基于MIKE FLOOD的蓄滞洪区分洪能力研究

吴博，尹雄锐

（松辽水利委员会流域规划与政策研究中心，吉林 长春 130021）

0 引言

蓄滞洪区指的是河堤外洪水临时贮存的低洼地区及湖泊等，其中多数历史上就是江河洪水淹没和蓄洪场所[1-3]。在新一轮流域防洪规划以前，根据流域防洪安全保障的需要，我国主要江河流域综合规划和防洪规划确定设置了98 处国家级蓄滞洪区，其中，松花江流域有2 处[4-6]。自1998 年流域大洪水后，松花江流域内蓄滞洪区均未启用过。经过多年的江河治理和防洪安全建设，流域内的防洪形势较以往相比发生了较大变化，且随着经济社会发展，蓄滞洪区内部的发展和开发出现无序的现象，使得蓄滞洪区调蓄洪水的能力大大降低，这就对蓄滞洪区的启用及分洪能力造成一定的困难。本文针对松花江流域胖头泡蓄滞洪区进行研究。

1 研究区概况

胖头泡蓄滞洪区位于嫩江、松花江干流的左岸，肇源县的西北部，东西长约46 km，南北长约58 km，区内总面积为1 994.00 km2，主要由嫩江、松花江一级阶地及漫滩构成，地形总趋势为西北部较高、东南部较低，地势较为平坦，局部地段起伏较大，地面高程一般为125.00～165.00 m。区内岗地总面积约为269.00 km2，泡沼总面积约为342.00 km2，分别占蓄滞洪区总面积的13.00%和17.00%。区内有10 个乡镇、70 个村、210 个自然屯，总人口为17.0 万人。区内国内生产总值为88.68 亿元，其中，第一产业为27.60 亿元，第二产业为41.50 亿元，第三产业为19.58 亿元。老龙口分洪闸是蓄滞洪区的进洪闸，位于嫩江左堤，老砍子退水闸是蓄滞洪区的退水闸，位于松花江干流左侧。

2 模型构建与参数率定

当前，采用水动力学模型分析洪水在某一地区的传播是比较普遍的方法[7]。本文采用DHI MIKE FLOOD 模型进行洪水演进模拟，对河道采用MIKE 11 进行一维模型模拟，对蓄滞洪区采用MIKE 21 进行平面二维模拟，在嫩江老龙口分洪闸处设置虚拟河道，采用标准连接方式实现一、二维模型的耦合。

2.1 基本方程

2.1.1 圣维南方程组

MIKE 11 中描述河道洪水运动的基本方程为圣维南（Saint-Venant）方程组，其计算公式：

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；α为动量校正系数；g为重力加速度；h为水深，m；C为谢才系数；R为水力半径，m。

2.1.2 平面二维浅水方程

二维非恒定流方程由水流连续方程和动量方程组成，计算公式：

式中：Z为水位，m；u，v为x，y方向流速分量，m/s；n为糙率；q为源汇项，m/s。

2.2 参数率定

2.2.1 一维河道参数率定

MIKE 11 一维河道模型的参数文件主要是用来定义模型模拟的河床糙率[8，9]。此次河床初始糙率采用《松花江干流治理可行性研究报告》成果，主槽糙率为0.024，滩地糙率为0.058。采用2011—2016 年6 场实测洪水进行一维模型糙率的率定，采用2017—2022 年6 场实测洪水进行一维模型糙率的验证，洪水率定精度见表1。

表1 洪水率定精度成果表

由表1 可以看出，此次验证过程中模拟的洪峰流量、峰值水位误差均在20.00%范围以内；峰现时差在许可范围内；确定性系数均高于0.70。根据GB/T 22482—2008《水文情报预报规范》的规定，在综合考虑以上4 个指标后，此次模拟可以达到乙级标准。

