基于MIKE软件的海城河洪水风险分析研究

刘 瑶

（辽宁江河水利水电新技术设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110003）

洪水灾害是发生最频繁、分布最广泛的自然灾害，给社会经济发展及人民生命财产带来巨大威胁。面对严峻的防洪形势，工程措施难以进一步显著提高防洪能力的现实情况，编制洪水风险图并将其应用到洪水风险管理实践中，对于提高我国江河防洪减灾能力、减轻或避免生命财产损失具有重要意义。编制洪水风险图是实践治水新思路、建立洪水风险管理制度、开展洪水风险管理的重要基础支撑，也是国家的前瞻性、战略性信息基础建设工作之一。文章基于MIKE软件，以辽宁省中小河流海城河为例，按河流遭遇超标准洪水时面临的防洪形势，开展洪水风险分析，制作洪水风险图，对于与本研究河流特征相似的洪水风险分析具有借鉴意义。

1 MIKE软件简介

MIKE软件是由丹麦DHI水环境研究所开发的河流模拟系列软件，包括水动力模型、水质模型、水资源分析、城市水问题等。其中MIKE11（一维）和MIKE21（二维）的动态耦合一、二维水动力模型（MIKE FLOOD）作为洪水分析软件，在城市内涝、河道洪水、沿海风暴潮洪水研究中应用广泛。

MIKE FLOOD是一维和二维动态耦合的洪水模拟软件包，为河流与防洪保护区之间提供了有效的动态连接方式。MIKE FLOOD集合了MIKE11和MIKE21中的元素，并且专门为了洪水模拟改进了功能。这种耦合具有很高的灵活性，使用户能够在一维模型中实现二维的局部细化分析。

河道洪水的演进过程采用非恒定流计算，且需要模拟溃堤后水流的平面运动情况，因此可在河道内计算采用一维非恒定流模型，河道外采用平面二维模型。将一维模型与二维模型耦合，可以准确模拟出洪水历时当中河道内洪水向堤外的扩散演进过程。

2 研究区概况

2.1 河道及防洪工程情况

海城河是太子河左岸支流，发源于辽宁省海城市孤山镇兄弟山，流经孤山、析木、岔沟、马风、八里、响堂、海州、兴海、铁西、西柳、东四、中小、望台、牛庄14个镇（区），于牛庄镇北邢家窝棚流入太子河，全长92 km，流域面积1 377 km2。除上游少数区域为山丘地势外，整个区域地势以平原区为主，一旦海城河发生溃决，只有部分较高的铁路和公路能够阻水，洪水影响区域较大。

本次海城河洪水风险分析范围为沈海高速公路桥至拦河山段，河段长约16.7 km，其中沈海高速公路桥至东外环桥12.48 km为城区段，东外环桥至拦河山4.23 km为城郊段，见图1。

图1 海城河编制区域示意图

海城河城市段河面较宽，两岸堤防修建较为完善，堤防现状为：左岸关帝庙桥下游至沈海高速段堤防防洪标准为20年一遇，上游东外环桥向下游新建2.44 km堤防，防洪标准为50年一遇，东外环桥上游为20年一遇；右岸均建有堤防，防洪标准为50年一遇。

2.2 暴雨洪水

海城河洪水由暴雨形成，洪水与暴雨相应，发生在6～9月，全年最大洪水多发生在7～8月份，尤以8月最多。海城河属山溪性河流，河道坡降陡，河槽调蓄作用小，急骤强烈的暴雨形成陡涨陡落的洪水。由于一次天气过程造成的暴雨历时较短，而且主要暴雨集中于1 d时间内，致使较大洪水多呈单峰型。一次洪水历时3 d左右，主要集中在1 d时间内，洪峰受暴雨雨型控制。

新中国成立以来，发生20多次洪水。海城水文站出现超2 000 m3/s的洪峰7次，海城站实测最大洪峰流量3 230 m3/s，超过20年一遇，为有记录以来的第1位，发生在2012年。2012年，受第10号台风达维影响，8月4日凌晨开始普降大暴雨，海城河流量3 230 m3/s，是有水文记录以来海城河全流域最大洪水，造成海城河下游5处堤防漫堤决口，损失达36.12亿元。

