辉发河干流洪水风险分析

高 鹏，刘 力

辉发河干流洪水风险分析

高 鹏1，刘 力2

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021；2.丹东市水利勘测设计研究院，辽宁丹东118000）

根据辉发河洪水特点及防洪工程现状，分析发生大洪水的原因及洪水发生的特点和过程，应用MIKE系列软件模拟一、二维耦合数值模型，计算辉发河的洪水淹没范围以及洪水流速，对辉发河干流左右岸洪水演进模拟结果进行淹没风险分析，为辉发河上游的水利工程安全建设规划及防洪评价提供重要依据。

洪水；风险；辉发河；MIKE FLOOD

1 概况

辉发河位于吉林省南部，是松花江丰满水库以上的一大支流。辉发河发源于吉林省清源县龙岗山脉中段的滚马岭，出源后向北流33 km后进入吉林省境内，流经梅河口、辉南、磐石、桦甸等县市，于桦甸市金沙乡福星村福安屯汇入松花江（丰满水库库区）。流域形状呈扇形，全流域集水面积14 896 km2，河长267 km，其中吉林省境内集水面积14 376 km2，河长234 km，河道平均比降0.5‰。

辉发河上游海龙水库以上以低山为主，河道窄浅。海龙水库至山城镇两岸为丘陵地带，河道逐渐变宽，河谷宽500～2 000 m。由山城镇到梅河口市城区段河谷宽3 000 m左右。梅河口市到朝阳镇河谷更加开阔，中间加入莲河和大沙河，地势以丘陵岗地与河谷平地交错分布，谷宽发展到4 000 m左右，左岸岗坡及支流河谷已开发为耕地，右岸谷坡较缓，大部分也开垦为耕地。河口段河道两岸较平坦，有宽广的河漫滩，均已开发为水田。

辉发河流域地处亚洲大陆东端的中纬度地带，大陆性气候十分明显，主要特点是四季分明，春季干燥多风，夏季温热多雨，秋季凉爽晴朗，冬季寒冷漫长。多年平均降水量在700～800 mm之间，上游海龙站多年平均降水量为707.4 mm，下游桦甸站多年平均降水量754.6 mm。降水量年内分配不均匀，主要集中在6—9月份，站年降水量的70%左右，受降雨影响，河水季节变化较大。

辉发河两岸支流较多，且分布形状呈树枝状河网，两岸对称、平衡发育，左右岸集水面积大小相当，其较大支流有莲河、大沙河、一统河、三统河、挡石河和金沙河等。

2 洪水特性分析

辉发河流域洪水均由暴雨产生，一般一年两汛，春汛和夏汛。造成灾害的主要是夏汛洪水，由暴雨形成。夏汛洪水主要发生在6—9月，大洪水主要发生在7，8月。洪水过程多为单峰，一次洪水过程一般在7 d左右，基本是陡涨陡落，1 d洪量占3 d洪量的40%以上，3 d洪量占7 d洪量的50%以上。

3 防洪工程现状

辉发河防洪体系由水库、堤防组成。辉发河干流上游有海龙水库，总库容3.16×108m3，为辉发河流域唯一一座大型水库，但由于其控制流域面积548 km2，仅占辉发河流域面积的3.7%，对下游的防洪作用有限。辉发河干流沿岸的防洪任务主要由沿岸堤防承担。

辉发河海龙水库坝下至辉发河河口，河道总长215.32 km。辉发河干流堤防多数是20世纪70年代修建，1995年大水后进行了加固治理，现有堤防长177.55 km，其中左岸堤防长97.92 km，右岸堤防长79.63 km，断续分布在河流两侧，堤距一般300～700 m。

辉发河农村段堤防总长124.59 km，占总堤防长度的70.2%，堤防多修建于20世纪70年代，修建时防洪标准为10年一遇，1995年大水后进行了加固治理。堤身以壤土为主，局部为砾质粗砂，堤基为砾质粗砂。城区段堤防总长52.96 km，规划防洪标准为50年一遇，梅河口市、辉南县城区堤防防洪标准现状为50年一遇，桦甸市城区堤防基本达到100年一遇标准。

