基于MIKE21模型的大辽河漫滩洪水淹没损失分析

吴 旺

(辽宁省水利水电勘察设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006)

1 概述

大辽河系指浑河、太子河两河汇流点三岔河起，至入海口止的一段河流(全国第一次水利普查中将其归为浑河下游段)，先后流经海城市、盘山县、盘锦市、大石桥市、营口市等市县，河流全长约96km[1- 3]。大辽河地处辽河下游冲积平原，河道蜿蜒曲折，两岸地势平坦，属典型的弯曲型平原河道，河道整体流向为向西南，由三岔河经下坎子、石佛、赏军台、田庄台、水源，至荣兴农场附近，流向折向东南，经鸭岛进入营口市[4]。大辽河于营口市周围成一个180°弯后，流入辽东湾。

大辽河全河为感潮河段，大潮可上溯至三岔河以上[5]。自三岔河以下划分为3段：三岔河至田庄台为河流段，既受河水控制又受潮水影响；田庄台至营口为过渡段，主要受潮水控制；营口以下为潮流段，完全受潮水控制[6- 7]。目前，大辽河防洪工程体系已基本建成，两岸均有连续堤防。左岸利民闸以上、右岸大碾子公路以上河段防洪标准50年一遇，对应设计流量为8795m3/s，其中田庄台以上为防洪堤、以下为防潮堤。左岸利民闸以下、右岸大碾子公路以下为防潮堤，堤顶高程大多高于历史高潮位[8]。

大辽河两岸堤距在600～3800m之间，主槽平均宽约500m，河滩地内分布有大面积农用地，河滩地受淹情况直接关系到地方经济损失，漫滩洪水流量控制问题一直以来是上游水库放流及地方防汛预警关注的重点难点，分析研究大辽河漫滩洪水的淹没损失具有很大的指导意义。

2 数学模型建立

2.1 计算方法

大辽河为感潮河段，河道主槽蜿蜒曲折，滩地宽窄不一，下游潮差大，水流条件极其复杂。为更准确地模拟实际地形和边界条件，本次计算采用MIKE21 FM二维数学模型。此模型是丹麦水力学研究所(Danish Hydraulic Institute，简称DHI)开发的二维河网模型系统，其精度高、守恒性好、使用方便，广泛应用于水动力模拟研究[9]。MIKE21 FM应用在河流、湖泊、河口、海湾以及海洋近岸区域的水流、泥沙及水环境的模拟，在模拟二维非恒定流的同时，可进行干湿边界设置，方便进行滩地水流模拟[10- 11]。

计算采用MIKE21 FM软件中的水动力(Hydrodynamic)模块建立模型，该模块利用ADI二阶精度的有限差分法对动态流的连续方程和动量守衡方程求解，计算方法采用ADI(Alternating Direction Implicit)和DS(Double Sweep)格式[12- 14]。

2.2 计算条件

2.2.1地形资料

本次计算地形采用2005年实测1∶10000河道平面地形图和2011年实测河道横断面，模型主槽网格结合2011年横断进行校核修正。模型计算范围确定为三岔河口—入海口段，两岸以堤防作为控制。为准确反映计算区域的实际地形，对模型中的道路、围堤等网格进行加密处理。地形网格搭建如图1所示。

图1 二维地形网格图

2.2.2糙率

糙率结合现状河道地形地貌、植被情况、滩槽分布情况、河床质组成等特性，参考2011年《辽、浑、太、大四河行洪能力分析》成果，并通过与2013年洪痕调查成果核实重新修订。本次模型主槽糙率范围为0.01～0.02，滩地糙率范围为0.025～0.04。

2.2.3边界条件

计算流量从200m3/s逐次增大至河滩地完全淹没，逐次增加量为200m3/s。另外计算50年一遇洪水水面线，对应流量为8795m3/s。

通过对大辽河河口1954—2010年共57年的洪潮遭遇情况进行统计分析，其洪潮遭遇不具备关联性，以洪水为主和以潮水为主两种情况下的河口水位成果见表1。本次为计算大辽河漫滩洪水淹没情况，综合考虑，模型起点水位采用以洪水影响为主的洪潮遭遇水位[15]。

表1 大辽河河口潮水位成果表

2.3 计算结果

2.3.1平滩流量

大辽河河滩地势较为平坦，滩地横比降由主槽向堤防方向逐渐变缓，平滩流量统计以滩唇点高程代表平滩高程是合适的，平滩流量即为水位与滩唇点高程基本相平时对应的流量。统计各计算断面滩唇点高程，并结合大辽河水面线逐级流量计算成果，形成平滩流量成果见表2。

表2 大辽河河道平滩流量成果表

2.3.2保证流量

大辽河两岸现状均有连续堤防，左岸利民闸以上、右岸大碾子公路以上河段堤防经过系统整修，防洪标准50年一遇，堤段以田庄台为界，以上为防洪堤、以下为防潮堤；左岸利民闸以下、右岸大碾子公路以下堤防未经过系统整修，为防潮堤。本次计算大辽河50年一遇洪水水面线(流量为8795m3/s)发现，沿河堤防基本能满足原设计泄洪要求。大辽河各堤段保证流量见表3。

表3 大辽河河道保证流量成果表

3 河道行洪范围地类划定

河道行洪范围地类划定基础资料包括2005年1∶1万河道平面地形图和2011年实测大辽河河道地类分布图。

(1)河道主槽边界及堤防布置均采用2005年1∶1万河道地形图成果，大辽河两岸均有连续堤防，行洪范围以两岸堤防为界。

(2)行洪范围内地类类别及相应面积采用2011年实测大辽河河道地类分布图成果。

统计大辽河河道行洪面积约151428亩，河道主槽面积约31681亩，滩地约119748亩。河滩地地类以水田、旱田、芦苇、湿地、鱼塘为主，其中水田占比最多，约为49%。滩地面积中，荒地约1415亩，旱地约23357亩，水田约58840亩，林地约3739亩，鱼塘约10553亩，大棚约4271亩，苇田、湿地约11878亩，其他地类约5694亩。大辽河河道面积及地类面积等见表4。

4 淹没损失分析

大辽河漫滩洪水淹没损失主要利用各级流量淹没线进行圈定，结合2011年浑河河道外业调查地类成果图将河道淹没面积细分至各地类，并按地类地物进行归纳制表。大辽河河道淹没损失统计成果见表5、图2。可见，大辽河滩地在200m3/s流量下淹没面积33079亩，约占滩地面积的28%；至3400m3/s流量下河滩地完全淹没，淹没面积119748亩。其中1000～2000m3/s流量区间淹没损失随流量递增幅度最大，淹没面积占比从35%急剧增至84%。，平均每2003/s流量增加淹没面积约10%(约1.2万亩)。1000～2000m3/s流量区间中又以1600m3/s和2000m3/s流量淹没递增量最大，分别较上级流量增加淹没面积约2.2万亩和1.7万亩。

表4 大辽河河道面积一览表 单位：亩

5 结语

本文通过逐级流量计算，分析统计了大辽河不同量级漫滩洪水的淹没损失，模型计算采用实测资料，充分考虑了跨河建筑物、洪潮遭遇情况等影响因素，并进行了历史洪痕复核，具有较高的准确度和可信度。研究成果可为上游水库调度、洪水预警及洪水风险评估等提供参考依据，研究方法对弯曲型平原河道具有较强的适用性。值得指出的是，本次实测地类时间为2011年，随着时间推移河道内地类若发生较大面积变化，应在本次分析计算基础上进行相应调整，以确保成果切合实际。