盘锦双台子河汛期防洪水位的数值计算

伍成成 ，郑西来 ，林国庆

（1.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100；2.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100）

0 引言

辽河进入盘锦境内的河段俗称双台子河，是盘锦市区各排水出口的唯一外河承泄河道。盘锦市是全国31个重点防洪城市之一，现有堤防总长593 km。该市地处辽河三角洲平原，地势低洼，地面高程在3.0～4.0 m间，地势西北高、东南低，由西北向东南倾斜。绕阳河位于双台子河右岸，是其第一大支流，在张明甲处汇入双台子河。辽河流域降雨集中于汛期6～9月份，大约占年降雨量的75%。7～8月是降水鼎盛期，两月占年径流量50%以上[1]。

为防止潮水倒灌，改善水质、提高闸上水位，同时保证盘锦地区上百万亩农田灌溉用水，1968年在距河口61.3 km处的盘山县修建了拦河闸。拦河闸设计泄洪流量5 000 m3/s（20年一遇），其中拦洪闸泄洪3 000 m3/s，溢洪堤分洪2 000 m3/s。该闸修建后，阻截了外海潮流上溯。现状潮区界在拦河闸处，闸以下属感潮段，平均潮差2.7 m，受径流和潮流双重影响。河口潮汐类型属于非正规半日潮，涨落潮每日各两次，涨潮历时3 h 14 min，落潮历时9 h 5 min，共历时12 h 24 min[9]。自 1984年盘锦建市以来，分别于1985年7至8月间，1986年、1994年、1995年、2005年汛期，发生4次较大的洪水。其中，1995年汛期洪峰流量为4 050 m3/s，是建闸以来最大洪水，造成直接经济损失11.86亿元[2]。

近30年来，由于工农业发展的需要，河口区大量开采石油和地下水，地面沉降每年降幅达8～10 mm/a，更加剧了双台子河防洪的严峻形势[3]。因此，分析双台子河两岸现有堤防抵御不同高位洪水的防护能力，对保护城市安全和人民生命财产至关重要。本文利用Mike11水动力模型，计算干流河道及其主支流在双台子河上游遭遇高位洪水时的河道防洪水位，并分析现状河道的防洪能力，以为双台子河防洪及河堤规划提供依据。

1 水动力模型

1.1 控制方程

Mike11河流水动力模型是丹麦水力研究所DHI研发的，目前已在国内外得到了广泛应用[4-7]。其基本控制方程是圣·维南（Saint-Venant）方程组：

式中，A为过水断面面积，m2；Q为流量，m3/s；x为距离坐标，m；t为时间坐标，s；h为水位，m；q为旁侧入流流量，m3/s；C为谢才系数，m0.5/s,C=1/nRy，n为河床糙率系数；R为水力半径，m；g为重力加速度，m/s2。

水动力方程的离散采用六点隐式（Abbott）差分格式求解，该格式无条件稳定，可以在相当大库朗数（Courant number）下保持稳定。计算网格由流量点和水位点交互组成，在边界水位或流量一致的情况下，运用消元法直接求解叉点方程组，得到河网所有叉点的水位，再回代可以求出河道各断面在各个时刻的水位或流量[8]。

1.2 河道概化

在充分掌握天然河道水文资料的基础上，以主干河道为基础，考虑主要支流的影响，对研究区河网进行概化，概化前后河网的水力特性基本一致。本次模拟中双台子河上边界设在拦河闸处，下边界设在河口三道沟处，总长61.87 km；支流绕阳河将胡家农场拦河蓄水处设为上边界，下游与双台子河联通，全长31.46 km。河网概化见图1。

图1 河网水系概化示意

1.3 参数率定和验证

水动力模型主要率定河道糙率，考虑到模型计算的稳定性和时间的要求，时间步长设定为3 min，空间步长50～200 m，共计82个水位计算点，79个流量点。计算条件：拦河闸采用实测流量数据，下游三道沟处采用实测潮位数据（黄海基准面），绕阳河上游因河道被拦，设为闭边界。采用2009年张明甲站实测水文资料对模型参数进行率定和验证。双台子河糙率系数为0.008～0.030，绕阳河糙率系数为0.01～0.02（见图 2、 3）。

