基于MIKE11模型的靖安北河河道防洪能力評(píng)價(jià)

劉淑娥

(江西省贛西土木工程勘測(cè)設(shè)計(jì)院，江西 宜春 336000)

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展，河道防洪工程建設(shè)也進(jìn)入了加速期，這在客觀上為防洪治理的資金投入創(chuàng)造了有力條件，但同時(shí)采砂場(chǎng)、橋梁、風(fēng)景區(qū)、閘壩等涉河工程也顯著影響著河道的防洪能力。為準(zhǔn)確評(píng)判河道工程對(duì)河流行洪能力的影響程度，分析可能造成河底下陷或增高狀況，阻水建筑物是否侵占過(guò)水?dāng)嗝婕捌涫┕つ芊駶M(mǎn)足建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)等，有必要選用合適的方法準(zhǔn)確評(píng)估河道的行洪能力[1]。以人們生命財(cái)產(chǎn)安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)為基準(zhǔn)，利用合適的方法計(jì)算各河段成災(zāi)、保證、警戒水位以及滿(mǎn)足防洪要求的流量，為防汛實(shí)時(shí)指揮、應(yīng)急預(yù)案的制定和防洪工程規(guī)劃等提供數(shù)據(jù)支撐[2-4]。目前，工程實(shí)踐中應(yīng)用比較成熟的模擬軟件為MIKE一維水動(dòng)力模型，其調(diào)節(jié)邊界條件和調(diào)整模型參數(shù)時(shí)極為便捷。因此，以靖安北河小灣至上洋螺段防洪工程為例，運(yùn)用MIKE11軟件對(duì)河道防洪能力進(jìn)行科學(xué)評(píng)估。

1 河道防洪治理

1.1 河流概況

潦河流域?qū)儆诮魇”┯曛行闹?，?月份開(kāi)始進(jìn)入雨季，汛期為4-9月份，主汛期(4-6月份)大氣環(huán)流活躍，受冷暖氣流交鋒作用形成峰面雨，其特點(diǎn)為暴雨集中、范圍大、歷時(shí)長(zhǎng)，往往形成大洪水；受臺(tái)風(fēng)侵入影響，7-9月份為暴雨頻發(fā)期，其特點(diǎn)為強(qiáng)度大、歷史短、有局部性等。

本次防洪工程位于靖安北河中上游兩岸，屬潦河水系北潦河支流靖安北河，距城區(qū)約20 km。防洪工程范圍為靖安北河小灣水庫(kù)壩址下游至上洋螺段，全長(zhǎng)6.19 km，保護(hù)面積約3.5 km2，保護(hù)耕地0.033 33×104hm2，保護(hù)人口0.7萬(wàn)人，穿寶峰集鎮(zhèn)而過(guò)。工程起點(diǎn)位于小灣水庫(kù)壩下，其洪水主要受小灣水庫(kù)下泄洪水控制，此外工程區(qū)內(nèi)還涉及到東坑、周坊、福源和華坊支流，4條支流均為靖安北河支流。工程河段內(nèi)還有東坑水、華坊水等支流，其中東坑支流全流域面積14.4 km2，主河道長(zhǎng)7.75 km，該河發(fā)源于寶峰鎮(zhèn)橋子嶺，流經(jīng)虎洞口、花生棚、趙家，于寶峰寺下游的劉家匯入靖安北河；華坊水支流全流域面積34.0 km2，主河道長(zhǎng)9.1 km，該河發(fā)源于寶峰鎮(zhèn)十嶺尖，流經(jīng)坳下、田部、清潭、汪家鍛，于華坊村附近匯入靖安北河。工程上游已建羅灣水庫(kù)、小灣水庫(kù)兩座以發(fā)電為主的中型水庫(kù)，除此以外還有洪屏抽水蓄能電站(在建)工程。

1.2 防洪工程

防洪工程所在的靖安北河及其支流屬典型的山區(qū)性河流，該段水流湍急、河道彎曲，洪水陡漲陡落，局部沖刷嚴(yán)重，河床淤塞、汛期排洪不暢。現(xiàn)狀防洪工程僅局部存在防洪設(shè)施，未形成完整的防洪體系，無(wú)法有效保障防洪安全，對(duì)當(dāng)?shù)厝藗兩钏降奶嵘皣?guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生嚴(yán)重制約，威脅著沿河居民的財(cái)產(chǎn)安全。受臺(tái)風(fēng)降雨的影響，寶峰鎮(zhèn)遭遇“1998·6”、“2005·9”、“2016·7”3次大洪水，由于暴雨來(lái)勢(shì)猛、歷時(shí)長(zhǎng)且雨量大，使得河水猛漲，從而引起山洪災(zāi)害，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和沿河居民安全帶來(lái)重大損失。

