遼寧省繞陽河“2022.8”潰堤洪水模擬反演及分析

丁志雄 呂 娟 李 娜 王 靜 俞 茜

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，北京 100038）

0 引 言

我國地處亞歐大陸東沿，東臨世界上面積最大的海洋——太平洋，濕潤的夏季風(fēng)帶來充沛的降水資源，是全球季風(fēng)氣候最典型的國家之一[1]。在全球氣候變暖背景下，蒸發(fā)量增加的同時，大氣層在飽和前可容納更多水汽，造成區(qū)域降水不均勻性增加，部分區(qū)域可能降水量變得異常突出，有的甚至出現(xiàn)局地強(qiáng)降雨，造成嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害事件。根據(jù)全國1961 年以來的降水量統(tǒng)計(jì)，近10 年以來全國平均降水量均較常年偏多。近幾年，部分流域或區(qū)域降水量偏多更加突出，如2020年長江流域中下游、太湖流域、淮河流域降水量偏多25%～50%、松花江流域降水量偏多25%～100%，造成了流域性的大洪水[2]；2021 年更是發(fā)生了鄭州特大暴雨洪澇災(zāi)害事件，黃河中下游、漳衛(wèi)運(yùn)河的大洪水及黑龍江流域大洪水等[3-6]；2022 年珠江流域的北江、遼河流域繞陽河均因區(qū)域暴雨較常年明顯偏多，發(fā)生了流域性大洪水，造成了較為嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害，繞陽河更是發(fā)生了影響嚴(yán)重的潰堤洪水災(zāi)害事件。

洪水模擬反演分析是研究洪水成因，復(fù)盤洪水發(fā)展過程，以便提出應(yīng)對措施的重要手段之一。針對近些年一些特定洪水災(zāi)害事件，許多專家學(xué)者開展了有關(guān)的洪水模擬分析，對于潰堤洪水的模擬分析研究成果也不少，提出并建立了相應(yīng)的模擬方法和手段，應(yīng)用結(jié)果表明效果較好[7-11]。對于繞陽河下游的洪水問題，也有專家學(xué)者做過研究[12-15]，但大多側(cè)重于潮汐洪水的考慮，對遼河與繞陽河干支流及潮汐等綜合影響下的洪水研究不足。本文針對2022 年8 月遼河流域繞陽河潰堤洪水開展模擬反演分析研究，復(fù)盤繞陽河下游洪水淹沒的發(fā)生發(fā)展過程，探究遼河與繞陽河干支流及潮汐等復(fù)雜條件下的洪水影響關(guān)系及堤防潰決原因，以期為災(zāi)后繞陽河的防洪治理或全國其他區(qū)域類似洪水問題的防治提供參考。

1 基本情況

1.1 繞陽河流域概況

繞陽河是遼河右側(cè)最大的支流，干流全長326 km，流域面積10 348 km2，均位于遼寧省境內(nèi)。繞陽河支流及排干渠系多，水系復(fù)雜，其中主要支流有二道河、東沙河、羊腸河、西沙河、月亮河等，均位于繞陽河的右岸（圖1）。繞陽河干流東白城子至繞陽河河口現(xiàn)有堤防總長312 km，其中左岸現(xiàn)有堤防長165 km，右岸現(xiàn)有堤防長147 km，堤防的防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇至30年一遇，局部河段可達(dá)50年一遇。王回窩堡至河口，在67.6 km 的河道兩岸，已經(jīng)整修的堤防總長81.4 km，其中，左岸堤防長50 km，右岸堤防長31.4 km，但在右岸自西沙河口以下至河口段是大片的葦田區(qū)，無防洪堤。

圖1 繞陽河流域水系概化圖

1.2 雨水情

2022 年入汛以來，遼河流域發(fā)生多次洪水，遼河干流全線發(fā)生超警戒以上洪水，其中遼干支流繞陽河流域6月1 日至7 月31 日共出現(xiàn)3 輪區(qū)域性暴雨天氣過程，平均降雨量541.0 mm（常年平均降雨量234.1 mm），為歷史同期第一位。其中，7月28-30日暴雨平均面雨量112.0 mm，最大日降雨量215.4 mm，最大小時降雨量63.6 mm。3 個國家站（阜新、黑山、北鎮(zhèn)）降雨量超過歷史過程，繞陽河流域近90%區(qū)域出現(xiàn)暴雨到大暴雨。

