孫成強(qiáng)

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

1 概述

太子河左岸防洪保護(hù)區(qū)位于遼寧省中部，保護(hù)區(qū)上至太子河遼陽(yáng)鐵橋，下至三岔河口處，保護(hù)區(qū)面積約1534km2。保護(hù)區(qū)內(nèi)涉及遼陽(yáng)市、遼陽(yáng)縣、鞍山市、海城市4個(gè)市縣，是遼河流域重點(diǎn)防洪河段防洪保護(hù)區(qū)之一。保護(hù)區(qū)涉及河流為太子河干流及其支流柳壕河、南沙河、運(yùn)糧河、楊柳河、三通河、五道河和海城河。太子河左岸防洪保護(hù)區(qū)范圍如圖1所示。

圖1 太子河左岸防洪保護(hù)區(qū)范圍圖

2 洪源分析與量級(jí)確定

2.1 洪源分析

(1)太子河干流洪水影響

當(dāng)太子河遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)左岸堤防發(fā)生潰決，或標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)砂堤砂基、險(xiǎn)工險(xiǎn)段出險(xiǎn)時(shí)，洪水由太子河進(jìn)入保護(hù)區(qū)，保護(hù)區(qū)大部分區(qū)域?qū)⑹芴雍訚⒌毯樗绊?。太子河左岸保護(hù)區(qū)內(nèi)汛期來(lái)臨時(shí)，左岸各支流河水受太子河頂托，易形成高水位，使得支流洪水排泄不暢。太子河左岸保護(hù)區(qū)主要受太子河干流的洪水威脅。不同頻率洪水成果見(jiàn)表1。

表1 太子河干流設(shè)計(jì)洪峰流量成果表

(2)太子河支流洪水影響

支流洪水主要由上游山區(qū)洪水以及下游平原區(qū)暴雨產(chǎn)生的澇水組成，南沙河立山以下、海城河海城站以下、楊柳河騰鰲堡以下均為平原區(qū)，柳壕河、運(yùn)糧河是平原排水河流，因此這些地區(qū)的設(shè)計(jì)洪水按平原區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式推求；楊柳河騰鰲堡以上及三通河、五道河設(shè)計(jì)洪水用無(wú)資料地區(qū)的暴雨查算圖表法推求。

太子河左岸保護(hù)區(qū)各支流彼此相距較近，流路很短，基本上屬于同一雨區(qū)，且由于各支流堤防標(biāo)準(zhǔn)低，下游地勢(shì)平緩，發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，支流洪水存在互相串通的可能性。

初步分析洪水來(lái)源影響，主要為海城河、南沙河，其次為楊柳河、三通河、五道河，柳壕河及運(yùn)糧河影響較小，其他小支流影響可以不考慮。

2.2 洪水量級(jí)

洪水分析量級(jí)干流按照標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)、現(xiàn)狀、超標(biāo)準(zhǔn)三種量級(jí)考慮，支流按照現(xiàn)狀、超標(biāo)準(zhǔn)兩種量級(jí)考慮。

(1)干流

保護(hù)區(qū)內(nèi)有外河太子河，內(nèi)河柳壕河、南沙河、運(yùn)糧河、楊柳河、三通河、五道河和海城河。太子河左岸防洪標(biāo)準(zhǔn)按50年一遇，超標(biāo)準(zhǔn)洪水按100年一遇考慮，標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)洪水選定為10年一遇。

(2)支流

柳壕河、運(yùn)糧河、三通河、五道河、海城河及南沙河外環(huán)橋以下標(biāo)準(zhǔn)洪水為10年一遇，超標(biāo)準(zhǔn)洪水按20年一遇考慮。楊柳河標(biāo)準(zhǔn)洪水為20年一遇，超標(biāo)準(zhǔn)洪水按50年一遇考慮。南沙河外環(huán)橋以上標(biāo)準(zhǔn)洪水為50～100年一遇，超標(biāo)準(zhǔn)洪水按100～200年一遇考慮。

