太子河左岸防洪保護區(qū)洪水影響分析

孫成強

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110006)

1 概述

太子河左岸防洪保護區(qū)位于遼寧省中部，保護區(qū)上至太子河遼陽鐵橋，下至三岔河口處，保護區(qū)面積約1534km2。保護區(qū)內(nèi)涉及遼陽市、遼陽縣、鞍山市、海城市4個市縣，是遼河流域重點防洪河段防洪保護區(qū)之一。保護區(qū)涉及河流為太子河干流及其支流柳壕河、南沙河、運糧河、楊柳河、三通河、五道河和海城河。太子河左岸防洪保護區(qū)范圍如圖1所示。

圖1 太子河左岸防洪保護區(qū)范圍圖

2 洪源分析與量級確定

2.1 洪源分析

(1)太子河干流洪水影響

當太子河遭遇超標準洪水時左岸堤防發(fā)生潰決，或標準內(nèi)砂堤砂基、險工險段出險時，洪水由太子河進入保護區(qū)，保護區(qū)大部分區(qū)域將受太子河潰堤洪水影響。太子河左岸保護區(qū)內(nèi)汛期來臨時，左岸各支流河水受太子河頂托，易形成高水位，使得支流洪水排泄不暢。太子河左岸保護區(qū)主要受太子河干流的洪水威脅。不同頻率洪水成果見表1。

表1 太子河干流設計洪峰流量成果表

(2)太子河支流洪水影響

支流洪水主要由上游山區(qū)洪水以及下游平原區(qū)暴雨產(chǎn)生的澇水組成，南沙河立山以下、海城河海城站以下、楊柳河騰鰲堡以下均為平原區(qū)，柳壕河、運糧河是平原排水河流，因此這些地區(qū)的設計洪水按平原區(qū)經(jīng)驗公式推求；楊柳河騰鰲堡以上及三通河、五道河設計洪水用無資料地區(qū)的暴雨查算圖表法推求。

太子河左岸保護區(qū)各支流彼此相距較近，流路很短，基本上屬于同一雨區(qū)，且由于各支流堤防標準低，下游地勢平緩，發(fā)生超標準洪水時，支流洪水存在互相串通的可能性。

初步分析洪水來源影響，主要為海城河、南沙河，其次為楊柳河、三通河、五道河，柳壕河及運糧河影響較小，其他小支流影響可以不考慮。

2.2 洪水量級

洪水分析量級干流按照標準內(nèi)、現(xiàn)狀、超標準三種量級考慮，支流按照現(xiàn)狀、超標準兩種量級考慮。

(1)干流

保護區(qū)內(nèi)有外河太子河，內(nèi)河柳壕河、南沙河、運糧河、楊柳河、三通河、五道河和海城河。太子河左岸防洪標準按50年一遇，超標準洪水按100年一遇考慮，標準內(nèi)洪水選定為10年一遇。

(2)支流

柳壕河、運糧河、三通河、五道河、海城河及南沙河外環(huán)橋以下標準洪水為10年一遇，超標準洪水按20年一遇考慮。楊柳河標準洪水為20年一遇，超標準洪水按50年一遇考慮。南沙河外環(huán)橋以上標準洪水為50～100年一遇，超標準洪水按100～200年一遇考慮。

3 模型構建

3.1 計算范圍與分區(qū)方案

計算范圍左側邊界為從下游三岔河鐵路橋開始太子河左岸堤防，上方邊界為太子河左岸堤防，與右側邊界交點為遼陽新鐵路橋，右側邊界為長大鐵路，向下延伸至海城市附近向東延伸經(jīng)海城市外環(huán)公路，與下游鐵路相接，下側邊界以鐵路作為擋水邊界。

考慮到太子河左岸防洪保護區(qū)東西向寬度較小，主要風險是太子河干流洪水。支流堤防標準普遍偏低，干流洪水存在越過支流堤防向下游漫延的可能性，因此本次洪水分析計算采用全區(qū)域模型計算。

本次計算只設置一個計算分區(qū)，保護區(qū)內(nèi)各支流堤防及其他阻水建筑物高程按照實際高程在二維模型中設置，這樣可以更好的通過計算反映潰堤洪水在越過部分阻水建筑物后在防洪保護區(qū)內(nèi)的漫延情況，更準確的模擬潰堤洪水帶來的洪水風險情況。

3.2 潰口設置

(1)潰口位置選擇

計算方案中潰口選擇主要考慮河道險工、彎道、城市村莊分布等情況，干流左岸共設置8個潰口，南沙河、海城河均為左岸3個右岸2個潰口，五道河為左岸2個右岸2個潰口，柳壕河、運糧河、楊柳河、三通河均為左岸2個右岸1個潰口。

(2)潰口尺寸

參考太子河流域的堤防歷史潰決情況，確定本次計算潰口的初始形態(tài)和最終形態(tài)為矩形。潰口尺寸結合潰口位置綜合因素以及經(jīng)驗公式計算值確定。通過分析95年洪水渾河干流潰口情況，潰口基本為漫決，漫決寬度在45～270m之間，多數(shù)在100m以上，根據(jù)無資料經(jīng)驗公式計算所得潰口寬度均大于300m。