繞陽河淤河蓋站實(shí)測水位超警戒水位59 d（6月29日至8月27日），超保證水位5 d（7月31日至8月4日持續(xù)），7月31日18時出現(xiàn)最高水位4.93 m（超保證水位0.31 m），見圖2，為1951年以來最大洪水。

圖2 淤河蓋站6月25日至8月31日水位過程

1.3 潰堤情況

繞陽河下游左岸曙四聯(lián)段堤防8 月1 日10 時30 分出現(xiàn)潰口，最初潰口寬度20 m左右，到8月3日16點(diǎn)30，潰口寬度發(fā)展到了51.7 m。因潰口轉(zhuǎn)移群眾8 100多人，洪水造成遼河油田油井等國家重要基礎(chǔ)設(shè)施損失嚴(yán)重。8 月2 日晚上，潰口封堵行動正式開啟，至8月6日18點(diǎn)20分，經(jīng)現(xiàn)場搶險人員連續(xù)5 d 奮戰(zhàn)，繞陽河盤錦曙四聯(lián)段潰口堤壩成功合龍。

2 潰堤洪水模擬分析

2.1 洪水模擬模型構(gòu)建

洪水模擬模型構(gòu)建范圍：繞陽河杜家站至遼河匯合口，遼河盤山水文站至繞陽河匯合口以下約3 km，西北以山區(qū)高地為界，模擬范圍總面積1 113.73 km2，剖分為49 066個計(jì)算單元，最大計(jì)算單元不超0.01 km2，考慮區(qū)內(nèi)的堤防、交通道路及河道內(nèi)的套堤等阻水構(gòu)筑物分布，采用二維非恒定流圣維南方程組進(jìn)行有限體積法數(shù)值求解。洪水模擬模型構(gòu)建范圍見圖3。

圖3 洪水模擬模型構(gòu)建范圍

2.2 洪水模擬反演分析

模型輸入繞陽河杜家水文站洪水入流過程、遼河盤山水文站洪水入流過程，模型出口為遼河與繞陽河匯合口下游張明甲站實(shí)測潮汐水位過程，考慮計(jì)算區(qū)域內(nèi)的實(shí)際降雨情況，洪水過程時間范圍為2022年7月30日8時至8月5日8時，如圖4所示。模型計(jì)算的淤河蓋站水位、曙光橋水位與實(shí)測誤差分別為0.01 m和0.04 m，滿足相關(guān)精度標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 洪水模型輸入實(shí)測流量及水位過程

模型計(jì)算得到繞陽河下游及曙四聯(lián)段潰口區(qū)域最大洪水淹沒范圍水深分布如圖5所示。潰口發(fā)生后，修筑的二道、三道防線有效阻止了洪水淹沒范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大。模型計(jì)算得到本次繞陽河洪水繞陽河下游淹沒區(qū)域總面積約127.60 km2，其中潰口淹沒區(qū)域面積約36.52 km2。模型計(jì)算的淹沒范圍與2022 年8 月4 日（潰口發(fā)生后約3 d，尚未完成封堵）高分3B 衛(wèi)星（GF3B）遙感監(jiān)測的淹沒范圍（圖6）基本接近。

圖5 模型計(jì)算最大淹沒范圍

圖6 GF3B衛(wèi)星遙感監(jiān)測淹沒范圍

為分析遼河洪水對繞陽河洪水的影響，假定遼河來水為常態(tài)流量800 m3/s，模型其他輸入條件不變，模型計(jì)算后，提取繞陽河水面線并與實(shí)際洪水模擬水面線對比如圖7（a）所示。可見，相對于遼河常態(tài)流量800 m3/s，“2022.8”洪水過程中，遼河洪水對繞陽河水位壅高河段長度約15 km，繞陽河口壅高約0.64 m，往上逐步遞減，到淤河蓋站水位壅高僅約0.01 m。

