大凌河下游洪水演进分析

王 颖

(辽宁省葫芦岛水文局，辽宁 葫芦岛 125000)

近年来，随着城市建设和社会经济的快速发展，河道洪水灾害对生态资源的破坏和引起的经济损失逐渐增大，大部分区域的江河洪水对临河城镇的人口、耕地、生态以及农业等均造成不同程度的危害。在临河城镇发展过程中为减少洪涝灾害的不利影响，防洪减灾非工程措施的研究已成为洪涝风险管理及洪水风险分析的热点问题之一。

在洪水灾害风险分析方面国内许多学者开展了大量研究并给出了淹没最大的范围，如Chua等[1]以莱茵河为例，对沿线洪泛区的淹没情况利用二维水动力模型进行模拟分析；P.D Bates等[2]采用运动与扩散理论建立了淹没预测模型，对河道水流状况利用一维运动波表征，采用有限差分法进行求解，而洪范区的水流径流状况利用二维扩散波进行描述；Vacondio等[3]对开边界条件下的洪水浅水运动利用光滑粒子水动力数值模型进行模拟分析；槐文信等[4]对不规则区域的二维非恒定流运动过程利用曲线坐标系下的离散数值格式的有限分析法进行分析，然而对洪水风险分析利用概率统计方法未能全面考虑整个系统的复杂性与随机性特征；冯平等[5]在南水北调中线工程中利用二维复合事件风险组合模型进行防洪风险分析，为工程的防洪度汛提供了重要的参考价值；苑希民等[6]对洪泛区洪水平面运动过程利用二维浅水动力模型进行解析，而对任意时刻窄深河道的流量与水位等水力要素尚无法实时、准确的描述。因此，在洪水演进分析与风险管理中耦合一、二维水动力模型各自独特的优势，可充分发挥模型在河道与洪泛区模拟过程中的作用。

本文以大凌河下游河段为例，从动量守恒与水量平衡的角度构建了一、二维水动力MIKE FLOOD耦合模型，对该河段50a一遇的洪水灾害风险与淹没过程利用模型进行分析，可为大凌河洪水风险管理、防汛应急抢险以及防洪体系的完善提供一定参考。

1 洪水演进方法及原理

1.1 确定洪水演进方法

大凌河干流全长398km，流域内河网密布主要有牤牛河、老虎山河、凉水河子、西河等支流，平均坡降1.35‰，集水面积2.35万km2。河道主要径流山间河谷平原区、低山丘陵区和下游平原区，实测资料显示洪水灾害较为严重的区域主要集中在下游河段的平原区。另外，由于沉降、地形等作用影响使得河道防洪设计标准与实际值存在一定差距，若出现较大的洪水极易出现大范围淹没下游耕地、村庄及城镇等灾害。由于大凌河下游段的历史洪水灾害资料比较少且可靠性低，在对该河段洪水风险分析时不适用历史水灾害与水文学法。鉴于此，本研究对该河段洪水分析拟采用水力学方法，为实现堤内外水流在满溢处的交互动态实时模拟建立了一、二维河道及两岸洪水淹没耦合模型，对不同时刻的洪水动态演进水力要素，如水深、流量与水位进行动态模拟分析[7-15]。

1.2 洪水演进计算原理

(1)一维水动力模型。假定河道水流为均质流态、不可压缩为一维模型的前提条件，其主要原理是通过假设水流流动过程处于一维流态且河道断面、坡降变化幅度不大，并服从静水压力分布的条件，采用一维明渠非恒定流微分方程即圣维南方程组进行模拟分析，其表达式如下：

∂A/∂t+∂Q/∂x=q

(1)

(2)

式中，A—断面面积，m2；Q—断面流量，m3/s；q—单位河长上的支流流量，m3/s；x—距离，m；t—时间，s；Z—水位，m；R—水力半径，m；C—谢才系数，s/m1/3；α—动量校正系数，无量纲。

(2)二维水动力模型。采用二维水动力模型对大凌河下游河段洪水淹没区域进行分析，应充分考虑河道水面环流、水平与垂直向水动力大小以及洪水深浅等因素的影响，根据洪水的特点可采用下述连续方程作为二维水动力模型，其表达式为：

(3)

水流的动量方程表达式如下：

(4)

(5)

式中，Z,M—水深与水位，m；q，u，v—连续方程中的源汇项以及在x，y2个方向上的平均流速，m/s；M，N—在x，y2个方向上垂向单宽平均流量，m2/s；n，g—曼宁粗糙系数与重力加速度，m2/s。

(3)一、二维水动力模型的耦合。在河道洪水演进过程中为充分发挥一、二维模型的独特优势，避免单独使用各模型时可能出现的准确性与精度较低的问题，本研究考虑将一、二维模型利用侧向连接方式构建MIKE FLOOD动态耦合，在固定时间步长下大凌河下游河段两岸洪水威胁区域的二维模型的入流条件为一维模型的实时动态计算数据，从而实现对河道洪水风险分布状况及堤线漫溢淹没过程的模拟计算。

2 构建洪水演进计算耦合模型

2.1 模型分析范围

大凌河下游段的模型计算范围可根据洪水风险图编制成果确定，即细河入汇口至河口段区域。通过查找相关资料确定10a一遇为该河段堤防防洪设计标准，初步统计受洪水淹没威胁的区域为62.57km2。大凌河下游段两岸与河道洪水威胁区域的一、二维水动力耦合模型利用水力学洪水分析方法构建，模拟分析洪水演进淹没风险和漫溢分流过程的洪水标准为50a一遇。

2.2 河道断面设置于网格剖分

(1)设置断面。一维水动力模型的基础性重要数据是对河道断面的设置，本研究结合大凌河下游段河道的蜿蜒曲折情况和实际宽度，根据1∶1万测量断面与矢量地形图内插加密河道断面，共设置平均间距为204.26m的76个断面。

