基于MIKE11模型的靖安北河河道防洪能力评价

刘淑娥

(江西省赣西土木工程勘测设计院，江西 宜春 336000)

近年来，随着经济建设的蓬勃发展，河道防洪工程建设也进入了加速期，这在客观上为防洪治理的资金投入创造了有力条件，但同时采砂场、桥梁、风景区、闸坝等涉河工程也显著影响着河道的防洪能力。为准确评判河道工程对河流行洪能力的影响程度，分析可能造成河底下陷或增高状况，阻水建筑物是否侵占过水断面及其施工能否满足建设标准等，有必要选用合适的方法准确评估河道的行洪能力[1]。以人们生命财产安全和国民经济建设为基准，利用合适的方法计算各河段成灾、保证、警戒水位以及满足防洪要求的流量，为防汛实时指挥、应急预案的制定和防洪工程规划等提供数据支撑[2-4]。目前，工程实践中应用比较成熟的模拟软件为MIKE一维水动力模型，其调节边界条件和调整模型参数时极为便捷。因此，以靖安北河小湾至上洋螺段防洪工程为例，运用MIKE11软件对河道防洪能力进行科学评估。

1 河道防洪治理

1.1 河流概况

潦河流域属于江西省暴雨中心之一，从3月份开始进入雨季，汛期为4-9月份，主汛期(4-6月份)大气环流活跃，受冷暖气流交锋作用形成峰面雨，其特点为暴雨集中、范围大、历时长，往往形成大洪水；受台风侵入影响，7-9月份为暴雨频发期，其特点为强度大、历史短、有局部性等。

本次防洪工程位于靖安北河中上游两岸，属潦河水系北潦河支流靖安北河，距城区约20 km。防洪工程范围为靖安北河小湾水库坝址下游至上洋螺段，全长6.19 km，保护面积约3.5 km2，保护耕地0.033 33×104hm2，保护人口0.7万人，穿宝峰集镇而过。工程起点位于小湾水库坝下，其洪水主要受小湾水库下泄洪水控制，此外工程区内还涉及到东坑、周坊、福源和华坊支流，4条支流均为靖安北河支流。工程河段内还有东坑水、华坊水等支流，其中东坑支流全流域面积14.4 km2，主河道长7.75 km，该河发源于宝峰镇桥子岭，流经虎洞口、花生棚、赵家，于宝峰寺下游的刘家汇入靖安北河；华坊水支流全流域面积34.0 km2，主河道长9.1 km，该河发源于宝峰镇十岭尖，流经坳下、田部、清潭、汪家锻，于华坊村附近汇入靖安北河。工程上游已建罗湾水库、小湾水库两座以发电为主的中型水库，除此以外还有洪屏抽水蓄能电站(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属典型的山区性河流，该段水流湍急、河道弯曲，洪水陡涨陡落，局部冲刷严重，河床淤塞、汛期排洪不畅。现状防洪工程仅局部存在防洪设施，未形成完整的防洪体系，无法有效保障防洪安全，对当地人们生活水平的提升及国民经济发展产生严重制约，威胁着沿河居民的财产安全。受台风降雨的影响，宝峰镇遭遇“1998·6”、“2005·9”、“2016·7”3次大洪水，由于暴雨来势猛、历时长且雨量大，使得河水猛涨，从而引起山洪灾害，对国民经济建设和沿河居民安全带来重大损失。

现状仅在靖安北河桩号河2+273～2+630段左岸、桩号河6+075～6+190右岸设有防洪设施，其中2+273～2+630段左岸为砼预制块结合草皮护岸，长357 m；桩号河6+075～6+190右岸为浆砌石挡墙。两岸易发洪涝灾害的平原、盆地、浅丘区，按规划范围内现状河流分布及地形条件确定防洪工程防洪标准为10年一遇。为进一步提高抗御洪涝灾害的能力，促进当地经济发展和保障沿河居民安全，有必要选用合适的方法准确评估河道的行洪能力，从而为防汛实时指挥、应急预案的制定和防洪工程规划等提供数据支撑。

2 行洪能力计算分析

2.1 MIKE11一维水动力模型

丹麦水力环境研究所DHI研发的一款用于河网、河流等水量水质模拟的MIKE11一维水动力软件，现已被工程院及科研单位广泛应用于河流水资源管理、水利工程规划、洪水洪峰洪量预报等领域，考虑选用该模型评估靖安北河河道的防洪能力[5-6]。

假设河道断面与坡降保持不变、水流不可压缩且为均质流态、河流符合静水压力条件等为MIKE11模型应用的前提条件，其理论基础为求解圣维南方程组，当前比较常用的求解方法为隐式格式离散法，表达式为：

∂A/∂t+∂Q/∂x=q

(1)

(2)

式中：A、Q、R为河道断面面积、水力半径和流量，m2、m、m3/s；x、t、q为距离坐标、时间和单位河段上的支流流量，m、s、m2/s；g为重力加速度，m/s2；Z、C为水深和谢才系数，m；α为动量校正系数，无量纲。

2.2 计算条件

2.2.1 地形条件

工程区处九岭山脉东端，地势起伏较大，地貌类型为构造侵蚀中低山及河流冲积阶地。其中，构造侵蚀中低山广泛分布，山顶标高大多为500～600 m，冲沟切割剧烈，纵横交错，山体陡峻，沟谷切割较深，植被发育，山谷幽静，风景优美，多为南西～北东走向谷，植被较发育；冲积阶地主要分布于北潦北河两岸，呈月牙状分布河流两岸，地面标高大多为65～75 m。北潦北河整体走向为北西-南东，河流以垂直侵蚀作用为主，河谷多呈峡谷形态，河宽20～60 m，河流蜿蜒曲折，河流纵坡陡峻，水流湍急。河心洲发育，发育有新宝峰大桥及太平山庄河心洲，最大宽度达400～500 m，河心洲植被发育，地势较平坦，新宝峰大桥河心洲地面高程一般80 m左右，太平山庄河心洲地面高程73 m左右。

