基于MIKE21模型的六股河口三角洲行洪安全分析

王鑫

（辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁沈阳110006）

1 概述

六股河是辽宁省葫芦岛市一条独流入海河流，发源于建昌县谷杖子乡双庙村北篓子山，流经建昌县、兴城市和绥中县，于绥中县小李庄乡大渔厂村附近注入渤海，河流全长158 km，流域面积为3 045 km2，河道比降为0.161%。1959 年，六股河暴发洪水，造成入海口改道冲断，形成了现有的河口三角洲及2 处入海口，河口左汊长3.2 km，右汊长2.7 km。

2008 年以来，六股河入海口水产养殖业迅速发展壮大，养殖户大面积修建海参池、鱼棚等，主要集中在三角洲内、左右汊两岸及海岸线沿线，并于三角洲外沿堆建围堤。据统计，目前六股河河道范围内参池和鱼棚总面积约为410.67 hm2，其中三角洲内约为339.27 hm2，两岸滩地约为71.40 hm2。河道内建筑物阻碍行洪，威胁两岸村屯的防洪安全，且其自身的防洪安全亦难以得到保证，清除河道内建筑物，恢复河道行洪能力是管理部门最为紧迫的任务。

2 工作思路

此次分析工作以河口计算模型为基础，拟定2个分析方案，计算不同条件下的河口水面线，分析对比各组模型的村屯淹没情况、河道水流变化情况等，得出保护对象的防洪能力，量化阻水建筑物对河道行洪安全的影响程度，并就建筑物阻碍行洪这个问题提出多套清除方案，评价不同清除方式对河道行洪安全的影响，具体方案如下：

1）河道内建筑物对河口行洪安全的影响分析。分别计算天然情况（无建筑物）下、现状有建筑物情况下河道两岸村屯抵御洪水能力，计算流量从上滩流量向上递增，每隔200 m3/s 加一个计算流量，至各村屯防洪能力对应流量。

2）河道内建筑物不同处理方案对河口行洪安全的影响分析。分别计算各拟定拆除方案条件下的设计洪水（P=10%，P=5%）成果，计算地形包括现状情况、疏浚平顺、拆除围堤、疏浚平顺+拆除围堤、全部拆除（天然情况）。

3 模型构建

此次行洪安全分析的范围为六股河滨海公路桥至河口段，为了准确模拟各行洪方案下分析范围内河道水流状况，数学模型范围设定为滨海公路桥至海岸线外1.6 km。

3.1 计算方法

计算核心区域河道弯曲分岔，河道内建筑物复杂，且为河口地区，洪水与潮水交互较为复杂，需采用二维数学模型计算，以提高计算的准确性，此次计算模型选择MIKE21 Flow Model（简称MIKE21 FM）二维数学模型。MIKE21 FM 应用在河口、海湾以及海洋近岸区域的水流及水环境的模拟，在模拟二维非恒定流的同时，可考虑干湿变化、密度变化、水下地形、潮汐变化和气象条件等影响因素[1]。

计算采用MIKE21 FM 软件中的HD 模块建立模型，该模块采用非结构化网格有限体积法求解二维浅水方程和动量守衡方程求解[2]，计算方法采用 ADI（Alternating Direction Implicit）和 DS ( Dou⁃ble Sweep ) 格式[3]。

3.2 地形资料及网格处理

平面地形采用2013 年实测1∶2 000 平面地形图，断面地形采用2013 年实测河道小横断。模型地形网格搭建根据不同的地形特点将计算区域划分为五类区域，采用不同的网格大小划分：海洋部分，此区域地形平缓光滑，且远离计算核心区域，网格大小要求不大于30 000 m2；河道左右两侧滩地部分，区域地势较为平坦，现状分布有村屯、养参池以及鱼棚等，网格大小要求不大于3 500 m2；三角洲滩地部分，建筑物较为复杂，鱼棚及参池较多，网格大小要求不大于2 500 m2；三角洲围堤部分，网格大小要求不大于400 m2；主槽部分，由于河道滩槽差多在2 m 以上，主槽宽150～550 m，为真实模拟河道地形特点，网格大小要求不大于1 000 m2。

3.3 曼宁值

根据该河段的河道特性（地形、地貌、河床组成以及水流条件等），参照《洪水风险图编制导则》推荐的糙率值，确定此次计算所用曼宁值范围：外海曼宁值为40.00，河道主槽曼宁值为40.00，参池曼宁值为20.00，鱼棚及村屯曼宁值为14.28，旱田曼宁值为16.67，空地曼宁值为28.57。

3.4 边界条件

此次水力计算采用2 个计算频率洪峰流量作为上游设计洪峰流量，即P=10%，P=5%，对应流量为4 588，6 642 m3/s。下游设计潮位采用与洪水频率相当的10 年和20 年设计潮位，设计潮位成果见表1。

表1 六股河河口设计潮位成果表

3.5 计算结果

通过逐级流量试算，天然无建筑物情况下，4个村屯能防御洪水量级中最小的流量为2 000 m3/s，即张庄子村能防御的洪水量级。在同等2 000 m3/s流量，对于现状有建筑物情况下，张庄子村、大渔场村、小渔场村、侯家屯村最大淹没水深分别为1.29，0.71，0，0.58 m，淹 没面积分 别 为 35.60，71.20，0，7.27 hm2。

4 行洪安全分析

1）河道内建筑物对河口行洪安全的影响分析

天然无建筑物和现状有建筑物情况下，各村屯可防御的最大洪水量级如表2 所示，可见河道内建筑物对村屯的防洪能力影响非常明显。10 年一遇洪水条件下，现状建筑物造成村屯位置最大壅水1.48 m；20 年一遇洪水条件下，现状建筑物造成村屯位置最大壅水1.98 m。

表2 各村屯抵御洪水能力统计表 m3/s

2）河道内建筑物不同处理方案对河口行洪安全的影响分析

结合清障工作实施的难易程度，此次初步拟定4 套清障方案，各方案实施效果排序：全部拆除>疏浚平顺+拆除围堤>拆除围堤>疏浚平顺。各频率洪水条件下不同清障方案效果统计见表3。

表3 各频率洪水条件下不同清障方案效果统计表 m

通过对各方案的壅水影响对比分析，六股河口三角洲围堤、参池及鱼棚修建为阻碍行洪的主要原因，10 年一遇洪水条件下，三角洲围堤造成村屯位置壅水0.58~1.07 m，参池及鱼棚造成村屯位置壅水0.40~0.79 m；20 年一遇洪水条件下，三角洲围堤造成村屯位置壅水0.62~1.37 m，参池及鱼棚造成村屯位置壅水0.57~1.03 m。大面积参池及鱼棚引起的连带壅水效应难以通过其他工程措施彻底消除，疏浚平顺+拆除围堤方案实施效果与河道天然情况（全部拆除）仍有明显差距。

5 结语

利用MIKE21 二维数学模型，对六股河河口三角洲进行的水流模拟计算，河道弯曲、分汊等引起的水面比降及水流分布均得到了较为清晰的体现，清障前后及区域糙率不同引起的水位及流场的变化也能很直观地显现出来，计算成果合理可靠，具有较高的实用价值。研究成果可为管理单位提供决策支持，同时也可为相关工程建设提供依据，研究方法对其他河流河口三角洲行洪模拟、河道清障效果分析等具有一定的参考价值。另外，由于六股河口实测洪水资料较少，随着资料不断积累，可对模型参数重新率定，以使计算结果更加精确。