現(xiàn)狀僅在靖安北河樁號(hào)河2+273～2+630段左岸、樁號(hào)河6+075～6+190右岸設(shè)有防洪設(shè)施，其中2+273～2+630段左岸為砼預(yù)制塊結(jié)合草皮護(hù)岸，長(zhǎng)357 m；樁號(hào)河6+075～6+190右岸為漿砌石擋墻。兩岸易發(fā)洪澇災(zāi)害的平原、盆地、淺丘區(qū)，按規(guī)劃范圍內(nèi)現(xiàn)狀河流分布及地形條件確定防洪工程防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇。為進(jìn)一步提高抗御洪澇災(zāi)害的能力，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和保障沿河居民安全，有必要選用合適的方法準(zhǔn)確評(píng)估河道的行洪能力，從而為防汛實(shí)時(shí)指揮、應(yīng)急預(yù)案的制定和防洪工程規(guī)劃等提供數(shù)據(jù)支撐。

2 行洪能力計(jì)算分析

2.1 MIKE11一維水動(dòng)力模型

丹麥水力環(huán)境研究所DHI研發(fā)的一款用于河網(wǎng)、河流等水量水質(zhì)模擬的MIKE11一維水動(dòng)力軟件，現(xiàn)已被工程院及科研單位廣泛應(yīng)用于河流水資源管理、水利工程規(guī)劃、洪水洪峰洪量預(yù)報(bào)等領(lǐng)域，考慮選用該模型評(píng)估靖安北河河道的防洪能力[5-6]。

假設(shè)河道斷面與坡降保持不變、水流不可壓縮且為均質(zhì)流態(tài)、河流符合靜水壓力條件等為MIKE11模型應(yīng)用的前提條件，其理論基礎(chǔ)為求解圣維南方程組，當(dāng)前比較常用的求解方法為隱式格式離散法，表達(dá)式為：

?A/?t+?Q/?x=q

(1)

(2)

式中：A、Q、R為河道斷面面積、水力半徑和流量，m2、m、m3/s；x、t、q為距離坐標(biāo)、時(shí)間和單位河段上的支流流量，m、s、m2/s；g為重力加速度，m/s2；Z、C為水深和謝才系數(shù)，m；α為動(dòng)量校正系數(shù)，無(wú)量綱。

2.2 計(jì)算條件

2.2.1 地形條件

工程區(qū)處九嶺山脈東端，地勢(shì)起伏較大，地貌類(lèi)型為構(gòu)造侵蝕中低山及河流沖積階地。其中，構(gòu)造侵蝕中低山廣泛分布，山頂標(biāo)高大多為500～600 m，沖溝切割劇烈，縱橫交錯(cuò)，山體陡峻，溝谷切割較深，植被發(fā)育，山谷幽靜，風(fēng)景優(yōu)美，多為南西～北東走向谷，植被較發(fā)育；沖積階地主要分布于北潦北河兩岸，呈月牙狀分布河流兩岸，地面標(biāo)高大多為65～75 m。北潦北河整體走向?yàn)楸蔽?南東，河流以垂直侵蝕作用為主，河谷多呈峽谷形態(tài)，河寬20～60 m，河流蜿蜒曲折，河流縱坡陡峻，水流湍急。河心洲發(fā)育，發(fā)育有新寶峰大橋及太平山莊河心洲，最大寬度達(dá)400～500 m，河心洲植被發(fā)育，地勢(shì)較平坦，新寶峰大橋河心洲地面高程一般80 m左右，太平山莊河心洲地面高程73 m左右。

采用2016年航拍圖為模型中地形數(shù)據(jù)的來(lái)源，依據(jù)2017、2018年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)提取各橫斷面的測(cè)量值，靖安北河小灣至上洋螺段設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面60個(gè)，其中重點(diǎn)觀測(cè)斷面、閘壩及橋梁等水工建筑物處均設(shè)置量測(cè)斷面。

2.2.2 邊界條件

潦河干流下游、上游和中游分別設(shè)立有萬(wàn)家埠、晉坪和奉新水位站，靖安北河設(shè)立有焦坑水位站，且北潦河設(shè)有貫州水文站、葉家水位站。其中，葉家站水位、降水量等水文資料均按照有關(guān)規(guī)程和規(guī)范要求觀測(cè)、整編，其資料較可靠；多年來(lái)測(cè)站斷面形態(tài)變化不大，自然岸線(xiàn)固定，水位流量關(guān)系、洲灘、主槽以及整個(gè)河勢(shì)穩(wěn)定，其資料觀測(cè)精度較高，可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。另外，通過(guò)貫州、靖安站延長(zhǎng)葉家站水位資料系列為1959-2016年，共計(jì)58年。

因此，選取葉家水位站設(shè)計(jì)洪水作為上游流量邊界，結(jié)合河流防洪標(biāo)準(zhǔn)確定設(shè)計(jì)洪水為50年一遇、20年一遇、10年一遇，充分考慮潦河流域規(guī)劃報(bào)告確定各防洪標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)流量為2 210、1 540、1 160 m3/s；選擇靖安北河入?yún)R口水流平順段為下游邊界條件，其水位流量關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 下游邊界水位流量關(guān)系曲線(xiàn)

2.2.3 模型參數(shù)率定及驗(yàn)證

靖安北河上游段河深比較順直，灘槽較為明顯且屬于典型的山區(qū)型河流，中粗砂夾礫為河床質(zhì)組成的主要材料；下游段為復(fù)式河槽，河身彎曲屬于平原型河流，砂質(zhì)河床為主槽基本構(gòu)成，灘地以林地、荒草地和耕地為主。

