于 洋，崔欣月，馬壯壯

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春 130021）

0 引言

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，各項(xiàng)防洪工程建設(shè)陸續(xù)進(jìn)入加速期，同時(shí)，隨著橋梁、閘壩、風(fēng)景區(qū)及河道定期清理疏浚等大量涉河工程的建設(shè)實(shí)施，河道的防洪形勢(shì)發(fā)生了變化，對(duì)河段防洪能力產(chǎn)生了一定影響，因此，以現(xiàn)狀防洪工程為基礎(chǔ)，評(píng)價(jià)河道防洪能力并找出防洪能力薄弱的河段具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1，2]。從保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全和促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展的角度考慮，利用合理的方法計(jì)算河道水面線，對(duì)比現(xiàn)狀防洪工程體系下的防洪能力，分析現(xiàn)狀防洪工程體系是否滿足各防洪對(duì)象相應(yīng)的防洪要求，可以為地方防汛實(shí)時(shí)指揮、應(yīng)急預(yù)案的制定和防洪工程規(guī)劃等提供數(shù)據(jù)支撐[3]。目前，工程實(shí)踐中常用一維常規(guī)模型與丹麥DHI MIKE 水動(dòng)力模型進(jìn)行模擬計(jì)算[4]。下文以琿春河城區(qū)段河道為研究對(duì)象，采用一維常規(guī)模型與MIKE21 二維水動(dòng)力模型對(duì)其防洪能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，并提出有效的防洪措施。

1 河道概況

琿春河發(fā)源于吉林省汪清縣復(fù)興鎮(zhèn)西南禿頭嶺，在琿春市城區(qū)西南側(cè)匯入圖們江，是圖們江下游最大的一條支流?，q春河全長(zhǎng)199.0 km，平均比降0.21%，流域總面積3 963 km2?，q春河流域洪水主要由暴雨產(chǎn)生，多集中在7—9 月，洪水多陡漲陡落、峰型尖瘦，一次洪水延續(xù)時(shí)間約為7 d，且洪水量級(jí)隨暴雨中心位置及籠罩面積不同而變化。

琿春河干流左岸松林河～光新河、右岸頭道河～圖魯電站河段為琿春河干流城區(qū)段，堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇。近年來，琿春地區(qū)屢受臺(tái)風(fēng)侵襲，導(dǎo)致琿春河干流部分堤段發(fā)生多次險(xiǎn)情，同時(shí)，涉河工程的建設(shè)也使得琿春河干流防洪形勢(shì)發(fā)生了變化，一定程度上影響了該河道的防洪能力。

2 研究方案和計(jì)算條件

2.1 常規(guī)一維模型

2.1.1 一維模型研究方法

常規(guī)一維河道水面線計(jì)算采用恒定非均勻流公式，用分段試算法計(jì)算。

式中：Z1，Z2分別為計(jì)算河段上、下游相鄰斷面的水位，m；n為河段糙率；Q為河段過流量，m3/s；△L為上、下游斷面間距，m；χ1，χ2分別為上、下游過水?dāng)嗝鏉裰?，m；A1，A2分別為上、下游過水?dāng)嗝婷娣e，m2；α，ξ分別為平均流速水頭系數(shù)和局部阻力系數(shù)；v1，v2分別為上、下游斷面的水流流速，m/s。

橋梁依據(jù)鐵三院壅水計(jì)算公式進(jìn)行壅水計(jì)算。

式中：△h3為橋梁壅水高度，m；δ為壅水系數(shù)；h3為天然河道正常水深，m；b為橋墩間凈寬，m；B為無橋墩時(shí)的截面寬度，m。

2.1.2 計(jì)算條件

1）河道斷面

此次防洪能力評(píng)價(jià)模型的計(jì)算范圍是老龍口水庫(kù)壩址至琿春河河口河段，計(jì)算長(zhǎng)度約為46.2 km，其中，琿春河干流城區(qū)段范圍為頭道河與琿春河匯河口至新民大橋下游2.1 km 處，城區(qū)段長(zhǎng)度約17.7 km。河道斷面資料采用2021 年4 月實(shí)際測(cè)量斷面成果。

