大凌河河道行洪能力復核分析

劉征濤

(遼寧省葠窩水庫管理局，遼寧 遼陽 111000)

大凌河是遼寧省西部最大的河流，流經朝陽縣、朝陽市區、北票市、義縣、凌海市，于盤山縣與凌海市交界處注入渤海，境內河流全長453km，面積為19989km2[1- 2]。大凌河宮山咀水庫以上基本為山區，沿河沒有重要的保護目標。大凌河宮山咀水庫壩下～河口段，按地域和防洪工程建設情況可分為3大段[3- 5]，第一段宮山咀水庫壩下～閻王鼻子水庫大壩段，河道長度139.6km，其中閻王鼻子水庫庫區段29.84km，主要城市有建昌縣、喀左縣；第二段閻王鼻子水庫壩下～白石水庫大壩段，河道長度94.3km，其中白石水庫庫區段42.48km，主要城市有朝陽縣、朝陽市、燕都新城；第三段白石水庫壩下～河口段，河道長度153.7km，主要城市有義縣、凌海市。干流主要城區段及凌海以下平原區基本已建成連續堤防，為保證沿岸的防洪安全發揮了巨大作用。

河道行洪能力分析是一個非常復雜的過程，國內還處于初級階段。根據大凌河河道特點和實際情況，采用一維MIKE11河流數學模型，計算洪水位，摸清河道行洪能力，為洪水預警、防汛調度決策提供重要依據。

1 現狀堤防

大凌河農村段堤防多集中在大凌河下游的平原區[6]，目前大凌河干流共有堤防147.7km，其中石窗子以下有連續堤防約112.4km，部分堤防多為20世紀80年代以前陸續修建的，堤防質量較差，防洪標準較低，中上游及支流地區多為山地，鄉鎮村屯一般地勢較高、遠離河道，重要防護對象較少，除部分零星段堤防外無大規模連續堤防。城市段目前均已建有堤防，一般主城區段堤防基本能夠達標，但隨著城市建設發展，現有防洪工程已不能滿足城市發展的需要，各市正在抓緊規劃建設城市防洪工程，以完善城市段防洪工程體系。

2 計算方法

根據水文成果，大凌河河口地區洪水和潮水的遭遇不具有關聯性，是隨機的，近51年中大洪水與外海暴潮水位遭遇機會較少，大凌河河口以上段水流條件較單一，因此，本次計算模型采用一維MIKE11河流數學模型。

2.1 控制方程組

MIK11水動力學模型的微分方程一維明渠非恒定流方程[7]，即圣維南(saint-Venant)，方程組具體形式為：

式中，S，t—空間與時間坐標；A—河道過水斷面面積；Q—斷面流量；q—均勻旁側入流；Qc—集中旁側入流；δ—Diracδ；Z—水位；K—流量模數，由謝才公式計算得到。

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[8- 9]，離散格式在每一個網格節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，如圖1所示。

圖1 Abbott格式水位點、流量點交替布置圖

格式為無條件穩定，可以在相當大的Courant數下保持計算穩定，可以取較長的時間步長以節省計算時間。

2.3 邊界條件及控制斷面

計算分為三段：宮山咀水庫壩下橋(JC07)～閻王鼻子水庫大壩(Y0)、閻王鼻子水庫壩下～白石水庫大壩(B1斷面)、白石水庫壩下橋～大凌河口(DH1)。

歷史洪水復核起點水位：宮山咀水庫壩下橋(JC07)～閻王鼻子水庫大壩(Y0)起點水位采用《閻王鼻子水庫工程初步設計報告》的成果，見表1。

表1 閻王鼻子水庫設計水位

閻王鼻子水庫壩下～白石水庫大壩(B1斷面)段起點水位采用《白石水庫2013年控制運用計劃》成果，白石水庫壩前B1斷面水位～流量關系如圖2所示。

圖2 大凌河白石水庫壩前水位-流量關系線

白石水庫壩下橋～大凌河口(DH1)段起點水位采用河口處潮位，根據水文分析成果，大凌河口(DH1)以洪水為主，歷時5～100年一遇時水位均為2.99m。閻王鼻子水庫及白石水庫庫區段采用最高庫水位與最大入庫流量水位的外包值。

大凌河宮山咀水庫壩下～河口段水力計算，采用的控制斷面包括兩種，一種為流量水位控制斷面，如閻王鼻子水庫、白石水庫等有一定運用條件的攔河建筑物；一種為流量水位觀測斷面，如大城子站、朝陽站、義縣站、凌海站等不能調控水流，但可以記錄水流過程的斷面。水力計算中在模型設置里添加流量水位控制斷面進行水流調節，通過流量水位觀測斷面校核模型。