(2)网格剖分。对河道两岸洪水威胁区域利用不规则无结构网格剖分技术进行网格划分，然后对网格分布状况及尺寸结合地势地形与线性阻水建筑物进行确定，从而更好的体现该河段的地形特征。网格尺寸应保持在0.003km2以内，对存在较大地形变化的区域和重要地区的网格应适当加大划分密度，最终形成平均尺寸为9.35×10-4km2的网格6.85万个。

2.3 设置主要参数

(1)糙率。糙率是反映岸坡影响水流阻力、河道底部及洪泛区地表状况的综合系数，在洪水演进计算模型中占据着重要地位。根据大凌河流域防洪整治工程相关资料和洪水风险图编制细则，结合大凌河下游河段存在少量的杂草与石块的实际情况确定河道的综合糙率为0.035，居民地与农田植被糙率在两岸洪水威胁区分别为0.04、0.06。

(2)时间步长的计算。大凌河下游河段一、二维水动力模型的计算步长应综合考虑模型的运算效率及其稳定性影响因素，最终确定一维模型的时间步长为1s，二维模型的最小与最大时间步长为0.01a、1s，根据河道地形条件与洪水信息对模型的计算时间步长进行自动调整。

2.4 确定边界条件

上游入流边界、下游出流边界及区间汇流为大凌河下游段一、二维水动力耦合模型的主要控制条件，所对应的洪水流量过程均为50a一遇。

(1)入流边界条件。上游降雨产汇流为大凌河下游河段洪水的主要来源，由于该河段可供计算的实测洪水资料较少且可靠性较低，因此对上游边界50a一遇的洪水流量过程考虑利用单位线法间接推算，其中暴雨参数根据辽宁省2000年暴雨参数等值线图确定，如图1所示。细河入汇口至河口段范围内的汇流洪水即为大凌河下游段区间洪水，对区间来流洪水过程利用综合单位线法推算如图2所示，入流边界的概化处理方式为洪水沿河均匀汇入。

图1 大凌河下游段细河断面洪水流量过程

图2 大凌河下游段区间汇流洪水过程

(2)出流边界条件。由于受到干流的洪水顶托影响，大凌河下游河段的出流量边界条件可设定为干流断面处50a一遇洪水过程，如图3所示。

图3 大凌河下游河口段50a一遇洪水水位过程线

3 大凌河下游洪水演进分析

3.1 洪水淹没风险分析

对大凌河下游河段的洪水漫堤淹没风险及演进过程利用所构建的一、二维水动力耦合模型进行分析，对不同河段的实时流量与水位利用非恒定水流动力法进行计算，并对不同时刻任一网格的洪水淹没风险要素在漫顶洪水演进过程中的变化进行模拟分析。然后对各断面最高水位线进行提取，并连接绘制成线如图4所示。

图4 50a一遇洪水下大凌河下游段水面线变化

根据图4可知，在50a一遇洪水标准下大凌河下游河段全线地段发生漫溢现象，漫溢长16.22km，淹没风险大且漫溢水头高。根据不同时刻的洪水淹没水深变化特征可以看出，多个区域在洪水演进初始时刻均出现了淹没现象，随着时间的推移积水深与淹没范围呈现出先增大后减少的变化趋势。上游区域淹没范围在洪水演进12h时迅速增大，淹没区积水量在最大水深为1.20m时达到280.55万m3；河道两岸提防在洪水演进45h时出现漫溢现象，在该条件下洪水演进至大凌河干流河段，在河口处的淹没水深最大为5.48m，积水量达4218.20万m3；淹没区洪水在演进120h时大部分退回至下游区域，在该条件下的积水量达490.52万m3。

3.2 计算结果合理性分析

考虑到大凌河下游河段洪涝灾害实测数据资料较少且可靠性较低的实际情况，本研究从地形水深比、流场分布及水量平衡等方面计算分析模拟结果的合理性，从而保证模型的合理性、科学性与精准度。

(1)水量平衡分析。根据河道洪水演进模拟结果统计计算淹没区积水面积、河道槽蓄量及进出水量，经过计算分析满足洪水危险区积水量计算关系式，可见在保证水量平衡方面所建立的模型具有一定的合理性与科学性。

(2)地形分析与流场分布。通过对比分析河道局部DEM高程、流场、流速与水深等水力参数发现，地形分布特征与流场、局部积水深变化趋势基本保持一致，即地形较高的地区无淹没或水深较小、低洼地区的水深较大且积水多、洪水径流沿从高至低方向。洪水流速在沿堤线部位较大，而在远离堤线区域较小，该变化特征与流场密度分布与箭头长度保持较好的一致性。由此表明，洪水流场分布均匀且满足光滑分布特征，区域地形起伏分布特征与流场分布、洪水流速以及洪水淹没水深存在一定的规律性，且二者匹配性较好，在模拟计算河道洪水演进过程中所构建的模型具有较好的合理性与科学性。

4 结论

(1)基于洪水威胁区一、二维水动力模型和大凌河下游段河道实际状况，构建了MIKE FLOOD耦合模型，然后利用模型对50a一遇洪水情境下的淹没风险、漫堤洪水演进及河道水面线进行模拟分析，并对模拟结果的合理性从地形水深比、流场分布及水量平衡等方面分析，结果表明所构建的模型具有较高的可靠性与模拟精度。

(2)大凌河下游河段具有窄浅、蜿蜒等特征，一旦遇到超标准洪水很容易出现较大的洪灾风险，淹没范围及影响程度较大，因此有必要对河道护坡护岸、堤防加高及河道疏浚清淤等处理，从而降低洪灾风险并提高过流能力。