3.3 計算方法

潰堤洪水采用DHI Water and Environment的MIKE模型系列進行洪水分析軟件。

河道洪水的演進過程采用非恒定流計算，且需要模擬潰堤后水流的平面運動情況，因此本次河道內(nèi)計算采用一維非恒定流模型，河道外采用平面二維模型。將一維模型與二維模型耦合，可以準確模擬出洪水歷時當中河道內(nèi)洪水向堤外的擴散演進過程。

(1)一維模型設置

根據(jù)斷面測量成果，結合平面圖，對橫斷面進行灘槽劃分，同時考慮斷面寬度變化、套堤阻水情況對斷面寬度等進行局部調(diào)整。

按照不同頻率及計算方案給出上游及各支流入?yún)R的流量過程線。當計算干流洪水時，太子河采用遼陽站位置流量過程，其他支流采用入?yún)R口處流量過程；當計算支流洪水時，太子河及其他支流采用流量過程的位置不變，計算支流采用潰口位置上游流量過程。

(2)二維模型設置

二維地形網(wǎng)格大小為100m×100m。在洪水泛濫過程中，洪泛區(qū)內(nèi)的各種地物將對洪水的漫延產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)為阻水建筑物對洪水的阻擋和不同地類對洪水流速的減緩。洪泛區(qū)內(nèi)的阻水建筑物主要有公路、排干堤防、支流堤防等3類。

計算區(qū)域的曼寧值反映區(qū)域內(nèi)不同地物對水流的阻力作用，通過對保護區(qū)內(nèi)地物地類的分析，根據(jù)相關資料確定。

4 洪水影響綜合分析

干流每個潰口計算3個洪水方案，支流每個潰口計算2個洪水方案，通過對每個潰口不同方案的潰口洪量、最大流量、淹沒面積進行對比分析，可以更直觀看出同一潰口不同頻率洪水的風險影響情況。計算成果如圖2—3所示。

圖2 太子河100年一遇洪水金山屯村潰口淹沒水深圖

圖3 太子河100年一遇洪水金山屯村潰口淹沒歷時圖

由計算成果可知，干流50年一遇潰口最大流量大于10年一遇最大潰口流量，超標準100年一遇潰口最大流量大于50年一遇潰口最大流量，但100年一遇潰口流量過程持續(xù)時間較長，存在一段平臺期的時間，主要由于100年一遇超標準起潰的標準為水位達到50年一遇最高水位即設計水位，此時河道內(nèi)水位并不是最高，因為洪峰尚未到來，當干流洪峰到達的時候，大流量洪水持續(xù)從潰口流出。

潰口洪峰流量一般出現(xiàn)在潰口完全形成的極短的時間內(nèi)，影響潰口最大流量的主要因素有：潰決時刻水頭、潰口寬度、潰口位置河道槽蓄量以及潰決水流的擴散條件等因素，河道入流對潰口最大流量有一定的影響，但不起決定性作用。整體分析不同潰口同一頻率的潰口最大流量，太子河上下游呈現(xiàn)從上游至南臺口村潰口變大的趨勢，再向下游流量變小的趨勢，通過統(tǒng)計潰決時刻水頭大小基本符合這一規(guī)律。盡管太子河各位置潰口寬度相差不大，但潰決時刻水頭相差明顯，最上游景爾屯村潰口處最大水頭差僅1m左右，下游南臺口村潰口處最大水頭差達6m。

5 結論與建議

5.1 結論

受同量級洪水上段潰口造成的影響比下段潰口大。由于保護區(qū)鐵路走向基本平行太子河干流且距太子河干流較遠，除100年一遇洪水下307省道橋左岸潰口外，干流潰口造成的淹沒范圍均影響不到鐵路。

支流洪水影響主要集中在臨近兩條支流間的保護區(qū)，由于洪水歷時小，總體洪量小，洪水影響相對于干流洪水影響程度普遍偏弱。

經(jīng)以上分析可知，太子河左岸防洪保護區(qū)的洪水風險主要來自于干流洪水，由于地勢平坦、南北比降大，一旦發(fā)生潰決，洪水漫延速度快，淹沒范圍大。同時由于太子河右岸地區(qū)為太子河和渾河超標準洪水出路，一旦發(fā)生洪水本區(qū)域避險方向單一，對地方政府承擔轉移安置要求高。

5.2 建議

根據(jù)現(xiàn)場堤防縱斷測量和洪水模擬計算，由于部分河道上游堤防低于下游堤防，導致支流堤防不能有效阻隔干流潰堤洪水，洪水向下游或上游擴散，擴大了洪水損失，建議加強保護區(qū)內(nèi)支流堤防達標建設，可有效阻隔干流洪水，減輕洪水損失。

本文選取太子河中下游左岸防洪保護區(qū)作為典型區(qū)域進行分析計算，洪水影響分析方案及模型概化方式仍有待進一步完善，文中觀點僅供各位同仁參考，不足之處望予以指正。