大凌河下游洪水演進分析

王 穎

(遼寧省葫蘆島水文局，遼寧 葫蘆島 125000)

近年來，隨著城市建設和社會經濟的快速發展，河道洪水災害對生態資源的破壞和引起的經濟損失逐漸增大，大部分區域的江河洪水對臨河城鎮的人口、耕地、生態以及農業等均造成不同程度的危害。在臨河城鎮發展過程中為減少洪澇災害的不利影響，防洪減災非工程措施的研究已成為洪澇風險管理及洪水風險分析的熱點問題之一。

在洪水災害風險分析方面國內許多學者開展了大量研究并給出了淹沒最大的范圍，如Chua等[1]以萊茵河為例，對沿線洪泛區的淹沒情況利用二維水動力模型進行模擬分析；P.D Bates等[2]采用運動與擴散理論建立了淹沒預測模型，對河道水流狀況利用一維運動波表征，采用有限差分法進行求解，而洪范區的水流徑流狀況利用二維擴散波進行描述；Vacondio等[3]對開邊界條件下的洪水淺水運動利用光滑粒子水動力數值模型進行模擬分析；槐文信等[4]對不規則區域的二維非恒定流運動過程利用曲線坐標系下的離散數值格式的有限分析法進行分析，然而對洪水風險分析利用概率統計方法未能全面考慮整個系統的復雜性與隨機性特征；馮平等[5]在南水北調中線工程中利用二維復合事件風險組合模型進行防洪風險分析，為工程的防洪度汛提供了重要的參考價值；苑希民等[6]對洪泛區洪水平面運動過程利用二維淺水動力模型進行解析，而對任意時刻窄深河道的流量與水位等水力要素尚無法實時、準確的描述。因此，在洪水演進分析與風險管理中耦合一、二維水動力模型各自獨特的優勢，可充分發揮模型在河道與洪泛區模擬過程中的作用。

本文以大凌河下游河段為例，從動量守恒與水量平衡的角度構建了一、二維水動力MIKE FLOOD耦合模型，對該河段50a一遇的洪水災害風險與淹沒過程利用模型進行分析，可為大凌河洪水風險管理、防汛應急搶險以及防洪體系的完善提供一定參考。

1 洪水演進方法及原理

1.1 確定洪水演進方法

大凌河干流全長398km，流域內河網密布主要有牤牛河、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km2。河道主要徑流山間河谷平原區、低山丘陵區和下游平原區，實測資料顯示洪水災害較為嚴重的區域主要集中在下游河段的平原區。另外，由于沉降、地形等作用影響使得河道防洪設計標準與實際值存在一定差距，若出現較大的洪水極易出現大范圍淹沒下游耕地、村莊及城鎮等災害。由于大凌河下游段的歷史洪水災害資料比較少且可靠性低，在對該河段洪水風險分析時不適用歷史水災害與水文學法。鑒于此，本研究對該河段洪水分析擬采用水力學方法，為實現堤內外水流在滿溢處的交互動態實時模擬建立了一、二維河道及兩岸洪水淹沒耦合模型，對不同時刻的洪水動態演進水力要素，如水深、流量與水位進行動態模擬分析[7-15]。

1.2 洪水演進計算原理

(1)一維水動力模型。假定河道水流為均質流態、不可壓縮為一維模型的前提條件，其主要原理是通過假設水流流動過程處于一維流態且河道斷面、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行模擬分析，其表達式如下：

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

(1)

(2)

式中，A—斷面面積，m2；Q—斷面流量，m3/s；q—單位河長上的支流流量，m3/s；x—距離，m；t—時間，s；Z—水位，m；R—水力半徑，m；C—謝才系數，s/m1/3；α—動量校正系數，無量綱。

(2)二維水動力模型。采用二維水動力模型對大凌河下游河段洪水淹沒區域進行分析，應充分考慮河道水面環流、水平與垂直向水動力大小以及洪水深淺等因素的影響，根據洪水的特點可采用下述連續方程作為二維水動力模型，其表達式為：

(3)

水流的動量方程表達式如下：

(4)

(5)

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

(3)一、二維水動力模型的耦合。在河道洪水演進過程中為充分發揮一、二維模型的獨特優勢，避免單獨使用各模型時可能出現的準確性與精度較低的問題，本研究考慮將一、二維模型利用側向連接方式構建MIKE FLOOD動態耦合，在固定時間步長下大凌河下游河段兩岸洪水威脅區域的二維模型的入流條件為一維模型的實時動態計算數據，從而實現對河道洪水風險分布狀況及堤線漫溢淹沒過程的模擬計算。

2 構建洪水演進計算耦合模型

2.1 模型分析范圍

大凌河下游段的模型計算范圍可根據洪水風險圖編制成果確定，即細河入匯口至河口段區域。通過查找相關資料確定10a一遇為該河段堤防防洪設計標準，初步統計受洪水淹沒威脅的區域為62.57km2。大凌河下游段兩岸與河道洪水威脅區域的一、二維水動力耦合模型利用水力學洪水分析方法構建，模擬分析洪水演進淹沒風險和漫溢分流過程的洪水標準為50a一遇。

2.2 河道斷面設置于網格剖分

(1)設置斷面。一維水動力模型的基礎性重要數據是對河道斷面的設置，本研究結合大凌河下游段河道的蜿蜒曲折情況和實際寬度，根據1∶1萬測量斷面與矢量地形圖內插加密河道斷面，共設置平均間距為204.26m的76個斷面。