從繞陽河口出流中心位置的流速對比看（圖7（b）），相對于遼河常態(tài)流量800 m3/s，“2022.8”洪水過程中，遼河洪水使繞陽河出流峰值流速減少約0.45 m/s，平均減少約0.21 m/s。可見遼河洪水對繞陽河河口出流的流速影響較明顯。

圖7 遼河洪水對繞陽河洪水影響

3 相關(guān)分析與討論

3.1 河勢變化分析

從繞陽河與遼河匯合口1984年與2020年遙感影像提取的河流形態(tài)對比看（圖8），30 多年來，繞陽河與遼河匯合口的河勢形態(tài)有較大變化（圖中①對比位置），1984 年繞陽河匯入遼河的匯合口形態(tài)更有利于繞陽河的出流；2020 年（現(xiàn)狀）繞陽河匯入遼河的匯合口形態(tài)更有利于遼河向繞陽河繞流，實(shí)際也可能是由于遼河向繞陽河繞流導(dǎo)致了繞陽河與遼河匯合口的現(xiàn)狀形態(tài)。從圖中②對比位置看，繞陽河與遼河匯合口上游的現(xiàn)狀情況對1984年的一段彎曲河段進(jìn)行了裁彎取直，使得遼河的水更順暢向下游流動；從圖中③對比位置看，繞陽河與遼河匯合口的下游，與1984 年相比，為了防止河流凹岸沖刷，在2020 年③的位置由于修建了防沖刷的防護(hù)工程，這樣對上游的來水有頂沖的作用。在上疏下頂?shù)淖饔孟拢焕谥虚g繞陽河出口的出流。遼河經(jīng)常性壅阻繞陽河出流，形成了現(xiàn)狀繞陽河與遼河匯合口的形態(tài)，該匯合口形態(tài)反過來使得繞陽河更加出流不暢，甚至加重繞陽河下游相關(guān)區(qū)域的洪水淹沒。

圖8 繞陽河與遼河匯合口不同時期遙感影像提取河流對比圖

3.2 繞陽河與遼河洪水關(guān)系探討

從繞陽河下游及遼河下游各測站2022 年洪水過程水位對比看（圖9），測站位置見圖3，繞陽河杜家站與遼河盤山站洪水過程基本都是從6月底開始上漲、到8月底結(jié)束，盡管繞陽河洪水過程中出現(xiàn)兩個洪峰，遼河洪水過程為寬大的單峰（受遼河上游防洪工程調(diào)控影響），但總體上看，都屬同一個暴雨洪水過程；繞陽河杜家站水位基本不受張明甲站的潮汐水位影響；淤河蓋站水位受杜家站洪水及張明甲站潮汐水位雙重影響，但在兩個峰值附近主要受上游杜家站洪水過程影響，張明甲站潮汐水位影響已不明顯，說明本次洪水過程中，淤河蓋站附近最大洪水淹沒主要受上游杜家站來水影響；遼河盤山站洪水過程水位基本不受張明甲站的潮汐水位影響，只在退水階段受部分影響，遼河曙光橋站受潮汐影響明顯。

從繞陽河杜家站與遼河盤山站近3年不同大小洪水的同期水位對比看（圖10），這3 次不同大小的洪水，洪水過程均具有變化一致的特點(diǎn)，說明一般情況下，繞陽河洪水與遼河洪水是基本同步的；但盡管同步，淤河蓋站的水位主要還是受杜家來水及張明甲站潮汐水位的影響，其中杜家來水影響明顯大于張明甲站潮汐水位的影響，遼河的洪水基本影響不到淤河蓋站，這與前述洪水模擬反演分析結(jié)果基本一致；張明甲站的水位主要以潮汐特征為主，盡管2022 年遼河與繞陽河洪水比2021 年和2020 年大很多，但張明甲站2022年的最高水位也沒有超過2021年和2020年的最高水位，說明潮汐水位的變化不是本次洪水災(zāi)害的主要影響因素。

