基于MIKE FLOOD的蓄滯洪區(qū)分洪能力研究

吳博，尹雄銳

（松遼水利委員會(huì)流域規(guī)劃與政策研究中心，吉林 長春 130021）

0 引言

蓄滯洪區(qū)指的是河堤外洪水臨時(shí)貯存的低洼地區(qū)及湖泊等，其中多數(shù)歷史上就是江河洪水淹沒和蓄洪場所[1-3]。在新一輪流域防洪規(guī)劃以前，根據(jù)流域防洪安全保障的需要，我國主要江河流域綜合規(guī)劃和防洪規(guī)劃確定設(shè)置了98 處國家級蓄滯洪區(qū)，其中，松花江流域有2 處[4-6]。自1998 年流域大洪水后，松花江流域內(nèi)蓄滯洪區(qū)均未啟用過。經(jīng)過多年的江河治理和防洪安全建設(shè)，流域內(nèi)的防洪形勢較以往相比發(fā)生了較大變化，且隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，蓄滯洪區(qū)內(nèi)部的發(fā)展和開發(fā)出現(xiàn)無序的現(xiàn)象，使得蓄滯洪區(qū)調(diào)蓄洪水的能力大大降低，這就對蓄滯洪區(qū)的啟用及分洪能力造成一定的困難。本文針對松花江流域胖頭泡蓄滯洪區(qū)進(jìn)行研究。

1 研究區(qū)概況

胖頭泡蓄滯洪區(qū)位于嫩江、松花江干流的左岸，肇源縣的西北部，東西長約46 km，南北長約58 km，區(qū)內(nèi)總面積為1 994.00 km2，主要由嫩江、松花江一級階地及漫灘構(gòu)成，地形總趨勢為西北部較高、東南部較低，地勢較為平坦，局部地段起伏較大，地面高程一般為125.00～165.00 m。區(qū)內(nèi)崗地總面積約為269.00 km2，泡沼總面積約為342.00 km2，分別占蓄滯洪區(qū)總面積的13.00%和17.00%。區(qū)內(nèi)有10 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、70 個(gè)村、210 個(gè)自然屯，總?cè)丝跒?7.0 萬人。區(qū)內(nèi)國內(nèi)生產(chǎn)總值為88.68 億元，其中，第一產(chǎn)業(yè)為27.60 億元，第二產(chǎn)業(yè)為41.50 億元，第三產(chǎn)業(yè)為19.58 億元。老龍口分洪閘是蓄滯洪區(qū)的進(jìn)洪閘，位于嫩江左堤，老砍子退水閘是蓄滯洪區(qū)的退水閘，位于松花江干流左側(cè)。

2 模型構(gòu)建與參數(shù)率定

當(dāng)前，采用水動(dòng)力學(xué)模型分析洪水在某一地區(qū)的傳播是比較普遍的方法[7]。本文采用DHI MIKE FLOOD 模型進(jìn)行洪水演進(jìn)模擬，對河道采用MIKE 11 進(jìn)行一維模型模擬，對蓄滯洪區(qū)采用MIKE 21 進(jìn)行平面二維模擬，在嫩江老龍口分洪閘處設(shè)置虛擬河道，采用標(biāo)準(zhǔn)連接方式實(shí)現(xiàn)一、二維模型的耦合。

2.1 基本方程

2.1.1 圣維南方程組

MIKE 11 中描述河道洪水運(yùn)動(dòng)的基本方程為圣維南（Saint-Venant）方程組，其計(jì)算公式：

式中：Q為斷面流量，m3/s；A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；q為源匯的單寬流量，m2/s；x，t分別是距離坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo)；α為動(dòng)量校正系數(shù)；g為重力加速度；h為水深，m；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑，m。

2.1.2 平面二維淺水方程

二維非恒定流方程由水流連續(xù)方程和動(dòng)量方程組成，計(jì)算公式：

式中：Z為水位，m；u，v為x，y方向流速分量，m/s；n為糙率；q為源匯項(xiàng)，m/s。

2.2 參數(shù)率定

2.2.1 一維河道參數(shù)率定

MIKE 11 一維河道模型的參數(shù)文件主要是用來定義模型模擬的河床糙率[8，9]。此次河床初始糙率采用《松花江干流治理可行性研究報(bào)告》成果，主槽糙率為0.024，灘地糙率為0.058。采用2011—2016 年6 場實(shí)測洪水進(jìn)行一維模型糙率的率定，采用2017—2022 年6 場實(shí)測洪水進(jìn)行一維模型糙率的驗(yàn)證，洪水率定精度見表1。

表1 洪水率定精度成果表

由表1 可以看出，此次驗(yàn)證過程中模擬的洪峰流量、峰值水位誤差均在20.00%范圍以內(nèi)；峰現(xiàn)時(shí)差在許可范圍內(nèi)；確定性系數(shù)均高于0.70。根據(jù)GB/T 22482—2008《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》的規(guī)定，在綜合考慮以上4 個(gè)指標(biāo)后，此次模擬可以達(dá)到乙級標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 MIKE21 模型參數(shù)

