基于一维模型与MIKE21模型的珲春河城区段防洪能力评价研究

于 洋，崔欣月，马壮壮

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130021）

0 引言

近年来，随着我国经济社会的快速发展，各项防洪工程建设陆续进入加速期，同时，随着桥梁、闸坝、风景区及河道定期清理疏浚等大量涉河工程的建设实施，河道的防洪形势发生了变化，对河段防洪能力产生了一定影响，因此，以现状防洪工程为基础，评价河道防洪能力并找出防洪能力薄弱的河段具有重要的现实意义[1，2]。从保护人民生命财产安全和促进国民经济建设发展的角度考虑，利用合理的方法计算河道水面线，对比现状防洪工程体系下的防洪能力，分析现状防洪工程体系是否满足各防洪对象相应的防洪要求，可以为地方防汛实时指挥、应急预案的制定和防洪工程规划等提供数据支撑[3]。目前，工程实践中常用一维常规模型与丹麦DHI MIKE 水动力模型进行模拟计算[4]。下文以珲春河城区段河道为研究对象，采用一维常规模型与MIKE21 二维水动力模型对其防洪能力进行评价，并提出有效的防洪措施。

1 河道概况

珲春河发源于吉林省汪清县复兴镇西南秃头岭，在珲春市城区西南侧汇入图们江，是图们江下游最大的一条支流。珲春河全长199.0 km，平均比降0.21%，流域总面积3 963 km2。珲春河流域洪水主要由暴雨产生，多集中在7—9 月，洪水多陡涨陡落、峰型尖瘦，一次洪水延续时间约为7 d，且洪水量级随暴雨中心位置及笼罩面积不同而变化。

珲春河干流左岸松林河～光新河、右岸头道河～图鲁电站河段为珲春河干流城区段，堤防防洪标准为50 年一遇。近年来，珲春地区屡受台风侵袭，导致珲春河干流部分堤段发生多次险情，同时，涉河工程的建设也使得珲春河干流防洪形势发生了变化，一定程度上影响了该河道的防洪能力。

2 研究方案和计算条件

2.1 常规一维模型

2.1.1 一维模型研究方法

常规一维河道水面线计算采用恒定非均匀流公式，用分段试算法计算。

式中：Z1，Z2分别为计算河段上、下游相邻断面的水位，m；n为河段糙率；Q为河段过流量，m3/s；△L为上、下游断面间距，m；χ1，χ2分别为上、下游过水断面湿周，m；A1，A2分别为上、下游过水断面面积，m2；α，ξ分别为平均流速水头系数和局部阻力系数；v1，v2分别为上、下游断面的水流流速，m/s。

桥梁依据铁三院壅水计算公式进行壅水计算。

式中：△h3为桥梁壅水高度，m；δ为壅水系数；h3为天然河道正常水深，m；b为桥墩间净宽，m；B为无桥墩时的截面宽度，m。

2.1.2 计算条件

1）河道断面

此次防洪能力评价模型的计算范围是老龙口水库坝址至珲春河河口河段，计算长度约为46.2 km，其中，珲春河干流城区段范围为头道河与珲春河汇河口至新民大桥下游2.1 km 处，城区段长度约17.7 km。河道断面资料采用2021 年4 月实际测量断面成果。

2）糙率采用与率定

根据现场调研，该河段主槽与滩地下垫面条件差别较大，此次评价糙率采用主槽、边滩分别取值的计算方法，即主河床河底糙率采用0.035，无作物边滩糙率采用0.04，高杆作物边滩糙率采用0.065，局部滩地建有滨水娱乐设施及零星树木时边滩糙率采用0.08。采用2016 年珲春河实际洪水进行参数率定，验证断面选择新农水文站断面和珲春大桥断面。两断面2016 年洪水洪痕点实测高程分别为25.48，37.50 m，此次计算两断面洪水位分别为25.54，37.58 m，计算与实际的洪水位基本接近，表明此次计算采用的糙率较为合理。

3）起始水位

珲春河河口起始水位采用图们江与珲春河发生同频率洪水时珲春河河口处的图们江水位，根据《图们江下游段（中国侧）流域规划报告》，图们江珲32 号断面距珲春河河口最近，因此，以图们江珲32 号断面对应的50 年一遇（P=2%）洪水位（28.15 m）作为起始水位。