3 模型构建及洪水风险分析

3.1 建模范围

本次海城河洪水风险分析范围，为拦河山至沈海高速公路桥段及两岸保护区。计算中以海城河左、右岸堤防作为一维河道和二维区域的分界线，对计算区域网格进行划分。通过分析区域的洪水组成并结合断面测量情况，确定一维河道的计算范围，为上起拦河山上游约1 km处的实测断面，下至沈海高速公路下游约1.8 km处的实测断面。

二维模型范围包括海城河拦河山至沈海高速公路桥段可能淹没的区域。海城河左岸编制区以海城河左岸堤防、沈海高速、丹锡高速及部分高地为界；海城河右岸以海城河右岸堤防、太子河支流左岸、沈海高速公路及部分高地为界，编制区域总面积约182.2 km2。

3.2 参数设置及模型率定

模型参数的取值是否合理，对于模型计算结果的精确性至关重要。流域植被，河道坡降，河床地质、河道断面形式及河道上的建筑物等，都会对河道洪水演进产生影响，因而河道的概化以及参数的选定会影响到洪水演进计算成果。为了使洪水演进计算能较好地模拟流域洪水特征，须通过实际洪水复演计算确定各项计算参数，并分析洪水计算模型概化的合理性。

海城河参数率定时将已有的参数成果作为糙率初值，在此基础上不断的调试，以保证各个河段的水位与流量均满足精度要求。本次采用海城河2012年8月4日实测洪水过程对模型糙率等关键参数进行率定，以海城河2012年8月4日实测洪痕作为糙率率定依据，具体结果见图2。

图2 沿程水面线计算值与实测值拟合图

由计算结果可得，模型计算值与实测值符合较好，误差最大值仅为0.06 m，在合理范围内，故糙率率定结果可用于其他方案的计算。具体糙率的选取为：直段河道主槽的综合糙率为0.020～0.035；个别河势不顺直且有挑流及回水现象的断面综合糙率为0.025～0.050；河道边滩地高低不平，阻水较为严重，边滩糙率取0.04～0.06。

3.3 洪水风险分析

根据现场调查及分析，海城河设置中央堡小学及香山公园附近2个溃口，计算洪水频率选择超标准洪水。通过模型计算可以得出各个方案下洪水淹没范围、淹没水深等洪水要素。

将海城河2个堤防溃口超标准洪水淹没计算结果叠加分析，得出最大水深包络范围，如图3所示。

图3 洪水淹没范围图

从图中可以看出，海城河研究区域受洪水影响的危险区分布，主要涉及码头街道、东柳街道、前柳街道、验军街道，最大淹没水深为4.21 m，最大淹没范围为36.7 km2。从淹没区分布范围来看，香山公园溃口处地势高，洪水危险区分布相对较小。而中央堡小学历史溃口处地势较为低平，受洪水影响范围较大，海城河右岸海城市区段防洪标准较低，且地势较为低平，受洪水影响范围较大。从社会经济方面看，香山公园附近溃口淹没面积较小，因此淹没农田面积也较小。中央堡小学溃口淹没影响范围为人口高度集中的西柳镇，淹没影响范围涉及东柳街道、西柳街道及码头街道，因此，该处溃口受影响人口数最多，汛期应重点防护。

4 结语

基于MIKE软件建构的河道与洪泛区一维二维水动力耦合模型，该模型能综合反映地形、房屋分布、河流水系、道路和铁路等下垫面条件对洪水演进的影响，洪水淹没空间分布合理。通过洪水风险计算分析，得出区域内洪水淹没水深及范围分布情况，汛期应加强洪水风险区域防汛管理，研究成果为海城河流域防洪应急预案编制、防洪抢险等工作提供科学依据。研究方法可应用于其它类似河流洪水风险分析中。