劉征濤

(遼寧省葠窩水庫(kù)管理局，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

大凌河是遼寧省西部最大的河流，流經(jīng)朝陽(yáng)縣、朝陽(yáng)市區(qū)、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(nèi)河流全長(zhǎng)453km，面積為19989km2[1- 2]。大凌河宮山咀水庫(kù)以上基本為山區(qū)，沿河沒(méi)有重要的保護(hù)目標(biāo)。大凌河宮山咀水庫(kù)壩下～河口段，按地域和防洪工程建設(shè)情況可分為3大段[3- 5]，第一段宮山咀水庫(kù)壩下～閻王鼻子水庫(kù)大壩段，河道長(zhǎng)度139.6km，其中閻王鼻子水庫(kù)庫(kù)區(qū)段29.84km，主要城市有建昌縣、喀左縣；第二段閻王鼻子水庫(kù)壩下～白石水庫(kù)大壩段，河道長(zhǎng)度94.3km，其中白石水庫(kù)庫(kù)區(qū)段42.48km，主要城市有朝陽(yáng)縣、朝陽(yáng)市、燕都新城；第三段白石水庫(kù)壩下～河口段，河道長(zhǎng)度153.7km，主要城市有義縣、凌海市。干流主要城區(qū)段及凌海以下平原區(qū)基本已建成連續(xù)堤防，為保證沿岸的防洪安全發(fā)揮了巨大作用。

河道行洪能力分析是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，國(guó)內(nèi)還處于初級(jí)階段。根據(jù)大凌河河道特點(diǎn)和實(shí)際情況，采用一維MIKE11河流數(shù)學(xué)模型，計(jì)算洪水位，摸清河道行洪能力，為洪水預(yù)警、防汛調(diào)度決策提供重要依據(jù)。

1 現(xiàn)狀堤防

大凌河農(nóng)村段堤防多集中在大凌河下游的平原區(qū)[6]，目前大凌河干流共有堤防147.7km，其中石窗子以下有連續(xù)堤防約112.4km，部分堤防多為20世紀(jì)80年代以前陸續(xù)修建的，堤防質(zhì)量較差，防洪標(biāo)準(zhǔn)較低，中上游及支流地區(qū)多為山地，鄉(xiāng)鎮(zhèn)村屯一般地勢(shì)較高、遠(yuǎn)離河道，重要防護(hù)對(duì)象較少，除部分零星段堤防外無(wú)大規(guī)模連續(xù)堤防。城市段目前均已建有堤防，一般主城區(qū)段堤防基本能夠達(dá)標(biāo)，但隨著城市建設(shè)發(fā)展，現(xiàn)有防洪工程已不能滿足城市發(fā)展的需要，各市正在抓緊規(guī)劃建設(shè)城市防洪工程，以完善城市段防洪工程體系。

2 計(jì)算方法

根據(jù)水文成果，大凌河河口地區(qū)洪水和潮水的遭遇不具有關(guān)聯(lián)性，是隨機(jī)的，近51年中大洪水與外海暴潮水位遭遇機(jī)會(huì)較少，大凌河河口以上段水流條件較單一，因此，本次計(jì)算模型采用一維MIKE11河流數(shù)學(xué)模型。

2.1 控制方程組

MIK11水動(dòng)力學(xué)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(shí)間坐標(biāo)；A—河道過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；Q—斷面流量；q—均勻旁側(cè)入流；Qc—集中旁側(cè)入流；δ—Diracδ；Z—水位；K—流量模數(shù)，由謝才公式計(jì)算得到。

2.2 方程組的離散

利用Abbott六點(diǎn)隱式格式離散上述控制方程組[8- 9]，離散格式在每一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)并不同時(shí)計(jì)算水位和流量，而是按順序交替計(jì)算水位和流量，分別稱為h點(diǎn)和Q點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 Abbott格式水位點(diǎn)、流量點(diǎn)交替布置圖

格式為無(wú)條件穩(wěn)定，可以在相當(dāng)大的Courant數(shù)下保持計(jì)算穩(wěn)定，可以取較長(zhǎng)的時(shí)間步長(zhǎng)以節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

2.3 邊界條件及控制斷面

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

歷史洪水復(fù)核起點(diǎn)水位：宮山咀水庫(kù)壩下橋(JC07)～閻王鼻子水庫(kù)大壩(Y0)起點(diǎn)水位采用《閻王鼻子水庫(kù)工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》的成果，見(jiàn)表1。

表1 閻王鼻子水庫(kù)設(shè)計(jì)水位

閻王鼻子水庫(kù)壩下～白石水庫(kù)大壩(B1斷面)段起點(diǎn)水位采用《白石水庫(kù)2013年控制運(yùn)用計(jì)劃》成果，白石水庫(kù)壩前B1斷面水位～流量關(guān)系如圖2所示。