3 模型構(gòu)建

3.1 計(jì)算范圍與分區(qū)方案

計(jì)算范圍左側(cè)邊界為從下游三岔河鐵路橋開(kāi)始太子河左岸堤防，上方邊界為太子河左岸堤防，與右側(cè)邊界交點(diǎn)為遼陽(yáng)新鐵路橋，右側(cè)邊界為長(zhǎng)大鐵路，向下延伸至海城市附近向東延伸經(jīng)海城市外環(huán)公路，與下游鐵路相接，下側(cè)邊界以鐵路作為擋水邊界。

考慮到太子河左岸防洪保護(hù)區(qū)東西向?qū)挾容^小，主要風(fēng)險(xiǎn)是太子河干流洪水。支流堤防標(biāo)準(zhǔn)普遍偏低，干流洪水存在越過(guò)支流堤防向下游漫延的可能性，因此本次洪水分析計(jì)算采用全區(qū)域模型計(jì)算。

本次計(jì)算只設(shè)置一個(gè)計(jì)算分區(qū)，保護(hù)區(qū)內(nèi)各支流堤防及其他阻水建筑物高程按照實(shí)際高程在二維模型中設(shè)置，這樣可以更好的通過(guò)計(jì)算反映潰堤洪水在越過(guò)部分阻水建筑物后在防洪保護(hù)區(qū)內(nèi)的漫延情況，更準(zhǔn)確的模擬潰堤洪水帶來(lái)的洪水風(fēng)險(xiǎn)情況。

3.2 潰口設(shè)置

(1)潰口位置選擇

計(jì)算方案中潰口選擇主要考慮河道險(xiǎn)工、彎道、城市村莊分布等情況，干流左岸共設(shè)置8個(gè)潰口，南沙河、海城河均為左岸3個(gè)右岸2個(gè)潰口，五道河為左岸2個(gè)右岸2個(gè)潰口，柳壕河、運(yùn)糧河、楊柳河、三通河均為左岸2個(gè)右岸1個(gè)潰口。

(2)潰口尺寸

參考太子河流域的堤防歷史潰決情況，確定本次計(jì)算潰口的初始形態(tài)和最終形態(tài)為矩形。潰口尺寸結(jié)合潰口位置綜合因素以及經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值確定。通過(guò)分析95年洪水渾河干流潰口情況，潰口基本為漫決，漫決寬度在45～270m之間，多數(shù)在100m以上，根據(jù)無(wú)資料經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得潰口寬度均大于300m。

3.3 計(jì)算方法

潰堤洪水采用DHI Water and Environment的MIKE模型系列進(jìn)行洪水分析軟件。

河道洪水的演進(jìn)過(guò)程采用非恒定流計(jì)算，且需要模擬潰堤后水流的平面運(yùn)動(dòng)情況，因此本次河道內(nèi)計(jì)算采用一維非恒定流模型，河道外采用平面二維模型。將一維模型與二維模型耦合，可以準(zhǔn)確模擬出洪水歷時(shí)當(dāng)中河道內(nèi)洪水向堤外的擴(kuò)散演進(jìn)過(guò)程。

(1)一維模型設(shè)置

根據(jù)斷面測(cè)量成果，結(jié)合平面圖，對(duì)橫斷面進(jìn)行灘槽劃分，同時(shí)考慮斷面寬度變化、套堤阻水情況對(duì)斷面寬度等進(jìn)行局部調(diào)整。

按照不同頻率及計(jì)算方案給出上游及各支流入?yún)R的流量過(guò)程線。當(dāng)計(jì)算干流洪水時(shí)，太子河采用遼陽(yáng)站位置流量過(guò)程，其他支流采用入?yún)R口處流量過(guò)程；當(dāng)計(jì)算支流洪水時(shí)，太子河及其他支流采用流量過(guò)程的位置不變，計(jì)算支流采用潰口位置上游流量過(guò)程。

(2)二維模型設(shè)置

二維地形網(wǎng)格大小為100m×100m。在洪水泛濫過(guò)程中，洪泛區(qū)內(nèi)的各種地物將對(duì)洪水的漫延產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)為阻水建筑物對(duì)洪水的阻擋和不同地類對(duì)洪水流速的減緩。洪泛區(qū)內(nèi)的阻水建筑物主要有公路、排干堤防、支流堤防等3類。

計(jì)算區(qū)域的曼寧值反映區(qū)域內(nèi)不同地物對(duì)水流的阻力作用，通過(guò)對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)地物地類的分析，根據(jù)相關(guān)資料確定。