結(jié)合潦河流域防洪規(guī)劃、河道治理規(guī)劃報(bào)告、靖安北河河道現(xiàn)狀及其現(xiàn)場(chǎng)查勘結(jié)果，結(jié)合水力手冊(cè)糙率表，確定靖安北河的上游、下游段主槽糙率為0.025～0.028和0.027～0.032范圍，灘地糙率取值為0.05～0.10和0.06～0.14區(qū)間。

2.3 防洪能力評(píng)價(jià)

合理確定防汛特征斷面的成災(zāi)、保證、警戒3種特征水位為評(píng)估分析該河段防洪能力的主要內(nèi)容，充分考慮防洪減災(zāi)經(jīng)驗(yàn)與河道治理狀況，采用洪水達(dá)到一級(jí)階地高程或漫過(guò)堤腳0.5 m以上的水位作為警戒水位，該條件下對(duì)應(yīng)的流量為警戒流量；以堤頂高程為保證水位，其數(shù)值大小未考慮設(shè)計(jì)超高，此情況下對(duì)應(yīng)的流量為保證流量；選擇重要保護(hù)目標(biāo)如居民區(qū)、大型產(chǎn)業(yè)園區(qū)、機(jī)場(chǎng)的地面高程，以及重要道路路面、臨河階地和防洪墻墻頂高程作為成災(zāi)水位，該條件下對(duì)應(yīng)的泄量為安全泄量[7-9]。將不同流量下的水位變化情況運(yùn)用MIKE11模型分析，坪山陂壩段、大韓莊園段、寶峰段、東坑段、太平山莊段5個(gè)斷面的防洪能力見(jiàn)表1。

表1 靖安北河河道防洪能力評(píng)估

從表1可知，靖安北河河段的防洪薄弱點(diǎn)有4處：①坪山陂壩段的設(shè)計(jì)水位高于成災(zāi)水位，結(jié)合相關(guān)資料，上游曾有歷史潰決情況，建設(shè)的沸水里攔河水壩在一定程度上具有阻水作用，為保證該河段防洪安全應(yīng)提前做好應(yīng)急措施及加強(qiáng)汛期預(yù)警工作；②大韓莊園段建設(shè)有50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)的堤防工程，復(fù)核結(jié)果顯示該河段安全超高無(wú)法滿(mǎn)足洪峰流量要求，為防治堤防發(fā)生險(xiǎn)情應(yīng)加強(qiáng)汛期尋訪(fǎng)；③東坑段局部建設(shè)有20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)的斷續(xù)堤防，居民村莊分布于沿河兩岸，徑流耕地段為薄弱河段，為保證行洪安全汛期可實(shí)施修復(fù)或治理措施，以解決河道過(guò)流能力低的問(wèn)題；④寶峰段兩岸建設(shè)有堤防，左右岸為耕地和村莊，左岸20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)的保證流量小于設(shè)計(jì)洪峰流量要求，該河段上下游堤防可以基本達(dá)到防洪要求，為確保行洪安全可在汛期實(shí)施臨時(shí)封堵措施。因此，滿(mǎn)足防洪安全的河段僅有太平山莊段，該河段上下游堤防均能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求[10]。

對(duì)此，防洪工程建設(shè)應(yīng)遵循就地取材、因地制宜的基本原則，結(jié)合河道所處的地形、地質(zhì)條件、防護(hù)對(duì)象的重要性程度、筑堤材料分布情況(即土石料分布特征、質(zhì)量狀況、數(shù)量多少、運(yùn)輸條件等)、水流特性、河勢(shì)變化情況、工程造價(jià)、環(huán)境景觀、管理與運(yùn)行要求等要素，參考附近已建結(jié)構(gòu)型式，經(jīng)過(guò)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較后綜合確定，最終選取加固防洪堤及防洪墻、護(hù)岸處理、新建穿堤建筑物及親水平臺(tái)、河道清障疏浚等措施[11]。

3 結(jié) 論

本文以靖安北河河道防洪工程為例，采用MIKE11軟件計(jì)算河流的水力數(shù)值，為準(zhǔn)確評(píng)估河流防洪能力提供科學(xué)依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)多年治理的靖安北河的防洪能力得到顯著提升，在一定程度上加強(qiáng)了河道過(guò)流能力，基本上形成較為完善的堤防工程體系，其中部分堤段存在超高不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求、局部河道存在險(xiǎn)工險(xiǎn)情、橋梁橋頭發(fā)現(xiàn)安全隱患、未及時(shí)跟進(jìn)已建堤段維護(hù)措施等問(wèn)題。為進(jìn)一步提升河流的防洪能力，應(yīng)按照確定的防洪標(biāo)準(zhǔn)和各河段存在的具體問(wèn)題，綜合采取加固防洪堤及防洪墻、護(hù)岸處理、新建穿堤建筑物及親水平臺(tái)、河道清障疏浚等措施，將非工程和工程措施相結(jié)合保證河道行洪能力，加強(qiáng)安全監(jiān)控保障沿河居民安全。