流量和雨量及其發(fā)生年份，見表1。由表1可知，馬頰河年最大洪峰流量最大值發(fā)生在1971年，年最大3 d降雨量最大值也發(fā)生在1971年。綜合來看，1971年暴雨洪水對防洪最為不利。

2.3?面平均雨量頻率計算

馬頰河流域一次暴雨歷時一般為1 d，兩次連續(xù)降雨為3 d。將面平均雨量按最大1 d、3 d時段雨量進(jìn)行頻率分析計算，采用流域內(nèi)1956—2015年雨量序列資料，利用P-Ⅲ曲線進(jìn)行適線，最終得到設(shè)計面平均雨量，見表2。

2.4?設(shè)計洪水分析討論

根據(jù)山東省水利廳2008年編制的《海河流域防洪規(guī)劃徒駭、馬頰河系防洪規(guī)劃報告》（以下簡稱《報告》）[11]，當(dāng)前馬頰河堤防按照“1961年雨型”洪水進(jìn)行設(shè)計建設(shè)，相應(yīng)的最大1 d和3 d降雨量分別為93、169 mm。1971年洪水實測最大1 d降雨量為135 mm，比“1961年雨型”大42 mm;最大3 d降雨量為193 mm，比“1961年雨型”大24 mm。此外，由表2可知，20 a一遇的最大1 d設(shè)計降雨量為136 mm，1971年洪水的實測最大1 d降雨量與其相比減少了1 mm，其量級接近20 a一遇;50 a一遇的最大3 d設(shè)計降雨量為191 mm，1971年洪水的實測最大3 d降雨量與其相比增加了2 mm，其量級大于50 a一遇。

根據(jù)《報告》可知，馬頰河在1970年前后曾進(jìn)行大規(guī)模治理，對水系做了調(diào)整，建設(shè)了多處節(jié)制閘蓄水，流域下墊面條件發(fā)生了很大變化，再加上人類活動影響，洪水還原困難，難以得到統(tǒng)一下墊面條件下的洪水資料。因此，盡管馬頰河莘縣段上下游已建有實測水文站，積累了40余a水文資料，但根據(jù)實測洪水資料推求設(shè)計洪水的方法在該地區(qū)仍未被廣泛采用，歷次規(guī)劃一直沿用由設(shè)計暴雨推求設(shè)計洪水的方法。

1971年洪水的實測洪峰流量為193 m3/s，相比于《報告》中采用設(shè)計暴雨推求設(shè)計洪水方法所計算出的20 a和50 a一遇洪水的設(shè)計洪峰流量（338、475 m3/s），分別減小145、282 m3/s，也小于“1961年雨型”洪水設(shè)計洪峰流量（283 m3/s）。由上述分析可知，1971年洪水的最大1 d和最大3 d降雨量均大于“1961年雨型”的降雨量，正常情況下所推求出的“1961年雨型”的設(shè)計洪峰流量應(yīng)小于1971年洪水的實測洪峰流量，由此引發(fā)了筆者對于該地區(qū)當(dāng)前采用“設(shè)計暴雨推求設(shè)計洪水”方法的思考：

（1）在我國北方地區(qū)，受人類活動影響，使得流域下墊面條件發(fā)生了很大變化，同樣的降水，徑流減少[12]，使得推求的設(shè)計暴雨洪水過程有所偏差。

（2）馬頰河流域氣候干旱，河道長期干涸，下滲量大，往往未能形成較大的地表徑流，使得推求的設(shè)計暴雨洪水過程有所偏差。

3?馬頰河莘縣段一維水動力學(xué)模型建立

MIKE11模型基于圣維南方程組進(jìn)行河道水動力過程模擬，采用Abott六點隱式有限差分法進(jìn)行方程組求解，可以提供河道各個斷面水位和流量過程等水文要素信息[13]，具有計算穩(wěn)定、精度高、可靠性強(qiáng)等特點，能方便靈活地模擬復(fù)雜河網(wǎng)水流、閘門、水泵等各類水工建筑物的運行調(diào)度。