采用2016年航拍图为模型中地形数据的来源，依据2017、2018年实测数据提取各横断面的测量值，靖安北河小湾至上洋螺段设置监测断面60个，其中重点观测断面、闸坝及桥梁等水工建筑物处均设置量测断面。

2.2.2 边界条件

潦河干流下游、上游和中游分别设立有万家埠、晋坪和奉新水位站，靖安北河设立有焦坑水位站，且北潦河设有贯州水文站、叶家水位站。其中，叶家站水位、降水量等水文资料均按照有关规程和规范要求观测、整编，其资料较可靠；多年来测站断面形态变化不大，自然岸线固定，水位流量关系、洲滩、主槽以及整个河势稳定，其资料观测精度较高，可以满足设计要求。另外，通过贯州、靖安站延长叶家站水位资料系列为1959-2016年，共计58年。

因此，选取叶家水位站设计洪水作为上游流量边界，结合河流防洪标准确定设计洪水为50年一遇、20年一遇、10年一遇，充分考虑潦河流域规划报告确定各防洪标准的设计流量为2 210、1 540、1 160 m3/s；选择靖安北河入汇口水流平顺段为下游边界条件，其水位流量关系见图1。

图1 下游边界水位流量关系曲线

2.2.3 模型参数率定及验证

靖安北河上游段河深比较顺直，滩槽较为明显且属于典型的山区型河流，中粗砂夹砾为河床质组成的主要材料；下游段为复式河槽，河身弯曲属于平原型河流，砂质河床为主槽基本构成，滩地以林地、荒草地和耕地为主。

结合潦河流域防洪规划、河道治理规划报告、靖安北河河道现状及其现场查勘结果，结合水力手册糙率表，确定靖安北河的上游、下游段主槽糙率为0.025～0.028和0.027～0.032范围，滩地糙率取值为0.05～0.10和0.06～0.14区间。

2.3 防洪能力评价

合理确定防汛特征断面的成灾、保证、警戒3种特征水位为评估分析该河段防洪能力的主要内容，充分考虑防洪减灾经验与河道治理状况，采用洪水达到一级阶地高程或漫过堤脚0.5 m以上的水位作为警戒水位，该条件下对应的流量为警戒流量；以堤顶高程为保证水位，其数值大小未考虑设计超高，此情况下对应的流量为保证流量；选择重要保护目标如居民区、大型产业园区、机场的地面高程，以及重要道路路面、临河阶地和防洪墙墙顶高程作为成灾水位，该条件下对应的泄量为安全泄量[7-9]。将不同流量下的水位变化情况运用MIKE11模型分析，坪山陂坝段、大韩庄园段、宝峰段、东坑段、太平山庄段5个断面的防洪能力见表1。

表1 靖安北河河道防洪能力评估

从表1可知，靖安北河河段的防洪薄弱点有4处：①坪山陂坝段的设计水位高于成灾水位，结合相关资料，上游曾有历史溃决情况，建设的沸水里拦河水坝在一定程度上具有阻水作用，为保证该河段防洪安全应提前做好应急措施及加强汛期预警工作；②大韩庄园段建设有50年一遇防洪标准的堤防工程，复核结果显示该河段安全超高无法满足洪峰流量要求，为防治堤防发生险情应加强汛期寻访；③东坑段局部建设有20年一遇防洪标准的断续堤防，居民村庄分布于沿河两岸，径流耕地段为薄弱河段，为保证行洪安全汛期可实施修复或治理措施，以解决河道过流能力低的问题；④宝峰段两岸建设有堤防，左右岸为耕地和村庄，左岸20年一遇防洪标准的保证流量小于设计洪峰流量要求，该河段上下游堤防可以基本达到防洪要求，为确保行洪安全可在汛期实施临时封堵措施。因此，满足防洪安全的河段仅有太平山庄段，该河段上下游堤防均能够达到设计要求[10]。

对此，防洪工程建设应遵循就地取材、因地制宜的基本原则，结合河道所处的地形、地质条件、防护对象的重要性程度、筑堤材料分布情况(即土石料分布特征、质量状况、数量多少、运输条件等)、水流特性、河势变化情况、工程造价、环境景观、管理与运行要求等要素，参考附近已建结构型式，经过技术、经济比较后综合确定，最终选取加固防洪堤及防洪墙、护岸处理、新建穿堤建筑物及亲水平台、河道清障疏浚等措施[11]。

3 结 论

本文以靖安北河河道防洪工程为例，采用MIKE11软件计算河流的水力数值，为准确评估河流防洪能力提供科学依据。研究发现，经过多年治理的靖安北河的防洪能力得到显著提升，在一定程度上加强了河道过流能力，基本上形成较为完善的堤防工程体系，其中部分堤段存在超高不满足标准要求、局部河道存在险工险情、桥梁桥头发现安全隐患、未及时跟进已建堤段维护措施等问题。为进一步提升河流的防洪能力，应按照确定的防洪标准和各河段存在的具体问题，综合采取加固防洪堤及防洪墙、护岸处理、新建穿堤建筑物及亲水平台、河道清障疏浚等措施，将非工程和工程措施相结合保证河道行洪能力，加强安全监控保障沿河居民安全。