基于MIKE21模型的六股河口三角洲行洪安全分析

王鑫

（遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧沈陽110006）

1 概述

六股河是遼寧省葫蘆島市一條獨流入海河流，發源于建昌縣谷杖子鄉雙廟村北簍子山，流經建昌縣、興城市和綏中縣，于綏中縣小李莊鄉大漁廠村附近注入渤海，河流全長158 km，流域面積為3 045 km2，河道比降為0.161%。1959 年，六股河暴發洪水，造成入海口改道沖斷，形成了現有的河口三角洲及2 處入海口，河口左汊長3.2 km，右汊長2.7 km。

2008 年以來，六股河入海口水產養殖業迅速發展壯大，養殖戶大面積修建海參池、魚棚等，主要集中在三角洲內、左右汊兩岸及海岸線沿線，并于三角洲外沿堆建圍堤。據統計，目前六股河河道范圍內參池和魚棚總面積約為410.67 hm2，其中三角洲內約為339.27 hm2，兩岸灘地約為71.40 hm2。河道內建筑物阻礙行洪，威脅兩岸村屯的防洪安全，且其自身的防洪安全亦難以得到保證，清除河道內建筑物，恢復河道行洪能力是管理部門最為緊迫的任務。

2 工作思路

此次分析工作以河口計算模型為基礎，擬定2個分析方案，計算不同條件下的河口水面線，分析對比各組模型的村屯淹沒情況、河道水流變化情況等，得出保護對象的防洪能力，量化阻水建筑物對河道行洪安全的影響程度，并就建筑物阻礙行洪這個問題提出多套清除方案，評價不同清除方式對河道行洪安全的影響，具體方案如下：

1）河道內建筑物對河口行洪安全的影響分析。分別計算天然情況（無建筑物）下、現狀有建筑物情況下河道兩岸村屯抵御洪水能力，計算流量從上灘流量向上遞增，每隔200 m3/s 加一個計算流量，至各村屯防洪能力對應流量。

2）河道內建筑物不同處理方案對河口行洪安全的影響分析。分別計算各擬定拆除方案條件下的設計洪水（P=10%，P=5%）成果，計算地形包括現狀情況、疏浚平順、拆除圍堤、疏浚平順+拆除圍堤、全部拆除（天然情況）。

3 模型構建

此次行洪安全分析的范圍為六股河濱海公路橋至河口段，為了準確模擬各行洪方案下分析范圍內河道水流狀況，數學模型范圍設定為濱海公路橋至海岸線外1.6 km。

3.1 計算方法

計算核心區域河道彎曲分岔，河道內建筑物復雜，且為河口地區，洪水與潮水交互較為復雜，需采用二維數學模型計算，以提高計算的準確性，此次計算模型選擇MIKE21 Flow Model（簡稱MIKE21 FM）二維數學模型。MIKE21 FM 應用在河口、海灣以及海洋近岸區域的水流及水環境的模擬，在模擬二維非恒定流的同時，可考慮干濕變化、密度變化、水下地形、潮汐變化和氣象條件等影響因素[1]。

計算采用MIKE21 FM 軟件中的HD 模塊建立模型，該模塊采用非結構化網格有限體積法求解二維淺水方程和動量守衡方程求解[2]，計算方法采用 ADI（Alternating Direction Implicit）和 DS ( Dou?ble Sweep ) 格式[3]。

3.2 地形資料及網格處理

平面地形采用2013 年實測1∶2 000 平面地形圖，斷面地形采用2013 年實測河道小橫斷。模型地形網格搭建根據不同的地形特點將計算區域劃分為五類區域，采用不同的網格大小劃分：海洋部分，此區域地形平緩光滑，且遠離計算核心區域，網格大小要求不大于30 000 m2；河道左右兩側灘地部分，區域地勢較為平坦，現狀分布有村屯、養參池以及魚棚等，網格大小要求不大于3 500 m2；三角洲灘地部分，建筑物較為復雜，魚棚及參池較多，網格大小要求不大于2 500 m2；三角洲圍堤部分，網格大小要求不大于400 m2；主槽部分，由于河道灘槽差多在2 m 以上，主槽寬150～550 m，為真實模擬河道地形特點，網格大小要求不大于1 000 m2。

3.3 曼寧值

根據該河段的河道特性（地形、地貌、河床組成以及水流條件等），參照《洪水風險圖編制導則》推薦的糙率值，確定此次計算所用曼寧值范圍：外海曼寧值為40.00，河道主槽曼寧值為40.00，參池曼寧值為20.00，魚棚及村屯曼寧值為14.28，旱田曼寧值為16.67，空地曼寧值為28.57。

3.4 邊界條件

此次水力計算采用2 個計算頻率洪峰流量作為上游設計洪峰流量，即P=10%，P=5%，對應流量為4 588，6 642 m3/s。下游設計潮位采用與洪水頻率相當的10 年和20 年設計潮位，設計潮位成果見表1。

表1 六股河河口設計潮位成果表

3.5 計算結果

通過逐級流量試算，天然無建筑物情況下，4個村屯能防御洪水量級中最小的流量為2 000 m3/s，即張莊子村能防御的洪水量級。在同等2 000 m3/s流量，對于現狀有建筑物情況下，張莊子村、大漁場村、小漁場村、侯家屯村最大淹沒水深分別為1.29，0.71，0，0.58 m，淹 沒面積分 別 為 35.60，71.20，0，7.27 hm2。

4 行洪安全分析

1）河道內建筑物對河口行洪安全的影響分析

天然無建筑物和現狀有建筑物情況下，各村屯可防御的最大洪水量級如表2 所示，可見河道內建筑物對村屯的防洪能力影響非常明顯。10 年一遇洪水條件下，現狀建筑物造成村屯位置最大壅水1.48 m；20 年一遇洪水條件下，現狀建筑物造成村屯位置最大壅水1.98 m。

表2 各村屯抵御洪水能力統計表 m3/s

2）河道內建筑物不同處理方案對河口行洪安全的影響分析

結合清障工作實施的難易程度，此次初步擬定4 套清障方案，各方案實施效果排序：全部拆除>疏浚平順+拆除圍堤>拆除圍堤>疏浚平順。各頻率洪水條件下不同清障方案效果統計見表3。

表3 各頻率洪水條件下不同清障方案效果統計表 m

通過對各方案的壅水影響對比分析，六股河口三角洲圍堤、參池及魚棚修建為阻礙行洪的主要原因，10 年一遇洪水條件下，三角洲圍堤造成村屯位置壅水0.58~1.07 m，參池及魚棚造成村屯位置壅水0.40~0.79 m；20 年一遇洪水條件下，三角洲圍堤造成村屯位置壅水0.62~1.37 m，參池及魚棚造成村屯位置壅水0.57~1.03 m。大面積參池及魚棚引起的連帶壅水效應難以通過其他工程措施徹底消除，疏浚平順+拆除圍堤方案實施效果與河道天然情況（全部拆除）仍有明顯差距。

5 結語

利用MIKE21 二維數學模型，對六股河河口三角洲進行的水流模擬計算，河道彎曲、分汊等引起的水面比降及水流分布均得到了較為清晰的體現，清障前后及區域糙率不同引起的水位及流場的變化也能很直觀地顯現出來，計算成果合理可靠，具有較高的實用價值。研究成果可為管理單位提供決策支持，同時也可為相關工程建設提供依據，研究方法對其他河流河口三角洲行洪模擬、河道清障效果分析等具有一定的參考價值。另外，由于六股河口實測洪水資料較少，隨著資料不斷積累，可對模型參數重新率定，以使計算結果更加精確。