2）糙率采用與率定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，該河段主槽與灘地下墊面條件差別較大，此次評(píng)價(jià)糙率采用主槽、邊灘分別取值的計(jì)算方法，即主河床河底糙率采用0.035，無作物邊灘糙率采用0.04，高桿作物邊灘糙率采用0.065，局部灘地建有濱水娛樂設(shè)施及零星樹木時(shí)邊灘糙率采用0.08。采用2016 年琿春河實(shí)際洪水進(jìn)行參數(shù)率定，驗(yàn)證斷面選擇新農(nóng)水文站斷面和琿春大橋斷面。兩斷面2016 年洪水洪痕點(diǎn)實(shí)測(cè)高程分別為25.48，37.50 m，此次計(jì)算兩斷面洪水位分別為25.54，37.58 m，計(jì)算與實(shí)際的洪水位基本接近，表明此次計(jì)算采用的糙率較為合理。

3）起始水位

琿春河河口起始水位采用圖們江與琿春河發(fā)生同頻率洪水時(shí)琿春河河口處的圖們江水位，根據(jù)《圖們江下游段（中國(guó)側(cè)）流域規(guī)劃報(bào)告》，圖們江琿32 號(hào)斷面距琿春河河口最近，因此，以圖們江琿32 號(hào)斷面對(duì)應(yīng)的50 年一遇（P=2%）洪水位（28.15 m）作為起始水位。

4）河段計(jì)算流量

河段計(jì)算流量采用老龍口水庫(kù)以下各控制斷面組合洪水計(jì)算成果，琿春水文站控制斷面50 年一遇洪峰流量為2 980 m3/s，該項(xiàng)目各河段組合洪水見表1。

表1 各河段組合洪水成果表

2.2 MIKE21 二維水動(dòng)力模型

2.2.1 研究方法

MIKE21 二維水動(dòng)力模型的主要控制方程為平面二維水流連續(xù)方程、平面二維水流的動(dòng)量方程和靜水壓力假設(shè)。

式中：h為靜止水深；t為時(shí)間；x，y，z為右手Cartesian坐標(biāo)系；u，v為流速x，y方向上的分量；uˉ，vˉ為沿水深平均的流速；S為源匯項(xiàng)；f為Coriolis 參量；g為重力加速度；η為水面相對(duì)未擾動(dòng)基面的高度，即水位；ρ0為參考水密度；Pa為當(dāng)?shù)貧鈮海沪褳樗芏?；τax，τay，τhx，τhy為水面與河床邊界水流切應(yīng)力在x，y方向上的分量；Sxx，Sxy，Syx，Syy為輻射應(yīng)力分量；Txx，Txy，Tyx，Tyy為水平黏滯應(yīng)力；us，vs為源匯項(xiàng)水流速度。

2.2.2 計(jì)算條件

1）計(jì)算范圍

此次琿春河二維模型計(jì)算范圍為琿春河城區(qū)段，上游邊界為G302 大橋上游6.3 km 處（H67 斷面），下游邊界為新民大橋下游2.1 km 處（H28 斷面），左右岸以現(xiàn)狀堤防為邊界，模型全長(zhǎng)約17.7 km。

2）網(wǎng)格劃分及阻水構(gòu)筑物處理

模型計(jì)算網(wǎng)格為三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格最大面積為900 m2，模型計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為25 474 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為13 676 個(gè)。對(duì)橋墩、橋臺(tái)占用河道位置采用不過水處理，對(duì)不過水區(qū)域附近及橋梁上、下游河段區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。