4 洪水风险分析

为了解辉发河发生超标准洪水后，沿河漫溢的淹没范围、淹没水深、洪水到达时间及洪水在保护区内的演进过程等信息。采用一维非恒定流模型MIKE11模拟河道洪水演进过程，采用二维非恒定流模型MIKE21模拟淹没区的洪水演进过程。采用MIKE FLOOD模型将河道一维非恒定流模型、淹没区二维非恒定流模型动态耦合，以模拟漫溢对编制区的影响。

4.1 一维水动力模型

MIKE11是模拟河口、河流、河网、灌溉系统水流、水质、泥沙输运等一维问题的专业软件包，其核心部分为水动力学模块（HD）。模型中描述河道洪水运动是利用Abbott六点隐式格式求解圣?维南（Saint-Venant）方程组，公式如下：

连续性方程：

式中：Q为断面流量，m3/s；A为过水断面面积，m2；q为源汇的单宽流量，m2/s；x，t分别是距离坐标和时间坐标；h为水深，m；C为谢才系数；R为水力半径，m；g为重力加速度，m/s2；α为动量校正系数。

MIKE11采用的离散方法是Abbott-Ionescu六点有限差分格式，用追赶法求解。计算时在网格点按顺序交替计算流量和水位，以其为中心对控制方程进行离散。

洪水分析选用流量过程作为上边界条件，共设置了14个上边界，分别位于海龙水库坝下、西河河口以上，以及区间较大支流西河、梅河、莲河、大沙河、一统河、三统河、挡石河、蛤蟆河、石道河、富太河、呼兰河、金沙河河口处，其中海龙水库坝下的上边界条件采用海龙水库各频率调洪出库流量过程，其它为各区间设计流量过程。下游边界采用丰满水库1995年典型同频率调洪库水位过程。辉发河河道糙率参考《辉发河防洪规划报告》《吉林省辉发河重点段治理工程可行性研究报告》设计成果，主槽糙率取值在0.03～0.035之间，滩地糙率取值在0.06～0.09之间。

4.2 MIKE21二维水动力学模型

该模块属于平面二维水流模型，适合模拟具有自由表面的港口、河流、湖泊及海洋等，采用二维非恒定流方程组作为控制方程，包括水流连续性方程、水流沿x方向及y方向的动量方程，采用ADI逐行法对连续方程及运动方程分别进行时空上的积分，每个方向及每个单独的网格线产生的方程矩阵用追赶法求解。

二维非恒定流方程由水流连续方程和动量方程组成，具体形式如下：

式中：h为水深，m；Z为水位，m；u，v为 x，y方向沿垂线平均的水平流速分量，m/s；g为重力加速度，m/s2；n为糙率；q为源汇项，m/s。

MIKE21具有2套空间离散系统，分别是矩形结构和三角形非结构网格。洪水分析采用无结构三角形对溃堤影响区域进行剖分。区域总面积约为1 235.4 km2，控制最大网格面积不大于0.04 km2，网格总数95 784个，最大网格为0.039 km2。区域内部的桥涵、圩堤、引水渠和路基等建筑物，采用MIKE 21的水工建筑物模块进行概化和模拟。淹没区下垫面类型及糙率的选取对洪水分析结果有很大影响，依据收集到的土地利用图对区域地物进行概化，将淹没区分为村庄、树丛、旱田、水田、道路、荒地共6种地表类型，对各类型下垫面糙率分别赋值，见表1。

表1 淹没区下垫面糙率表

4.3 一、二维模型耦合

一、二维模型耦合的原理是在两者的连接断面处补充物理量之间的关系，以此实现两者的耦合。采用MIKE FLOOD将MIKE11和MIKE21结果进行耦合，耦合方式采用侧向连接，将MIKE的各个河段的河道两侧分别于MIKE21的一系列网格单元相连。

