盤錦雙臺子河汛期防洪水位的數(shù)值計算

伍成成 ，鄭西來 ，林國慶

（1.中國海洋大學海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東 青島 266100；2.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266100）

0 引言

遼河進入盤錦境內(nèi)的河段俗稱雙臺子河，是盤錦市區(qū)各排水出口的唯一外河承泄河道。盤錦市是全國31個重點防洪城市之一，現(xiàn)有堤防總長593 km。該市地處遼河三角洲平原，地勢低洼，地面高程在3.0～4.0 m間，地勢西北高、東南低，由西北向東南傾斜。繞陽河位于雙臺子河右岸，是其第一大支流，在張明甲處匯入雙臺子河。遼河流域降雨集中于汛期6～9月份，大約占年降雨量的75%。7～8月是降水鼎盛期，兩月占年徑流量50%以上[1]。

為防止潮水倒灌，改善水質(zhì)、提高閘上水位，同時保證盤錦地區(qū)上百萬畝農(nóng)田灌溉用水，1968年在距河口61.3 km處的盤山縣修建了攔河閘。攔河閘設(shè)計泄洪流量5 000 m3/s（20年一遇），其中攔洪閘泄洪3 000 m3/s，溢洪堤分洪2 000 m3/s。該閘修建后，阻截了外海潮流上溯?，F(xiàn)狀潮區(qū)界在攔河閘處，閘以下屬感潮段，平均潮差2.7 m，受徑流和潮流雙重影響。河口潮汐類型屬于非正規(guī)半日潮，漲落潮每日各兩次，漲潮歷時3 h 14 min，落潮歷時9 h 5 min，共歷時12 h 24 min[9]。自 1984年盤錦建市以來，分別于1985年7至8月間，1986年、1994年、1995年、2005年汛期，發(fā)生4次較大的洪水。其中，1995年汛期洪峰流量為4 050 m3/s，是建閘以來最大洪水，造成直接經(jīng)濟損失11.86億元[2]。

近30年來，由于工農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要，河口區(qū)大量開采石油和地下水，地面沉降每年降幅達8～10 mm/a，更加劇了雙臺子河防洪的嚴峻形勢[3]。因此，分析雙臺子河兩岸現(xiàn)有堤防抵御不同高位洪水的防護能力，對保護城市安全和人民生命財產(chǎn)至關(guān)重要。本文利用Mike11水動力模型，計算干流河道及其主支流在雙臺子河上游遭遇高位洪水時的河道防洪水位，并分析現(xiàn)狀河道的防洪能力，以為雙臺子河防洪及河堤規(guī)劃提供依據(jù)。

1 水動力模型

1.1 控制方程

Mike11河流水動力模型是丹麥水力研究所DHI研發(fā)的，目前已在國內(nèi)外得到了廣泛應用[4-7]。其基本控制方程是圣·維南（Saint-Venant）方程組：

式中，A為過水斷面面積，m2；Q為流量，m3/s；x為距離坐標，m；t為時間坐標，s；h為水位，m；q為旁側(cè)入流流量，m3/s；C為謝才系數(shù)，m0.5/s,C=1/nRy，n為河床糙率系數(shù)；R為水力半徑，m；g為重力加速度，m/s2。

水動力方程的離散采用六點隱式（Abbott）差分格式求解，該格式無條件穩(wěn)定，可以在相當大庫朗數(shù)（Courant number）下保持穩(wěn)定。計算網(wǎng)格由流量點和水位點交互組成，在邊界水位或流量一致的情況下，運用消元法直接求解叉點方程組，得到河網(wǎng)所有叉點的水位，再回代可以求出河道各斷面在各個時刻的水位或流量[8]。

1.2 河道概化

在充分掌握天然河道水文資料的基礎(chǔ)上，以主干河道為基礎(chǔ)，考慮主要支流的影響，對研究區(qū)河網(wǎng)進行概化，概化前后河網(wǎng)的水力特性基本一致。本次模擬中雙臺子河上邊界設(shè)在攔河閘處，下邊界設(shè)在河口三道溝處，總長61.87 km；支流繞陽河將胡家農(nóng)場攔河蓄水處設(shè)為上邊界，下游與雙臺子河聯(lián)通，全長31.46 km。河網(wǎng)概化見圖1。

圖1 河網(wǎng)水系概化示意

1.3 參數(shù)率定和驗證

水動力模型主要率定河道糙率，考慮到模型計算的穩(wěn)定性和時間的要求，時間步長設(shè)定為3 min，空間步長50～200 m，共計82個水位計算點，79個流量點。計算條件：攔河閘采用實測流量數(shù)據(jù)，下游三道溝處采用實測潮位數(shù)據(jù)（黃海基準面），繞陽河上游因河道被攔，設(shè)為閉邊界。采用2009年張明甲站實測水文資料對模型參數(shù)進行率定和驗證。雙臺子河糙率系數(shù)為0.008～0.030，繞陽河糙率系數(shù)為0.01～0.02（見圖 2、 3）。