4）河段计算流量

河段计算流量采用老龙口水库以下各控制断面组合洪水计算成果，珲春水文站控制断面50 年一遇洪峰流量为2 980 m3/s，该项目各河段组合洪水见表1。

表1 各河段组合洪水成果表

2.2 MIKE21 二维水动力模型

2.2.1 研究方法

MIKE21 二维水动力模型的主要控制方程为平面二维水流连续方程、平面二维水流的动量方程和静水压力假设。

式中：h为静止水深；t为时间；x，y，z为右手Cartesian坐标系；u，v为流速x，y方向上的分量；uˉ，vˉ为沿水深平均的流速；S为源汇项；f为Coriolis 参量；g为重力加速度；η为水面相对未扰动基面的高度，即水位；ρ0为参考水密度；Pa为当地气压；ρ为水密度；τax，τay，τhx，τhy为水面与河床边界水流切应力在x，y方向上的分量；Sxx，Sxy，Syx，Syy为辐射应力分量；Txx，Txy，Tyx，Tyy为水平黏滞应力；us，vs为源汇项水流速度。

2.2.2 计算条件

1）计算范围

此次珲春河二维模型计算范围为珲春河城区段，上游边界为G302 大桥上游6.3 km 处（H67 断面），下游边界为新民大桥下游2.1 km 处（H28 断面），左右岸以现状堤防为边界，模型全长约17.7 km。

2）网格划分及阻水构筑物处理

模型计算网格为三角形网格，网格最大面积为900 m2，模型计算网格数为25 474 个，节点数为13 676 个。对桥墩、桥台占用河道位置采用不过水处理，对不过水区域附近及桥梁上、下游河段区域网格进行加密处理。

3）边界条件及糙率

二维数学模型计算上游为流量边界条件，下游为水位边界条件。考虑对于防洪最不利的情况，采用恒定流计算。计算边界条件为上游进口采用恒定流量边界，与一维水面线计算条件相同；下游出口断面采用恒定水位边界，根据一维数学模型H28（太阳河）断面的计算结果，选取水位边界为30.74 m；各河段组合洪水流量、糙率选取与一维模型相同。

3 计算成果与防洪能力分析

3.1 计算成果对比

将一维模型、二维模型计算的珲春河干流城区段50 年一遇洪水（P=2%）现状河道水面线与《珲春市珲春河重点段治理工程可行性研究报告》（以下简称《珲春河可研报告》）中珲春河城区段50年一遇洪水设计水面线成果进行对比，其中，珲春河干流城区段保证水位采用扣除设计超高值的堤顶高程，对比结果见表2。

表2 珲春河干流城区段各断面计算结果对比表（P=2%）m

由表2 可知，一维、二维计算水面线与河底高程变化趋势总体相同，一维水面线计算结果均小于二维计算结果，但偏差较小，均在0.20 m以内，两种算法所求水面线成果基本接近，说明计算成果比较可靠。从偏于防洪安全角度考虑，珲春河干流城区段现状防洪能力分析可采用二维计算成果。

城区段现状水面线仅在江心岛断面（H35）高于《珲春河可研报告》成果，原因为江心岛附近为保证灌溉建有临时土坝，对附近河道产生局部淤积，建议拆除临时土坝，并对附近河道进行清淤。

3.2 防洪能力分析

3.2.1 现状防洪能力分析

根据表2可知，各河段断面保证水位均高于二维模型计算的珲春河河道水面线水位，因此，珲春河干流城区段现状防洪能力可以满足安全泄量2 980 m3/s（50年一遇）的要求。

3.2.2 设计河道断面防洪能力分析

根据表2 可知，珲春河城区段河道在H40 断面（森林山大桥附近），设计水面线在左、右岸均未达到50年一遇防洪标准，左、右岸保证水位分别较设计水位低0.78，0.13 m；在H65 断面，右岸未达到50 年一遇防洪标准，右岸保证水位较设计水位低0.21 m。

4 结语

此次采用常规一维模型与MIKE21 二维水动力模型对珲春河城区段进行现状河道防洪能力评价，一维模型计算成果接近并略小于二维模型计算成果，计算结果合理可靠，珲春河干流城区段堤防现状防洪能力基本满足要求；结合《珲春河可研报告》中规划河道设计水面线进行分析，得出过流能力较弱、防洪能力有缺陷的河段，并建议尽快采取工程措施，进一步满足河段堤防防洪能力要求。该研究进一步夯实了珲春河城区段河道行洪能力与堤防防洪能力评价的理论基础，为珲春河城区段防洪工程建设及两岸防洪安全提供了科学依据。