4.4 模型率定与验证

选用2010年汛期8月19—27日实测洪水过程，对一维河道模型参数进行率定。以海龙水库站流量过程作为模型的上游边界，并根据实测资料计算海龙水库站～梅河口站、梅河口站～朝阳站、朝阳站～五道沟站的各区间流量过程，作为区间入流过程，以辉发河河口的水位流量关系作为模型的下游边界，通过调整辉发河的河床主槽及滩区的糙率参数，使得梅河口水文站、朝阳水文站、五道沟水文站处的模拟水位、流量值与实测水位、流量过程最大程度地吻合。洪峰流量误差控制在8%以内，最高水位误差控制在15 cm以内。

选用1995年7月23日至8月14日实测水文资料对一维河道模型率定得到的河道糙率成果进行验证，洪水涨、落趋势与实测情况拟合较好，流量过程误差在20%以内，水位误差不超过20 cm。验证结果符合要求。

4.5 计算结果分析

在溃口流量方面，洪水量级越大，堤防开始溃堤跑水时间越早，溃口洪峰流量也越大，相应进入淹没区的水量增加。以城东村溃口为例，20，50，100年一遇洪水溃口洪峰流量分别为310，513，706 m3/s，进入淹没区的水量分别为3 685×104，7 442×104，10 072×104m3。

在淹没面积方面，淹没面积随河道洪水的洪峰流量增大而相应增大。以100年一遇洪水整体漫溢方案为例，20年一遇洪水淹没面积38.7 km2，50年一遇洪水淹没面积88.8 km2，100年一遇洪水淹没面积127.6 km2，20年与50年一遇洪水淹没面积差异较大，主要为50年一遇洪水多数农村堤段已形成漫溢。

在洪水流速方面，除溃口处、道路下的桥洞及局部洼地等处计算流速较大外，其它绝大部分区域最大洪水流速均在0.50 m/s以下。同一溃口淹没区的洪水流速随洪水量级的增大而增大，且最大流速基本位于同一区域。

5 结论与建议

1）分析了辉发河洪水特点及防洪工程现状，应用MIKE FLOOD软件一、二维耦合模型模拟了辉发河干流左右岸30，50，100年一遇洪水演进过程，对洪水淹没水深和洪水流速进行了分析。

2）辉发河属于山区河流，河道狭窄，洪水陡涨陡落，水位变幅大，20年与50年、50年与100年一遇洪水之间最高水位差一般可达1 m左右，致使辉发河发生100年一遇洪水时，多数农村堤段出现漫堤，堤防失去防洪作用。建议根据区域的水文及雨情监测站网，及时掌握雨情和水情，提前做好沿岸农村地区避险转移的准备。

3）辉发河沿岸农村段防洪标准为20年一遇，城市段防洪标准为50年一遇，现状堤防尚存在堤顶高程不达标、堤身宽度不够等问题，特别是农村堤段险工众多，堤防整体整治十分必要，建议尽快实施辉发河重点段治理工程，为辉发河沿岸地区居民提供安全提供保障。

［1］修海峰，吴联志.基于MIKEⅡ的平原河网洪水演进水动力研究［J］.南水北调与水利科技，2012，10（6）：151-154.

［2］王领元.用MIKE对河流一、二维的数值模拟［D］.大连：大连理工大学，2007．

［3］姜俊厚.基于MIKE和GIS洪水风险计算的应用研究［D］.大连：大连理工大学，2010．

［4］吉林省水利水电勘测设计研究院.辉发河流域防洪规划报告［R］.2000.

［5］吉林省水利水电勘测设计研究院.吉林省辉发河重点段治理工程可行性研究报告［R］.2012.

TV122 < class="emphasis_bold"> ［文献标识码］B

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1002—0624（2017）12—0036—03

2016-11-24