大凌河河道行洪能力复核分析

2018-06-14刘征涛

水利规划与设计 2018年5期

刘征涛

(辽宁省葠窝水库管理局，辽宁辽阳 111000)

大凌河是辽宁省西部最大的河流，流经朝阳县、朝阳市区、北票市、义县、凌海市，于盘山县与凌海市交界处注入渤海，境内河流全长453km，面积为19989km2[1- 2]。大凌河宫山咀水库以上基本为山区，沿河没有重要的保护目标。大凌河宫山咀水库坝下～河口段，按地域和防洪工程建设情况可分为3大段[3- 5]，第一段宫山咀水库坝下～阎王鼻子水库大坝段，河道长度139.6km，其中阎王鼻子水库库区段29.84km，主要城市有建昌县、喀左县；第二段阎王鼻子水库坝下～白石水库大坝段，河道长度94.3km，其中白石水库库区段42.48km，主要城市有朝阳县、朝阳市、燕都新城；第三段白石水库坝下～河口段，河道长度153.7km，主要城市有义县、凌海市。干流主要城区段及凌海以下平原区基本已建成连续堤防，为保证沿岸的防洪安全发挥了巨大作用。

河道行洪能力分析是一个非常复杂的过程，国内还处于初级阶段。根据大凌河河道特点和实际情况，采用一维MIKE11河流数学模型，计算洪水位，摸清河道行洪能力，为洪水预警、防汛调度决策提供重要依据。

1 现状堤防

大凌河农村段堤防多集中在大凌河下游的平原区[6]，目前大凌河干流共有堤防147.7km，其中石窗子以下有连续堤防约112.4km，部分堤防多为20世纪80年代以前陆续修建的，堤防质量较差，防洪标准较低，中上游及支流地区多为山地，乡镇村屯一般地势较高、远离河道，重要防护对象较少，除部分零星段堤防外无大规模连续堤防。城市段目前均已建有堤防，一般主城区段堤防基本能够达标，但随着城市建设发展，现有防洪工程已不能满足城市发展的需要，各市正在抓紧规划建设城市防洪工程，以完善城市段防洪工程体系。

2 计算方法

根据水文成果，大凌河河口地区洪水和潮水的遭遇不具有关联性，是随机的，近51年中大洪水与外海暴潮水位遭遇机会较少，大凌河河口以上段水流条件较单一，因此，本次计算模型采用一维MIKE11河流数学模型。

2.1 控制方程组

MIK11水动力学模型的微分方程一维明渠非恒定流方程[7]，即圣维南(saint-Venant)，方程组具体形式为：

式中，S，t—空间与时间坐标；A—河道过水断面面积；Q—断面流量；q—均匀旁侧入流；Qc—集中旁侧入流；δ—Diracδ；Z—水位；K—流量模数，由谢才公式计算得到。

2.2 方程组的离散

利用Abbott六点隐式格式离散上述控制方程组[8- 9]，离散格式在每一个网格节点并不同时计算水位和流量，而是按顺序交替计算水位和流量，分别称为h点和Q点，如图1所示。

图1 Abbott格式水位点、流量点交替布置图

格式为无条件稳定，可以在相当大的Courant数下保持计算稳定，可以取较长的时间步长以节省计算时间。

2.3 边界条件及控制断面

计算分为三段：宫山咀水库坝下桥(JC07)～阎王鼻子水库大坝(Y0)、阎王鼻子水库坝下～白石水库大坝(B1断面)、白石水库坝下桥～大凌河口(DH1)。

历史洪水复核起点水位：宫山咀水库坝下桥(JC07)～阎王鼻子水库大坝(Y0)起点水位采用《阎王鼻子水库工程初步设计报告》的成果，见表1。

表1 阎王鼻子水库设计水位

阎王鼻子水库坝下～白石水库大坝(B1断面)段起点水位采用《白石水库2013年控制运用计划》成果，白石水库坝前B1断面水位～流量关系如图2所示。

图2 大凌河白石水库坝前水位-流量关系线

白石水库坝下桥～大凌河口(DH1)段起点水位采用河口处潮位，根据水文分析成果，大凌河口(DH1)以洪水为主，历时5～100年一遇时水位均为2.99m。阎王鼻子水库及白石水库库区段采用最高库水位与最大入库流量水位的外包值。

大凌河宫山咀水库坝下～河口段水力计算，采用的控制断面包括两种，一种为流量水位控制断面，如阎王鼻子水库、白石水库等有一定运用条件的拦河建筑物；一种为流量水位观测断面，如大城子站、朝阳站、义县站、凌海站等不能调控水流，但可以记录水流过程的断面。水力计算中在模型设置里添加流量水位控制断面进行水流调节，通过流量水位观测断面校核模型。

3 洪水复核

参考2004年、2010年、2012年、2014年实测河道断面资料及2000年、2005年、2008年、2013年平面地形[10]，通过糙率选取、模型计算参数确定，最终复核得到与1994年洪痕及水文站实测洪水较为接近的数学计算模型成果。大凌河属于多沙河流，床面泥沙颗粒组成细，淤沙又厚，河床在洪水过程中具有涨冲落淤的特性。所以洪痕验证时糙率的选取不能只考虑河道内床面组成、滩地植被、阻水建筑物等情况，还要考虑洪水过程中的河床特性。洪痕验证结果及各断面糙率成果见表2。燕都新城以上河段无实测洪痕成果，计算糙率主要采用水文站洪水验证成果及参考《水力计算手册》中的天然河道糙率表。凌海水文站以下河段由于断面有所淤积，计算糙率主要参考《水力计算手册》中的天然河道糙率表及以往成果。

4 行洪能力分析

4.1 堤防超高复核

由于大凌河防洪工程建设年代跨度较大、工程比较分散，各段堤防型式、河道条件及气象条件差别较大，因此，对大凌河堤防的超高进行了复核，见表3。根据表3可知，建昌城区段、喀左城区段、朝阳县段、朝阳市段、燕都新城段、义县城区段、凌海城市段本次计算堤防超高与原设计堤防超高基本一致，本次行洪能力分析堤防超高维持原设计成果不变，大平房镇段及凌海市、盘锦市农村段堤防超高按本次计算值考虑。

表2 大凌河干流洪痕验证成果表

表3 大凌河堤防超高复核表

4.2 行洪水位与流量

本次行洪能力分析以2004年、2010年、2012年、2014年实测地形计算现状两岸防洪堤的行洪能力，从100m3/s至设计流量，得到各断面警戒水位、警戒流量和保证水位、保证流量。现状行洪能力基本情况见表4。

由表4可知，大凌河建昌城区段、喀左城区段、朝阳县段、朝阳市段、燕都新城段、义县城区段、凌海城区段，以现状堤顶高程和现状地形条件为基础，除个别河段外，现状防洪能力基本都能达到设计值。经过分析，部分河段现状防洪能力低于设计值的主要原因是滚水坝壅水较大、橡胶坝库区淤积以及桥梁等位置堤顶高程低于设计值。

5 结论

通过大凌河河道行洪能力复核分析，采用的一维MIKE11河流数学模型计算方法、边界条件基本参数是合理的，复核的洪水位、流量结果与实际基本相符。最终确定建昌城区段、喀左城区段、朝阳县段、朝阳市段、燕都新城段、义县城区段、凌海城区段的堤防超高维持原设计成果不变，大平房镇段及凌海市、盘锦市农村段堤防超高按复核计算结果考虑。本研究为大凌河洪水预警、防汛调度决策以及完善防汛总体布置方案提供了有利支撑。