1）網(wǎng)格剖分

網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響到各方案的計(jì)算結(jié)果。胖頭泡蓄滯洪區(qū)域面積較大，其邊界可視為光滑曲線，模擬時(shí)采用SMS 進(jìn)行結(jié)構(gòu)及非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格剖分。在進(jìn)行網(wǎng)格剖分前應(yīng)針對研究重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行局部加密處理，局部加密處網(wǎng)格邊長設(shè)置為50.00 m，其他區(qū)域邊長設(shè)置成400.00 m，最大網(wǎng)格面積控制在0.16 km2以內(nèi)，胖頭泡蓄滯洪區(qū)剖分后網(wǎng)格數(shù)為53 447 個(gè)。

2）糙率參數(shù)

計(jì)算區(qū)域的糙率與水深、床面形態(tài)、植被條件等因素有關(guān)。此次模型中按照地形地貌特點(diǎn)進(jìn)行糙率參數(shù)的選取，并制作糙率場文件，糙率取值如表2 所示。

表2 下墊面糙率表

3 模型合理性分析

3.1 洪痕點(diǎn)水位分析

根據(jù)1998 年胖頭泡洪水調(diào)查所得到的洪痕資料，對胖頭泡模型進(jìn)行率定。實(shí)測洪痕水位和MIKE 21 模型計(jì)算水位比較結(jié)果如表3 所示，由表3 可知模型率定結(jié)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 模型對蓄滯洪區(qū)1998 年洪水進(jìn)行模擬。此次模擬蓄滯洪區(qū)分洪水量為62.9億m3，回歸水量為42.0億m3，蓄滯洪區(qū)蓄水量為20.9億m3。1998 年洪水決口跑水量為64.3 億m3，回歸水量為44.3 億m3，蓄滯洪區(qū)蓄水量為20.0 億m3。由此可見，模擬結(jié)果與實(shí)際情況基本相符合。

4 分洪能力分析

4.1 計(jì)算方案

為確保蓄滯洪區(qū)能夠承擔(dān)下游哈爾濱100～200 年一遇洪水的防洪任務(wù)，此次采用1956，1957，1960，1969，1998，2013 年6 個(gè)典型年200 年一遇的歷史洪水，驗(yàn)證蓄滯洪區(qū)分洪能力，并提出能夠滿足6 個(gè)年型分洪要求的蓄滯洪區(qū)運(yùn)用方案。方案一：在現(xiàn)狀工況及地形條件下，分洪水量通過分洪通道1 和2 流入胖頭泡內(nèi)部。方案二：在現(xiàn)狀地形條件下，對分洪通道1 向兩側(cè)進(jìn)行擴(kuò)挖，加大行洪能力，以優(yōu)化分洪口的分洪效果。

4.2 計(jì)算結(jié)果

采用1956，1957，1960，1969，1998，2013 年6 個(gè)典型年200 年一遇的洪水對蓄滯洪區(qū)進(jìn)行分洪模擬，得到計(jì)算結(jié)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對比表

由表4可知，方案一中6個(gè)典型年除1960年外，其余5個(gè)年型洪水演進(jìn)至哈爾濱流量小于17 900 m3/s，可以滿足哈爾濱防洪安全需求。針對1960 年典型洪水，按照方案二，需加大老龍口分洪能力，優(yōu)化蓄滯洪區(qū)運(yùn)用條件。經(jīng)分析，影響分洪效果的主要原因是區(qū)內(nèi)存在局部地形卡口，阻礙洪水演進(jìn)，需對區(qū)內(nèi)分洪通道1 進(jìn)行擴(kuò)挖，向兩側(cè)擴(kuò)挖500.00 m，加大行洪能力，將分洪閘下游壅水快速引至鴨木蛋格泡子，進(jìn)一步延遲分洪口門下游水位的抬升，減緩下游壅水對分洪口門分洪能力的影響，從而確保分洪口門的持續(xù)有效分洪。

5 結(jié)語

本文通過MIKE FLOOD 建立河道一維及蓄滯洪區(qū)二維模型，并通過改變局部卡口段地形，對比分析蓄滯洪區(qū)的分洪能力，結(jié)果可為蓄滯洪區(qū)的安全啟用提供技術(shù)支撐及管理依據(jù)。當(dāng)嫩江發(fā)生較大洪水時(shí)，通過預(yù)報(bào)快速判斷嫩江洪水是否有繼續(xù)增長的趨勢，并結(jié)合水文站的流量變化綜合分析，快速匹配典型年洪水，判斷蓄滯洪區(qū)開啟的最佳時(shí)機(jī)。在實(shí)際防洪調(diào)度中，當(dāng)哈爾濱發(fā)生超100 年一遇洪水時(shí)，應(yīng)開展實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)、預(yù)演，并結(jié)合哈爾濱洪峰流量和堤防防御能力，判斷利用堤防超高擋水或是啟用蓄滯洪區(qū)及蓄滯洪區(qū)啟用順序。應(yīng)建立蓄滯洪區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)移預(yù)案，進(jìn)一步加強(qiáng)蓄滯洪區(qū)管理，建立建全蓄滯洪區(qū)管理機(jī)制，完善蓄滯洪區(qū)運(yùn)用補(bǔ)償辦法，推進(jìn)相關(guān)政策法規(guī)的制定實(shí)施，提高蓄滯洪區(qū)依法管理能力，降低蓄滯洪區(qū)運(yùn)用后對當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的影響。