高 鵬，劉 力

輝發(fā)河干流洪水風險分析

高 鵬1，劉 力2

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春130021；2.丹東市水利勘測設計研究院，遼寧丹東118000）

根據輝發(fā)河洪水特點及防洪工程現狀，分析發(fā)生大洪水的原因及洪水發(fā)生的特點和過程，應用MIKE系列軟件模擬一、二維耦合數值模型，計算輝發(fā)河的洪水淹沒范圍以及洪水流速，對輝發(fā)河干流左右岸洪水演進模擬結果進行淹沒風險分析，為輝發(fā)河上游的水利工程安全建設規(guī)劃及防洪評價提供重要依據。

洪水；風險；輝發(fā)河；MIKE FLOOD

1 概況

輝發(fā)河位于吉林省南部，是松花江豐滿水庫以上的一大支流。輝發(fā)河發(fā)源于吉林省清源縣龍崗山脈中段的滾馬嶺，出源后向北流33 km后進入吉林省境內，流經梅河口、輝南、磐石、樺甸等縣市，于樺甸市金沙鄉(xiāng)福星村福安屯匯入松花江（豐滿水庫庫區(qū)）。流域形狀呈扇形，全流域集水面積14 896 km2，河長267 km，其中吉林省境內集水面積14 376 km2，河長234 km，河道平均比降0.5‰。

輝發(fā)河上游海龍水庫以上以低山為主，河道窄淺。海龍水庫至山城鎮(zhèn)兩岸為丘陵地帶，河道逐漸變寬，河谷寬500～2 000 m。由山城鎮(zhèn)到梅河口市城區(qū)段河谷寬3 000 m左右。梅河口市到朝陽鎮(zhèn)河谷更加開闊，中間加入蓮河和大沙河，地勢以丘陵崗地與河谷平地交錯分布，谷寬發(fā)展到4 000 m左右，左岸崗坡及支流河谷已開發(fā)為耕地，右岸谷坡較緩，大部分也開墾為耕地。河口段河道兩岸較平坦，有寬廣的河漫灘，均已開發(fā)為水田。

輝發(fā)河流域地處亞洲大陸東端的中緯度地帶，大陸性氣候十分明顯，主要特點是四季分明，春季干燥多風，夏季溫熱多雨，秋季涼爽晴朗，冬季寒冷漫長。多年平均降水量在700～800 mm之間，上游海龍站多年平均降水量為707.4 mm，下游樺甸站多年平均降水量754.6 mm。降水量年內分配不均勻，主要集中在6—9月份，站年降水量的70%左右，受降雨影響，河水季節(jié)變化較大。

輝發(fā)河兩岸支流較多，且分布形狀呈樹枝狀河網，兩岸對稱、平衡發(fā)育，左右岸集水面積大小相當，其較大支流有蓮河、大沙河、一統河、三統河、擋石河和金沙河等。

2 洪水特性分析

輝發(fā)河流域洪水均由暴雨產生，一般一年兩汛，春汛和夏汛。造成災害的主要是夏汛洪水，由暴雨形成。夏汛洪水主要發(fā)生在6—9月，大洪水主要發(fā)生在7，8月。洪水過程多為單峰，一次洪水過程一般在7 d左右，基本是陡漲陡落，1 d洪量占3 d洪量的40%以上，3 d洪量占7 d洪量的50%以上。

3 防洪工程現狀

輝發(fā)河防洪體系由水庫、堤防組成。輝發(fā)河干流上游有海龍水庫，總庫容3.16×108m3，為輝發(fā)河流域唯一一座大型水庫，但由于其控制流域面積548 km2，僅占輝發(fā)河流域面積的3.7%，對下游的防洪作用有限。輝發(fā)河干流沿岸的防洪任務主要由沿岸堤防承擔。

輝發(fā)河海龍水庫壩下至輝發(fā)河河口，河道總長215.32 km。輝發(fā)河干流堤防多數是20世紀70年代修建，1995年大水后進行了加固治理，現有堤防長177.55 km，其中左岸堤防長97.92 km，右岸堤防長79.63 km，斷續(xù)分布在河流兩側，堤距一般300～700 m。