圖2 糙率率定時張明甲站水位計算值與實測值比較曲線

圖3 糙率驗證時張明甲站水位計算值與實測值比較曲線

從圖2、3可以看出，驗證點處水位計算值與實測值吻合較好，率定的參數(shù)能正確反映河道阻力特性。

2 感潮河段防洪水位計算

2.1 方案設(shè)計

盤錦城區(qū)的現(xiàn)有防洪工程由攔河閘和兩岸防洪大堤組成。根據(jù)盤錦市防汛抗旱指揮部于2003年制定的城市防洪預案，河堤按20年一遇洪水標準設(shè)計，農(nóng)村段安全超高2.0 m，城市段安全超高2.5 m。攔河閘～繞陽河口段尚有部分無堤段，有堤段左堤25.1 km，右堤29.16 km。由于建閘改變了閘上下游水沙條件，在運用方式上又未按設(shè)計的調(diào)水調(diào)沙方式控制；攔河閘啟用后，上下游河道淤積嚴重，河床抬升，河槽過水面積明顯減??；從而降低了攔河閘的泄洪能力和分洪標準，也影響了閘體本身的安全。

盤錦建成區(qū)內(nèi)一統(tǒng)河和螃蟹溝2條排水明渠，構(gòu)成市區(qū)雨污水主要承泄水體，規(guī)劃標準為20年一遇。一統(tǒng)河經(jīng)谷家閘從右岸泄入遼河，螃蟹溝經(jīng)于崗子站從左岸泄入遼河。計算表明，當出現(xiàn)設(shè)計暴雨時，產(chǎn)生的雨污水總流量為63.29 m3/s。盤錦地處遼河下游，地勢低，河口潮差大，一旦風暴潮和上游洪水遭遇，城市防汛形勢更為嚴峻。因此，研究雙臺子河道的現(xiàn)狀防洪能力時，必須考慮上游洪水位、下游高潮位及強降雨遭遇的情況。

本文分析上游不同頻率洪水、下游高潮位及強降雨遭遇的各種不利水文組合，應用Mike11模型計算雙臺子河及支流繞陽河現(xiàn)狀河道的洪水位（見表1）。方案1～5上游水位為河閘不同頻率設(shè)計水位和相應的流量，下游采用10年一遇的潮位。方案6模擬最不利組合水文情景，上游為雙臺子河有水文記錄以來最大洪水，下游采用有記錄以來實測最高潮位。各方案同時考慮遭遇區(qū)間強降雨（20年一遇）。

表1 雙臺子河防洪設(shè)計水位計算方案

2.2 雙臺子河

作為干流，雙臺子河的行洪能力直接影響著盤錦的城市安全。根據(jù)設(shè)計的河道防洪水位計算方案，雙臺子河攔河閘～三道溝段遭遇不同頻率洪水位及最不利組合時最高水位包絡(luò)線如圖4、5所示。

從圖4、5可以看出，現(xiàn)狀河道遭遇河閘設(shè)防水位時，雙臺子河能抵御洪水。干流遭遇警戒洪水位時，右堤18+597處洪水溢出。當發(fā)生10年一遇以上洪水時，雙臺子河干流多處發(fā)生洪水漫堤，已不能抵御更大頻率洪水。當河道出現(xiàn)最不利洪水組合情形時，雙臺子河0+000～51+418出現(xiàn)險情。分析表明：現(xiàn)狀河道的防洪標準已低于河閘設(shè)防時的水位標準，原因可能是上游泥沙增多，閘下淤積嚴重，河床抬升，過水面積減小，導致河道防洪標準降低。

圖4 不同頻率洪水位時雙臺子河最高水位包絡(luò)線

圖5 最不利組合時雙臺子河最高水位包絡(luò)線

2.3 繞陽河

繞陽河作為雙臺子河右岸第一大支流，流域內(nèi)分布著遼河油田等重點保護對象，承擔兩岸農(nóng)業(yè)灌溉、河道防洪的重要任務。由于繞陽河上游在胡家農(nóng)場處被攔截，當雙臺子河遭遇上游高位洪水及下游高潮位時，不可避免地會對繞陽河產(chǎn)生影響。雙臺子河遭遇不同頻率洪水及最不利洪水組合方案時，繞陽河河道最高水位包絡(luò)線如圖6、7所示。

圖6 不同頻率洪水位時繞陽河最高水位包絡(luò)線

圖7 最不利組合時繞陽河最高水位包絡(luò)線

從圖6可以看出，雙臺子河發(fā)生警戒水位洪水時，由于繞陽河左堤177+06～31+458段兩岸河堤高程低，部分堤段洪水漫溢。雙臺子河上游洪水位達到設(shè)防水位時，繞陽河14+788樁位下洪水漫溢，部分河堤洪水超高0.6 m。隨著雙臺子河洪水位增大，繞陽河的防洪形勢愈加嚴峻，部分堤段水位超高大于2 m。從圖7可見，在最不利組合洪水情況下，由于遭遇高位洪水和高潮，繞陽河已不能抵御洪水，洪水淹沒范圍擴大。一旦發(fā)生高位洪水，洪水漫堤，將對沿河兩岸造成重大損失。

3 結(jié)語

本文利用Mike11水動力模型建立了盤錦雙臺子河口感潮段水動力學模型，針對雙臺子河及繞陽河現(xiàn)狀河道，重點分析了當遭遇上游不同頻率洪水、下游高潮位及區(qū)間強降雨的各種不利組合時河道最高洪水位；同時，以建攔河閘后的1995年汛期最大洪水為例，分析了現(xiàn)狀河道的最高防洪設(shè)計水位。結(jié)果表明：由于河道淤積，加之堤防防洪標準較低，當遼河上游來水較大時，雙臺子河和繞陽河的現(xiàn)狀河道不足以抵御高位洪水。因此，亟需疏浚河道，加高培厚河堤，增大河道的行洪能力。

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