图2 糙率率定时张明甲站水位计算值与实测值比较曲线

图3 糙率验证时张明甲站水位计算值与实测值比较曲线

从图2、3可以看出，验证点处水位计算值与实测值吻合较好，率定的参数能正确反映河道阻力特性。

2 感潮河段防洪水位计算

2.1 方案设计

盘锦城区的现有防洪工程由拦河闸和两岸防洪大堤组成。根据盘锦市防汛抗旱指挥部于2003年制定的城市防洪预案，河堤按20年一遇洪水标准设计，农村段安全超高2.0 m，城市段安全超高2.5 m。拦河闸～绕阳河口段尚有部分无堤段，有堤段左堤25.1 km，右堤29.16 km。由于建闸改变了闸上下游水沙条件，在运用方式上又未按设计的调水调沙方式控制；拦河闸启用后，上下游河道淤积严重，河床抬升，河槽过水面积明显减小；从而降低了拦河闸的泄洪能力和分洪标准，也影响了闸体本身的安全。

盘锦建成区内一统河和螃蟹沟2条排水明渠，构成市区雨污水主要承泄水体，规划标准为20年一遇。一统河经谷家闸从右岸泄入辽河，螃蟹沟经于岗子站从左岸泄入辽河。计算表明，当出现设计暴雨时，产生的雨污水总流量为63.29 m3/s。盘锦地处辽河下游，地势低，河口潮差大，一旦风暴潮和上游洪水遭遇，城市防汛形势更为严峻。因此，研究双台子河道的现状防洪能力时，必须考虑上游洪水位、下游高潮位及强降雨遭遇的情况。

本文分析上游不同频率洪水、下游高潮位及强降雨遭遇的各种不利水文组合，应用Mike11模型计算双台子河及支流绕阳河现状河道的洪水位（见表1）。方案1～5上游水位为河闸不同频率设计水位和相应的流量，下游采用10年一遇的潮位。方案6模拟最不利组合水文情景，上游为双台子河有水文记录以来最大洪水，下游采用有记录以来实测最高潮位。各方案同时考虑遭遇区间强降雨（20年一遇）。

表1 双台子河防洪设计水位计算方案

2.2 双台子河

作为干流，双台子河的行洪能力直接影响着盘锦的城市安全。根据设计的河道防洪水位计算方案，双台子河拦河闸～三道沟段遭遇不同频率洪水位及最不利组合时最高水位包络线如图4、5所示。

从图4、5可以看出，现状河道遭遇河闸设防水位时，双台子河能抵御洪水。干流遭遇警戒洪水位时，右堤18+597处洪水溢出。当发生10年一遇以上洪水时，双台子河干流多处发生洪水漫堤，已不能抵御更大频率洪水。当河道出现最不利洪水组合情形时，双台子河0+000～51+418出现险情。分析表明：现状河道的防洪标准已低于河闸设防时的水位标准，原因可能是上游泥沙增多，闸下淤积严重，河床抬升，过水面积减小，导致河道防洪标准降低。

图4 不同频率洪水位时双台子河最高水位包络线

图5 最不利组合时双台子河最高水位包络线

2.3 绕阳河

绕阳河作为双台子河右岸第一大支流，流域内分布着辽河油田等重点保护对象，承担两岸农业灌溉、河道防洪的重要任务。由于绕阳河上游在胡家农场处被拦截，当双台子河遭遇上游高位洪水及下游高潮位时，不可避免地会对绕阳河产生影响。双台子河遭遇不同频率洪水及最不利洪水组合方案时，绕阳河河道最高水位包络线如图6、7所示。

图6 不同频率洪水位时绕阳河最高水位包络线

图7 最不利组合时绕阳河最高水位包络线

从图6可以看出，双台子河发生警戒水位洪水时，由于绕阳河左堤177+06～31+458段两岸河堤高程低，部分堤段洪水漫溢。双台子河上游洪水位达到设防水位时，绕阳河14+788桩位下洪水漫溢，部分河堤洪水超高0.6 m。随着双台子河洪水位增大，绕阳河的防洪形势愈加严峻，部分堤段水位超高大于2 m。从图7可见，在最不利组合洪水情况下，由于遭遇高位洪水和高潮，绕阳河已不能抵御洪水，洪水淹没范围扩大。一旦发生高位洪水，洪水漫堤，将对沿河两岸造成重大损失。

3 结语

本文利用Mike11水动力模型建立了盘锦双台子河口感潮段水动力学模型，针对双台子河及绕阳河现状河道，重点分析了当遭遇上游不同频率洪水、下游高潮位及区间强降雨的各种不利组合时河道最高洪水位；同时，以建拦河闸后的1995年汛期最大洪水为例，分析了现状河道的最高防洪设计水位。结果表明：由于河道淤积，加之堤防防洪标准较低，当辽河上游来水较大时，双台子河和绕阳河的现状河道不足以抵御高位洪水。因此，亟需疏浚河道，加高培厚河堤，增大河道的行洪能力。

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