輝發(fā)河農村段堤防總長124.59 km，占總堤防長度的70.2%，堤防多修建于20世紀70年代，修建時防洪標準為10年一遇，1995年大水后進行了加固治理。堤身以壤土為主，局部為礫質粗砂，堤基為礫質粗砂。城區(qū)段堤防總長52.96 km，規(guī)劃防洪標準為50年一遇，梅河口市、輝南縣城區(qū)堤防防洪標準現狀為50年一遇，樺甸市城區(qū)堤防基本達到100年一遇標準。

4 洪水風險分析

為了解輝發(fā)河發(fā)生超標準洪水后，沿河漫溢的淹沒范圍、淹沒水深、洪水到達時間及洪水在保護區(qū)內的演進過程等信息。采用一維非恒定流模型MIKE11模擬河道洪水演進過程，采用二維非恒定流模型MIKE21模擬淹沒區(qū)的洪水演進過程。采用MIKE FLOOD模型將河道一維非恒定流模型、淹沒區(qū)二維非恒定流模型動態(tài)耦合，以模擬漫溢對編制區(qū)的影響。

4.1 一維水動力模型

MIKE11是模擬河口、河流、河網、灌溉系統水流、水質、泥沙輸運等一維問題的專業(yè)軟件包，其核心部分為水動力學模塊（HD）。模型中描述河道洪水運動是利用Abbott六點隱式格式求解圣?維南（Saint-Venant）方程組，公式如下：

連續(xù)性方程：

式中：Q為斷面流量，m3/s；A為過水斷面面積，m2；q為源匯的單寬流量，m2/s；x，t分別是距離坐標和時間坐標；h為水深，m；C為謝才系數；R為水力半徑，m；g為重力加速度，m/s2；α為動量校正系數。

MIKE11采用的離散方法是Abbott-Ionescu六點有限差分格式，用追趕法求解。計算時在網格點按順序交替計算流量和水位，以其為中心對控制方程進行離散。

洪水分析選用流量過程作為上邊界條件，共設置了14個上邊界，分別位于海龍水庫壩下、西河河口以上，以及區(qū)間較大支流西河、梅河、蓮河、大沙河、一統河、三統河、擋石河、蛤蟆河、石道河、富太河、呼蘭河、金沙河河口處，其中海龍水庫壩下的上邊界條件采用海龍水庫各頻率調洪出庫流量過程，其它為各區(qū)間設計流量過程。下游邊界采用豐滿水庫1995年典型同頻率調洪庫水位過程。輝發(fā)河河道糙率參考《輝發(fā)河防洪規(guī)劃報告》《吉林省輝發(fā)河重點段治理工程可行性研究報告》設計成果，主槽糙率取值在0.03～0.035之間，灘地糙率取值在0.06～0.09之間。

4.2 MIKE21二維水動力學模型

該模塊屬于平面二維水流模型，適合模擬具有自由表面的港口、河流、湖泊及海洋等，采用二維非恒定流方程組作為控制方程，包括水流連續(xù)性方程、水流沿x方向及y方向的動量方程，采用ADI逐行法對連續(xù)方程及運動方程分別進行時空上的積分，每個方向及每個單獨的網格線產生的方程矩陣用追趕法求解。

二維非恒定流方程由水流連續(xù)方程和動量方程組成，具體形式如下：

式中：h為水深，m；Z為水位，m；u，v為 x，y方向沿垂線平均的水平流速分量，m/s；g為重力加速度，m/s2；n為糙率；q為源匯項，m/s。

MIKE21具有2套空間離散系統，分別是矩形結構和三角形非結構網格。洪水分析采用無結構三角形對潰堤影響區(qū)域進行剖分。區(qū)域總面積約為1 235.4 km2，控制最大網格面積不大于0.04 km2，網格總數95 784個，最大網格為0.039 km2。區(qū)域內部的橋涵、圩堤、引水渠和路基等建筑物，采用MIKE 21的水工建筑物模塊進行概化和模擬。淹沒區(qū)下墊面類型及糙率的選取對洪水分析結果有很大影響，依據收集到的土地利用圖對區(qū)域地物進行概化，將淹沒區(qū)分為村莊、樹叢、旱田、水田、道路、荒地共6種地表類型，對各類型下墊面糙率分別賦值，見表1。

表1 淹沒區(qū)下墊面糙率表

4.3 一、二維模型耦合

一、二維模型耦合的原理是在兩者的連接斷面處補充物理量之間的關系，以此實現兩者的耦合。采用MIKE FLOOD將MIKE11和MIKE21結果進行耦合，耦合方式采用側向連接，將MIKE的各個河段的河道兩側分別于MIKE21的一系列網格單元相連。