圖2 大凌河白石水庫(kù)壩前水位-流量關(guān)系線

白石水庫(kù)壩下橋～大凌河口(DH1)段起點(diǎn)水位采用河口處潮位，根據(jù)水文分析成果，大凌河口(DH1)以洪水為主，歷時(shí)5～100年一遇時(shí)水位均為2.99m。閻王鼻子水庫(kù)及白石水庫(kù)庫(kù)區(qū)段采用最高庫(kù)水位與最大入庫(kù)流量水位的外包值。

大凌河宮山咀水庫(kù)壩下～河口段水力計(jì)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(kù)、白石水庫(kù)等有一定運(yùn)用條件的攔河建筑物；一種為流量水位觀測(cè)斷面，如大城子站、朝陽(yáng)站、義縣站、凌海站等不能調(diào)控水流，但可以記錄水流過(guò)程的斷面。水力計(jì)算中在模型設(shè)置里添加流量水位控制斷面進(jìn)行水流調(diào)節(jié)，通過(guò)流量水位觀測(cè)斷面校核模型。

3 洪水復(fù)核

參考2004年、2010年、2012年、2014年實(shí)測(cè)河道斷面資料及2000年、2005年、2008年、2013年平面地形[10]，通過(guò)糙率選取、模型計(jì)算參數(shù)確定，最終復(fù)核得到與1994年洪痕及水文站實(shí)測(cè)洪水較為接近的數(shù)學(xué)計(jì)算模型成果。大凌河屬于多沙河流，床面泥沙顆粒組成細(xì)，淤沙又厚，河床在洪水過(guò)程中具有漲沖落淤的特性。所以洪痕驗(yàn)證時(shí)糙率的選取不能只考慮河道內(nèi)床面組成、灘地植被、阻水建筑物等情況，還要考慮洪水過(guò)程中的河床特性。洪痕驗(yàn)證結(jié)果及各斷面糙率成果見(jiàn)表2。燕都新城以上河段無(wú)實(shí)測(cè)洪痕成果，計(jì)算糙率主要采用水文站洪水驗(yàn)證成果及參考《水力計(jì)算手冊(cè)》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(jì)算糙率主要參考《水力計(jì)算手冊(cè)》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(fù)核

由于大凌河防洪工程建設(shè)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(duì)大凌河堤防的超高進(jìn)行了復(fù)核，見(jiàn)表3。根據(jù)表3可知，建昌城區(qū)段、喀左城區(qū)段、朝陽(yáng)縣段、朝陽(yáng)市段、燕都新城段、義縣城區(qū)段、凌海城市段本次計(jì)算堤防超高與原設(shè)計(jì)堤防超高基本一致，本次行洪能力分析堤防超高維持原設(shè)計(jì)成果不變，大平房鎮(zhèn)段及凌海市、盤錦市農(nóng)村段堤防超高按本次計(jì)算值考慮。

表2 大凌河干流洪痕驗(yàn)證成果表

表3 大凌河堤防超高復(fù)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(shí)測(cè)地形計(jì)算現(xiàn)狀兩岸防洪堤的行洪能力，從100m3/s至設(shè)計(jì)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(xiàn)狀行洪能力基本情況見(jiàn)表4。

由表4可知，大凌河建昌城區(qū)段、喀左城區(qū)段、朝陽(yáng)縣段、朝陽(yáng)市段、燕都新城段、義縣城區(qū)段、凌海城區(qū)段，以現(xiàn)狀堤頂高程和現(xiàn)狀地形條件為基礎(chǔ)，除個(gè)別河段外，現(xiàn)狀防洪能力基本都能達(dá)到設(shè)計(jì)值。經(jīng)過(guò)分析，部分河段現(xiàn)狀防洪能力低于設(shè)計(jì)值的主要原因是滾水壩壅水較大、橡膠壩庫(kù)區(qū)淤積以及橋梁等位置堤頂高程低于設(shè)計(jì)值。

5 結(jié)論

通過(guò)大凌河河道行洪能力復(fù)核分析，采用的一維MIKE11河流數(shù)學(xué)模型計(jì)算方法、邊界條件基本參數(shù)是合理的，復(fù)核的洪水位、流量結(jié)果與實(shí)際基本相符。最終確定建昌城區(qū)段、喀左城區(qū)段、朝陽(yáng)縣段、朝陽(yáng)市段、燕都新城段、義縣城區(qū)段、凌海城區(qū)段的堤防超高維持原設(shè)計(jì)成果不變，大平房鎮(zhèn)段及凌海市、盤錦市農(nóng)村段堤防超高按復(fù)核計(jì)算結(jié)果考慮。本研究為大凌河洪水預(yù)警、防汛調(diào)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(xiàn)狀行洪能力基本情況表

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