(2)網格剖分。對河道兩岸洪水威脅區域利用不規則無結構網格剖分技術進行網格劃分，然后對網格分布狀況及尺寸結合地勢地形與線性阻水建筑物進行確定，從而更好的體現該河段的地形特征。網格尺寸應保持在0.003km2以內，對存在較大地形變化的區域和重要地區的網格應適當加大劃分密度，最終形成平均尺寸為9.35×10-4km2的網格6.85萬個。

2.3 設置主要參數

(1)糙率。糙率是反映岸坡影響水流阻力、河道底部及洪泛區地表狀況的綜合系數，在洪水演進計算模型中占據著重要地位。根據大凌河流域防洪整治工程相關資料和洪水風險圖編制細則，結合大凌河下游河段存在少量的雜草與石塊的實際情況確定河道的綜合糙率為0.035，居民地與農田植被糙率在兩岸洪水威脅區分別為0.04、0.06。

(2)時間步長的計算。大凌河下游河段一、二維水動力模型的計算步長應綜合考慮模型的運算效率及其穩定性影響因素，最終確定一維模型的時間步長為1s，二維模型的最小與最大時間步長為0.01a、1s，根據河道地形條件與洪水信息對模型的計算時間步長進行自動調整。

2.4 確定邊界條件

上游入流邊界、下游出流邊界及區間匯流為大凌河下游段一、二維水動力耦合模型的主要控制條件，所對應的洪水流量過程均為50a一遇。

(1)入流邊界條件。上游降雨產匯流為大凌河下游河段洪水的主要來源，由于該河段可供計算的實測洪水資料較少且可靠性較低，因此對上游邊界50a一遇的洪水流量過程考慮利用單位線法間接推算，其中暴雨參數根據遼寧省2000年暴雨參數等值線圖確定，如圖1所示。細河入匯口至河口段范圍內的匯流洪水即為大凌河下游段區間洪水，對區間來流洪水過程利用綜合單位線法推算如圖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 大凌河下游段細河斷面洪水流量過程

圖2 大凌河下游段區間匯流洪水過程

(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定為干流斷面處50a一遇洪水過程，如圖3所示。

圖3 大凌河下游河口段50a一遇洪水水位過程線

3 大凌河下游洪水演進分析

3.1 洪水淹沒風險分析

對大凌河下游河段的洪水漫堤淹沒風險及演進過程利用所構建的一、二維水動力耦合模型進行分析，對不同河段的實時流量與水位利用非恒定水流動力法進行計算，并對不同時刻任一網格的洪水淹沒風險要素在漫頂洪水演進過程中的變化進行模擬分析。然后對各斷面最高水位線進行提取，并連接繪制成線如圖4所示。

圖4 50a一遇洪水下大凌河下游段水面線變化

根據圖4可知，在50a一遇洪水標準下大凌河下游河段全線地段發生漫溢現象，漫溢長16.22km，淹沒風險大且漫溢水頭高。根據不同時刻的洪水淹沒水深變化特征可以看出，多個區域在洪水演進初始時刻均出現了淹沒現象，隨著時間的推移積水深與淹沒范圍呈現出先增大后減少的變化趨勢。上游區域淹沒范圍在洪水演進12h時迅速增大，淹沒區積水量在最大水深為1.20m時達到280.55萬m3；河道兩岸提防在洪水演進45h時出現漫溢現象，在該條件下洪水演進至大凌河干流河段，在河口處的淹沒水深最大為5.48m，積水量達4218.20萬m3；淹沒區洪水在演進120h時大部分退回至下游區域，在該條件下的積水量達490.52萬m3。

3.2 計算結果合理性分析

考慮到大凌河下游河段洪澇災害實測數據資料較少且可靠性較低的實際情況，本研究從地形水深比、流場分布及水量平衡等方面計算分析模擬結果的合理性，從而保證模型的合理性、科學性與精準度。

(1)水量平衡分析。根據河道洪水演進模擬結果統計計算淹沒區積水面積、河道槽蓄量及進出水量，經過計算分析滿足洪水危險區積水量計算關系式，可見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性。

(2)地形分析與流場分布。通過對比分析河道局部DEM高程、流場、流速與水深等水力參數發現，地形分布特征與流場、局部積水深變化趨勢基本保持一致，即地形較高的地區無淹沒或水深較小、低洼地區的水深較大且積水多、洪水徑流沿從高至低方向。洪水流速在沿堤線部位較大，而在遠離堤線區域較小，該變化特征與流場密度分布與箭頭長度保持較好的一致性。由此表明，洪水流場分布均勻且滿足光滑分布特征，區域地形起伏分布特征與流場分布、洪水流速以及洪水淹沒水深存在一定的規律性，且二者匹配性較好，在模擬計算河道洪水演進過程中所構建的模型具有較好的合理性與科學性。

4 結論

(1)基于洪水威脅區一、二維水動力模型和大凌河下游段河道實際狀況，構建了MIKE FLOOD耦合模型，然后利用模型對50a一遇洪水情境下的淹沒風險、漫堤洪水演進及河道水面線進行模擬分析，并對模擬結果的合理性從地形水深比、流場分布及水量平衡等方面分析，結果表明所構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，一旦遇到超標準洪水很容易出現較大的洪災風險，淹沒范圍及影響程度較大，因此有必要對河道護坡護岸、堤防加高及河道疏浚清淤等處理，從而降低洪災風險并提高過流能力。