4 洪水影響綜合分析

干流每個(gè)潰口計(jì)算3個(gè)洪水方案，支流每個(gè)潰口計(jì)算2個(gè)洪水方案，通過(guò)對(duì)每個(gè)潰口不同方案的潰口洪量、最大流量、淹沒(méi)面積進(jìn)行對(duì)比分析，可以更直觀看出同一潰口不同頻率洪水的風(fēng)險(xiǎn)影響情況。計(jì)算成果如圖2—3所示。

圖2 太子河100年一遇洪水金山屯村潰口淹沒(méi)水深圖

圖3 太子河100年一遇洪水金山屯村潰口淹沒(méi)歷時(shí)圖

由計(jì)算成果可知，干流50年一遇潰口最大流量大于10年一遇最大潰口流量，超標(biāo)準(zhǔn)100年一遇潰口最大流量大于50年一遇潰口最大流量，但100年一遇潰口流量過(guò)程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，存在一段平臺(tái)期的時(shí)間，主要由于100年一遇超標(biāo)準(zhǔn)起潰的標(biāo)準(zhǔn)為水位達(dá)到50年一遇最高水位即設(shè)計(jì)水位，此時(shí)河道內(nèi)水位并不是最高，因?yàn)楹榉迳形吹絹?lái)，當(dāng)干流洪峰到達(dá)的時(shí)候，大流量洪水持續(xù)從潰口流出。

潰口洪峰流量一般出現(xiàn)在潰口完全形成的極短的時(shí)間內(nèi)，影響潰口最大流量的主要因素有：潰決時(shí)刻水頭、潰口寬度、潰口位置河道槽蓄量以及潰決水流的擴(kuò)散條件等因素，河道入流對(duì)潰口最大流量有一定的影響，但不起決定性作用。整體分析不同潰口同一頻率的潰口最大流量，太子河上下游呈現(xiàn)從上游至南臺(tái)口村潰口變大的趨勢(shì)，再向下游流量變小的趨勢(shì)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)潰決時(shí)刻水頭大小基本符合這一規(guī)律。盡管太子河各位置潰口寬度相差不大，但潰決時(shí)刻水頭相差明顯，最上游景爾屯村潰口處最大水頭差僅1m左右，下游南臺(tái)口村潰口處最大水頭差達(dá)6m。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

受同量級(jí)洪水上段潰口造成的影響比下段潰口大。由于保護(hù)區(qū)鐵路走向基本平行太子河干流且距太子河干流較遠(yuǎn)，除100年一遇洪水下307省道橋左岸潰口外，干流潰口造成的淹沒(méi)范圍均影響不到鐵路。

支流洪水影響主要集中在臨近兩條支流間的保護(hù)區(qū)，由于洪水歷時(shí)小，總體洪量小，洪水影響相對(duì)于干流洪水影響程度普遍偏弱。

經(jīng)以上分析可知，太子河左岸防洪保護(hù)區(qū)的洪水風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)自于干流洪水，由于地勢(shì)平坦、南北比降大，一旦發(fā)生潰決，洪水漫延速度快，淹沒(méi)范圍大。同時(shí)由于太子河右岸地區(qū)為太子河和渾河超標(biāo)準(zhǔn)洪水出路，一旦發(fā)生洪水本區(qū)域避險(xiǎn)方向單一，對(duì)地方政府承擔(dān)轉(zhuǎn)移安置要求高。

5.2 建議

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)堤防縱斷測(cè)量和洪水模擬計(jì)算，由于部分河道上游堤防低于下游堤防，導(dǎo)致支流堤防不能有效阻隔干流潰堤洪水，洪水向下游或上游擴(kuò)散，擴(kuò)大了洪水損失，建議加強(qiáng)保護(hù)區(qū)內(nèi)支流堤防達(dá)標(biāo)建設(shè)，可有效阻隔干流洪水，減輕洪水損失。

本文選取太子河中下游左岸防洪保護(hù)區(qū)作為典型區(qū)域進(jìn)行分析計(jì)算，洪水影響分析方案及模型概化方式仍有待進(jìn)一步完善，文中觀點(diǎn)僅供各位同仁參考，不足之處望予以指正。