3 洪水復核

參考2004年、2010年、2012年、2014年實測河道斷面資料及2000年、2005年、2008年、2013年平面地形[10]，通過糙率選取、模型計算參數確定，最終復核得到與1994年洪痕及水文站實測洪水較為接近的數學計算模型成果。大凌河屬于多沙河流，床面泥沙顆粒組成細，淤沙又厚，河床在洪水過程中具有漲沖落淤的特性。所以洪痕驗證時糙率的選取不能只考慮河道內床面組成、灘地植被、阻水建筑物等情況，還要考慮洪水過程中的河床特性。洪痕驗證結果及各斷面糙率成果見表2。燕都新城以上河段無實測洪痕成果，計算糙率主要采用水文站洪水驗證成果及參考《水力計算手冊》中的天然河道糙率表。凌海水文站以下河段由于斷面有所淤積，計算糙率主要參考《水力計算手冊》中的天然河道糙率表及以往成果。

4 行洪能力分析

4.1 堤防超高復核

由于大凌河防洪工程建設年代跨度較大、工程比較分散，各段堤防型式、河道條件及氣象條件差別較大，因此，對大凌河堤防的超高進行了復核，見表3。根據表3可知，建昌城區段、喀左城區段、朝陽縣段、朝陽市段、燕都新城段、義縣城區段、凌海城市段本次計算堤防超高與原設計堤防超高基本一致，本次行洪能力分析堤防超高維持原設計成果不變，大平房鎮段及凌海市、盤錦市農村段堤防超高按本次計算值考慮。

表2 大凌河干流洪痕驗證成果表

表3 大凌河堤防超高復核表

4.2 行洪水位與流量

本次行洪能力分析以2004年、2010年、2012年、2014年實測地形計算現狀兩岸防洪堤的行洪能力，從100m3/s至設計流量，得到各斷面警戒水位、警戒流量和保證水位、保證流量。現狀行洪能力基本情況見表4。

由表4可知，大凌河建昌城區段、喀左城區段、朝陽縣段、朝陽市段、燕都新城段、義縣城區段、凌海城區段，以現狀堤頂高程和現狀地形條件為基礎，除個別河段外，現狀防洪能力基本都能達到設計值。經過分析，部分河段現狀防洪能力低于設計值的主要原因是滾水壩壅水較大、橡膠壩庫區淤積以及橋梁等位置堤頂高程低于設計值。

5 結論

通過大凌河河道行洪能力復核分析，采用的一維MIKE11河流數學模型計算方法、邊界條件基本參數是合理的，復核的洪水位、流量結果與實際基本相符。最終確定建昌城區段、喀左城區段、朝陽縣段、朝陽市段、燕都新城段、義縣城區段、凌海城區段的堤防超高維持原設計成果不變，大平房鎮段及凌海市、盤錦市農村段堤防超高按復核計算結果考慮。本研究為大凌河洪水預警、防汛調度決策以及完善防汛總體布置方案提供了有利支撐。

表4 大凌河現狀行洪能力基本情況表

[1] 鐘福立. 大凌河河道綜合整治中生態護岸建設思路研究[J]. 黑龍江水利科技, 2017(03): 42- 44.

[2] 遼寧省水利廳. 遼寧省水資源[M]. 沈陽: 遼寧科學技術出版社, 2006.

[3] 王鑫. 大凌河農村段河道生態治理模式研究[J]. 水利技術監督, 2015(03): 34- 36.

[4] 趙垠. 凌河自然生態保護區河道治理分析[J]. 水利技術監督, 2014(05): 42- 44.

[5] 張立明. 基于人類活動影響的大凌河流域河流演變趨勢研究[J]. 水利規劃與設計, 2017(10): 39- 44, 66.

[6] 王海芝. 大凌河存在問題與治理保護必要性[J]. 黑龍江水利科技, 2014(10): 231- 232.

[7] 張偉超, 宋策, 郭夢京, 等. 基于MIKE建模的城市生態公園行洪能力分析[J]. 水土保持通報, 2017(01): 128- 131.

[8] 呂敏. 洪泛區河道行洪能力數值模擬研究[J]. 水利規劃與設計, 2016(01): 33- 34, 75.

[9] 何雙. 二維非恒定流模型在大遼河河道現狀行洪能力分析中的應用[J]. 中國水能及電氣化, 2016(11): 61- 65.

[10] 唐慶瑜. 大凌河干流設計洪水分析[J]. 黑龍江水利科技, 2015(03): 63- 64.