4.4 模型率定與驗證

選用2010年汛期8月19—27日實測洪水過程，對一維河道模型參數進行率定。以海龍水庫站流量過程作為模型的上游邊界，并根據實測資料計算海龍水庫站～梅河口站、梅河口站～朝陽站、朝陽站～五道溝站的各區(qū)間流量過程，作為區(qū)間入流過程，以輝發(fā)河河口的水位流量關系作為模型的下游邊界，通過調整輝發(fā)河的河床主槽及灘區(qū)的糙率參數，使得梅河口水文站、朝陽水文站、五道溝水文站處的模擬水位、流量值與實測水位、流量過程最大程度地吻合。洪峰流量誤差控制在8%以內，最高水位誤差控制在15 cm以內。

選用1995年7月23日至8月14日實測水文資料對一維河道模型率定得到的河道糙率成果進行驗證，洪水漲、落趨勢與實測情況擬合較好，流量過程誤差在20%以內，水位誤差不超過20 cm。驗證結果符合要求。

4.5 計算結果分析

在潰口流量方面，洪水量級越大，堤防開始潰堤跑水時間越早，潰口洪峰流量也越大，相應進入淹沒區(qū)的水量增加。以城東村潰口為例，20，50，100年一遇洪水潰口洪峰流量分別為310，513，706 m3/s，進入淹沒區(qū)的水量分別為3 685×104，7 442×104，10 072×104m3。

在淹沒面積方面，淹沒面積隨河道洪水的洪峰流量增大而相應增大。以100年一遇洪水整體漫溢方案為例，20年一遇洪水淹沒面積38.7 km2，50年一遇洪水淹沒面積88.8 km2，100年一遇洪水淹沒面積127.6 km2，20年與50年一遇洪水淹沒面積差異較大，主要為50年一遇洪水多數農村堤段已形成漫溢。

在洪水流速方面，除潰口處、道路下的橋洞及局部洼地等處計算流速較大外，其它絕大部分區(qū)域最大洪水流速均在0.50 m/s以下。同一潰口淹沒區(qū)的洪水流速隨洪水量級的增大而增大，且最大流速基本位于同一區(qū)域。

5 結論與建議

1）分析了輝發(fā)河洪水特點及防洪工程現狀，應用MIKE FLOOD軟件一、二維耦合模型模擬了輝發(fā)河干流左右岸30，50，100年一遇洪水演進過程，對洪水淹沒水深和洪水流速進行了分析。

2）輝發(fā)河屬于山區(qū)河流，河道狹窄，洪水陡漲陡落，水位變幅大，20年與50年、50年與100年一遇洪水之間最高水位差一般可達1 m左右，致使輝發(fā)河發(fā)生100年一遇洪水時，多數農村堤段出現漫堤，堤防失去防洪作用。建議根據區(qū)域的水文及雨情監(jiān)測站網，及時掌握雨情和水情，提前做好沿岸農村地區(qū)避險轉移的準備。

3）輝發(fā)河沿岸農村段防洪標準為20年一遇，城市段防洪標準為50年一遇，現狀堤防尚存在堤頂高程不達標、堤身寬度不夠等問題，特別是農村堤段險工眾多，堤防整體整治十分必要，建議盡快實施輝發(fā)河重點段治理工程，為輝發(fā)河沿岸地區(qū)居民提供安全提供保障。

［1］修海峰，吳聯志.基于MIKEⅡ的平原河網洪水演進水動力研究［J］.南水北調與水利科技，2012，10（6）：151-154.

［2］王領元.用MIKE對河流一、二維的數值模擬［D］.大連：大連理工大學，2007．

［3］姜俊厚.基于MIKE和GIS洪水風險計算的應用研究［D］.大連：大連理工大學，2010．

［4］吉林省水利水電勘測設計研究院.輝發(fā)河流域防洪規(guī)劃報告［R］.2000.

［5］吉林省水利水電勘測設計研究院.吉林省輝發(fā)河重點段治理工程可行性研究報告［R］.2012.

TV122 < class="emphasis_bold"> ［文獻標識碼］B

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1002—0624（2017）12—0036—03

2016-11-24