MIKE11的基本方程如下：

式中：x、t 分別為計算點空間和時間的坐標(biāo);A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2;Q為過流流量，m3/s;h為水位，m;q為旁側(cè)入流流量，m3/s;C為謝才系數(shù);R為水力半徑，m;α為動量校正系數(shù);g為重力加速度，m/s2。

由于馬頰河莘縣段無水文站點，因此沒有洪水觀測數(shù)據(jù)。馬頰河上游河南省境內(nèi)設(shè)有南樂水文站，距馬頰河莘縣段上邊界沙王莊約30 km，下游聊城市境內(nèi)設(shè)有王鋪閘水文站，距沙王莊約50 km。從防洪最不利情況出發(fā)，馬頰河莘縣段一維水動力學(xué)模型構(gòu)建中，上邊界沙王莊流量條件移用王鋪閘水文站的洪水過程，下邊界采用務(wù)莊閘水位流量關(guān)系。

馬頰河沙王莊至務(wù)莊閘河段河道大斷面在高斯投影直角坐標(biāo)系下的空間分布情況見圖4。河道斷面數(shù)目共計185個，斷面間距100～1000 m。為了簡便且與馬頰河規(guī)劃設(shè)計情況保持一致，主槽與灘地糙率取值采用2019年《徒駭河馬頰河防洪治理工程初步設(shè)計》[14]成果，即主槽糙率取0.025，灘地糙率取0.040。

4?馬頰河防洪能力復(fù)核與洪水上灘情況分析

利用構(gòu)建的馬頰河莘縣段一維水動力學(xué)模型，模擬“1961年雨型”洪水、1971年典型洪水在馬頰河莘縣段的演進(jìn)，推求水面線以復(fù)核河道防洪能力，通過最高水位是否超過灘地高程來判斷洪水是否上灘。

馬頰河沙王莊—務(wù)莊段以“1961年雨型”沙王莊設(shè)計洪峰283 m3/s作為上邊界的流量條件，務(wù)莊閘水位流量關(guān)系作為下邊界，計算出的“1961年雨型”洪水水面線見圖5。以1971年洪水的實測洪峰193 m3/s作為上邊界沙王莊流量條件，務(wù)莊閘水位流量關(guān)系作為下邊界，計算出的1971年洪水水面線見圖6。

由圖5可看出，在“1961年雨型”洪水下，馬頰河設(shè)計洪水位在34.46～40.47 m之間，平均距左堤堤頂3.90 m，距右堤堤頂4.22 m，大于堤防超高值（2.0 m）。185個參與計算斷面中，僅有7個斷面洪水上灘，占比3.7%。平均上左灘約0.63 m，上右灘約0.37 m，主要分布在里程16 400、19100～19 300、20 000、20 600、21 800 m等局部低洼地區(qū)。由圖6可看出，在1971年洪水下，馬頰河的洪水位在33.80～39.80 m之間，所有參與計算斷面的洪水位均低于灘地高程，未發(fā)生洪水上灘現(xiàn)象。

對比分析馬頰河“1961年雨型”洪水和1971年洪水的水面線（見圖7）發(fā)現(xiàn)，馬頰河的“1961年雨型”洪水水面線均高于1971年洪水的水面線，一般高出0.53～0.78 m，平均高出0.62 m?？梢姡?971年歷史最大洪水明顯小于“1961年雨型”洪水。

5?結(jié)論與建議

（1）在進(jìn)行設(shè)計暴雨推求設(shè)計洪水方法中，需根據(jù)馬頰河流域?qū)嶋H情況，充分考慮人類活動及下墊面條件變化的影響，進(jìn)一步完善設(shè)計洪水推求方法，為河道洪水演進(jìn)模擬提供更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，使計算結(jié)果更具合理性和可靠性。

（2）馬頰河莘縣段基本達(dá)到了“1961年雨型”防洪標(biāo)準(zhǔn)。在1971年洪水下，馬頰河莘縣段不會出現(xiàn)洪水漫灘現(xiàn)象;在“1961年雨型”洪水下，洪水主要在主槽內(nèi)演進(jìn)，只有局部低洼河段出現(xiàn)洪水上灘，需對相應(yīng)位置堤防進(jìn)行加高防護(hù)處理。

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