2.2.2 MIKE21 模型参数

1）网格剖分

网格的质量直接影响到各方案的计算结果。胖头泡蓄滞洪区域面积较大，其边界可视为光滑曲线，模拟时采用SMS 进行结构及非结构网格剖分。在进行网格剖分前应针对研究重点区域进行局部加密处理，局部加密处网格边长设置为50.00 m，其他区域边长设置成400.00 m，最大网格面积控制在0.16 km2以内，胖头泡蓄滞洪区剖分后网格数为53 447 个。

2）糙率参数

计算区域的糙率与水深、床面形态、植被条件等因素有关。此次模型中按照地形地貌特点进行糙率参数的选取，并制作糙率场文件，糙率取值如表2 所示。

表2 下垫面糙率表

3 模型合理性分析

3.1 洪痕点水位分析

根据1998 年胖头泡洪水调查所得到的洪痕资料，对胖头泡模型进行率定。实测洪痕水位和MIKE 21 模型计算水位比较结果如表3 所示，由表3 可知模型率定结果良好。

表3 1998 年洪水洪痕率定成果表

3.2 水量平衡分析分析

采用MIKE 21 模型对蓄滞洪区1998 年洪水进行模拟。此次模拟蓄滞洪区分洪水量为62.9亿m3，回归水量为42.0亿m3，蓄滞洪区蓄水量为20.9亿m3。1998 年洪水决口跑水量为64.3 亿m3，回归水量为44.3 亿m3，蓄滞洪区蓄水量为20.0 亿m3。由此可见，模拟结果与实际情况基本相符合。

4 分洪能力分析

4.1 计算方案

为确保蓄滞洪区能够承担下游哈尔滨100～200 年一遇洪水的防洪任务，此次采用1956，1957，1960，1969，1998，2013 年6 个典型年200 年一遇的历史洪水，验证蓄滞洪区分洪能力，并提出能够满足6 个年型分洪要求的蓄滞洪区运用方案。方案一：在现状工况及地形条件下，分洪水量通过分洪通道1 和2 流入胖头泡内部。方案二：在现状地形条件下，对分洪通道1 向两侧进行扩挖，加大行洪能力，以优化分洪口的分洪效果。

4.2 计算结果

采用1956，1957，1960，1969，1998，2013 年6 个典型年200 年一遇的洪水对蓄滞洪区进行分洪模拟，得到计算结果如表4 所示。

表4 不同分洪方案下各典型年洪水分洪成果对比表

由表4可知，方案一中6个典型年除1960年外，其余5个年型洪水演进至哈尔滨流量小于17 900 m3/s，可以满足哈尔滨防洪安全需求。针对1960 年典型洪水，按照方案二，需加大老龙口分洪能力，优化蓄滞洪区运用条件。经分析，影响分洪效果的主要原因是区内存在局部地形卡口，阻碍洪水演进，需对区内分洪通道1 进行扩挖，向两侧扩挖500.00 m，加大行洪能力，将分洪闸下游壅水快速引至鸭木蛋格泡子，进一步延迟分洪口门下游水位的抬升，减缓下游壅水对分洪口门分洪能力的影响，从而确保分洪口门的持续有效分洪。

5 结语

本文通过MIKE FLOOD 建立河道一维及蓄滞洪区二维模型，并通过改变局部卡口段地形，对比分析蓄滞洪区的分洪能力，结果可为蓄滞洪区的安全启用提供技术支撑及管理依据。当嫩江发生较大洪水时，通过预报快速判断嫩江洪水是否有继续增长的趋势，并结合水文站的流量变化综合分析，快速匹配典型年洪水，判断蓄滞洪区开启的最佳时机。在实际防洪调度中，当哈尔滨发生超100 年一遇洪水时，应开展实时洪水预报、预演，并结合哈尔滨洪峰流量和堤防防御能力，判断利用堤防超高挡水或是启用蓄滞洪区及蓄滞洪区启用顺序。应建立蓄滞洪区内转移预案，进一步加强蓄滞洪区管理，建立建全蓄滞洪区管理机制，完善蓄滞洪区运用补偿办法，推进相关政策法规的制定实施，提高蓄滞洪区依法管理能力，降低蓄滞洪区运用后对当地的经济社会发展的影响。