3）邊界條件及糙率

二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算上游為流量邊界條件，下游為水位邊界條件?？紤]對(duì)于防洪最不利的情況，采用恒定流計(jì)算。計(jì)算邊界條件為上游進(jìn)口采用恒定流量邊界，與一維水面線計(jì)算條件相同；下游出口斷面采用恒定水位邊界，根據(jù)一維數(shù)學(xué)模型H28（太陽(yáng)河）斷面的計(jì)算結(jié)果，選取水位邊界為30.74 m；各河段組合洪水流量、糙率選取與一維模型相同。

3 計(jì)算成果與防洪能力分析

3.1 計(jì)算成果對(duì)比

將一維模型、二維模型計(jì)算的琿春河干流城區(qū)段50 年一遇洪水（P=2%）現(xiàn)狀河道水面線與《琿春市琿春河重點(diǎn)段治理工程可行性研究報(bào)告》（以下簡(jiǎn)稱《琿春河可研報(bào)告》）中琿春河城區(qū)段50年一遇洪水設(shè)計(jì)水面線成果進(jìn)行對(duì)比，其中，琿春河干流城區(qū)段保證水位采用扣除設(shè)計(jì)超高值的堤頂高程，對(duì)比結(jié)果見表2。

表2 琿春河干流城區(qū)段各斷面計(jì)算結(jié)果對(duì)比表（P=2%）m

由表2 可知，一維、二維計(jì)算水面線與河底高程變化趨勢(shì)總體相同，一維水面線計(jì)算結(jié)果均小于二維計(jì)算結(jié)果，但偏差較小，均在0.20 m以內(nèi)，兩種算法所求水面線成果基本接近，說明計(jì)算成果比較可靠。從偏于防洪安全角度考慮，琿春河干流城區(qū)段現(xiàn)狀防洪能力分析可采用二維計(jì)算成果。

城區(qū)段現(xiàn)狀水面線僅在江心島斷面（H35）高于《琿春河可研報(bào)告》成果，原因?yàn)榻膷u附近為保證灌溉建有臨時(shí)土壩，對(duì)附近河道產(chǎn)生局部淤積，建議拆除臨時(shí)土壩，并對(duì)附近河道進(jìn)行清淤。

3.2 防洪能力分析

3.2.1 現(xiàn)狀防洪能力分析

根據(jù)表2可知，各河段斷面保證水位均高于二維模型計(jì)算的琿春河河道水面線水位，因此，琿春河干流城區(qū)段現(xiàn)狀防洪能力可以滿足安全泄量2 980 m3/s（50年一遇）的要求。

3.2.2 設(shè)計(jì)河道斷面防洪能力分析

根據(jù)表2 可知，琿春河城區(qū)段河道在H40 斷面（森林山大橋附近），設(shè)計(jì)水面線在左、右岸均未達(dá)到50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)，左、右岸保證水位分別較設(shè)計(jì)水位低0.78，0.13 m；在H65 斷面，右岸未達(dá)到50 年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)，右岸保證水位較設(shè)計(jì)水位低0.21 m。

4 結(jié)語(yǔ)

此次采用常規(guī)一維模型與MIKE21 二維水動(dòng)力模型對(duì)琿春河城區(qū)段進(jìn)行現(xiàn)狀河道防洪能力評(píng)價(jià)，一維模型計(jì)算成果接近并略小于二維模型計(jì)算成果，計(jì)算結(jié)果合理可靠，琿春河干流城區(qū)段堤防現(xiàn)狀防洪能力基本滿足要求；結(jié)合《琿春河可研報(bào)告》中規(guī)劃河道設(shè)計(jì)水面線進(jìn)行分析，得出過流能力較弱、防洪能力有缺陷的河段，并建議盡快采取工程措施，進(jìn)一步滿足河段堤防防洪能力要求。該研究進(jìn)一步夯實(shí)了琿春河城區(qū)段河道行洪能力與堤防防洪能力評(píng)價(jià)的理論基礎(chǔ)，為琿春河城區(qū)段防洪工程建設(shè)及兩岸防洪安全提供了科學(xué)依據(jù)。