圖10 繞陽河下游及遼河下游有關(guān)測站近3年水位對比

3.3 潰堤原因分析

繞陽河下游遼河油田區(qū)域受采油等導(dǎo)致的地面沉降影響，該區(qū)域地勢低洼，河流深槽狹窄，蜿蜒曲度大，洪水在此極易出槽、漫溢，并滯留于灘地低洼區(qū)域（圖11）。再加上下游不遠(yuǎn)處繞陽河出口又受遼河洪水和潮汐頂托，更加出流不暢，造成洪水在繞陽河下游低洼區(qū)域進(jìn)一步壅高。在2022 年洪水中，繞陽河淤河蓋水位站（位于繞陽河下游低洼區(qū)附近）超警戒、超保證水位時間長。繞陽河左堤曙四聯(lián)段存在大量穿堤的輸油管道，在長時間高水位的浸泡下，最終在8月1日有一條輸油管沿穿堤接合面出現(xiàn)滲漏破壞，導(dǎo)致潰堤的發(fā)生。這一潰堤事件的出現(xiàn)，看似偶然，實(shí)則必然，主要原因：一是區(qū)域地勢低洼、下游出流不暢，勢必壅高區(qū)域洪水位，增加區(qū)域洪水淹沒深度；二是區(qū)域地面沉降嚴(yán)重，破壞該區(qū)域相關(guān)堤防的安全穩(wěn)定性，使堤防出現(xiàn)破壞的可能性增大；三是該區(qū)域穿堤管線多，大多是油田管理單位自己布設(shè)，沒有做專門的防滲工程處理，在長時間洪水浸泡下，穿堤管線位置出現(xiàn)滲漏破壞的概率大大增加。從這些原因分析可知，假使本次洪水僥幸沒有出現(xiàn)潰堤情況，也難保下一次洪水來臨時不會發(fā)生堤防潰決。

圖11 遼河、繞陽河相關(guān)河道地形

4 結(jié) 語

繞陽河2022 年洪水在繞陽河下游段持續(xù)超警戒時間長，超保證水位也達(dá)數(shù)天，導(dǎo)致繞陽河左堤曙四聯(lián)段發(fā)生堤防潰決。從洪水模擬反演結(jié)果看，繞陽河2022年洪水造成繞陽河下游洪水淹沒總面積達(dá)127.60 km2，其中潰堤淹沒面積36.52 km2。對比GF3B衛(wèi)星遙感監(jiān)測結(jié)果，可以看到模型計(jì)算的淹沒范圍與其基本一致。利用模型分析遼河洪水對繞陽河洪水的影響表明，2022年遼河洪水對繞陽河下游有壅阻作用，相對于遼河800 m3/s的常態(tài)流量，在繞陽河河口水位壅高約0.64 m、流速平均減少約0.21 m/s，從繞陽河河口沿繞陽河往上遼河洪水的壅阻影響逐步減小，到淤河蓋站影響已很小。繞陽河河口的河勢變化分析及近3年相關(guān)站點(diǎn)的洪水過程對比分析也佐證了這一結(jié)果。從潰堤原因分析可以看到，繞陽河左堤曙四聯(lián)段的潰堤具有其必然性。繞陽河下游河灘地分布著大量遼河油田的特種油井，作為一項(xiàng)國家重要的基礎(chǔ)設(shè)施，加強(qiáng)繞陽河下游相關(guān)區(qū)域的防洪治理工作非常有必要。但在防洪治理工作中需真正貫徹落實(shí)“十六字”治水方針中的核心思想，在合理規(guī)劃工程治理的同時，亦需著重提高采油設(shè)施耐淹建設(shè)以及區(qū)域“四預(yù)”“數(shù)字孿生”“智慧防洪”等非工程措施的洪水防御能力。限于資料及工作量，本文對繞陽河“2022.8”潰堤洪水的模擬與分析結(jié)果還比較初步，有待于今后收集更詳細(xì)的資料進(jìn)一步開展深入分析研究。在此謹(jǐn)以此文拋磚引玉，建議對于像繞陽河這樣的洪水問題或者全國其他區(qū)域類似洪水問題的防洪治理，在確定防洪治理方案之前，開展系統(tǒng)性的專題研究及充分論證分析，以便找準(zhǔn)問題根源，對癥下藥地制定防洪治理方案，避免治理效果不理想，造成反復(fù)，嚴(yán)重威脅國家和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

志謝：遼寧省水利廳、盤錦市水利局為本文的分析研究提供了部分資料，在此深表感謝！