季节性河流马颊河莘县段行洪能力分析

崔绍峰 詹新焕 夏可政 王坤 刘克琳

摘 要：合理地分析河道行洪能力，能够有效地减少洪灾损失并为河道管理者提供决策支持。在对北方地区马颊河流域暴雨洪水分析的基础上，探讨“设计暴雨推求设计洪水方法”在该地区的适用性，并基于MIKE11构建马颊河莘县段一维水动力学模型，对比分析在设计标准“1961年雨型”洪水和1971年典型洪水下马颊河莘县段的河道洪水演进情况，根据河道水面线变化及相应最高水位与堤顶的距离，分析洪水上滩情况，评价河道行洪能力。结果表明：马颊河莘县段基本可达到“1961年雨型”防洪标准，仅有少数低洼河段出现洪水漫滩现象，需对相应堤防进行加高防护处理;在1971年典型洪水下，洪水在主槽内演进，不会出现洪水漫滩现象。

关键词：河道行洪;设计暴雨分析;MIKE11;马颊河莘县段

中图分类号：TV877 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.05.012

Abstract： Reasonably analyzing flood carrying capacity of channel can effectively reduce flood losses and provide favorable decision support for river managers. Based on the analysis of rainstorm and flood of Majia River basin in northern China， this paper discussed the applicability of “the method of deducing design flood from design rainstorm” in this area， constructed a one-dimensional hydrodynamic model for Majia River in Shenxian section based on MIKE11 and compared and analyzed the river flood evolution in the design standard of “rain-type of 1961” flood and the typical flood in 1971. Through the change of river water surface profile and the distance between the corresponding highest water level and the dike top， it analyzed the situation of flood on the beach and evaluated the flood passing capacity of the river. The results show that the Majia River in Shenxian section can basically meet the flood control standard of “rain-type of 1961”， only a few low-lying sections have flooding problem and the corresponding levees need to be heightened for protection; the flood flows in the main channel and the floodplain will not be flooded under the conditions of the typical flood in 1971.

Key words： river course flood passing; design storm analysis; MIKE11; Majia River in Shenxian section

1 引 言

近年來我国洪涝灾害频发，造成的破坏持续增加，科学合理分析河道行洪能力对于加强河流的洪水管理及减少洪水带来的损失具有非常重要的意义[1]。许士国等[2]构建石佛寺水库下游河道的一维水动力学模型，复核河堤的防洪能力;修海峰等[3]基于MIKE11模拟计算瑞平水系主要河道内的流量及水位变化情况;赵文静[4]建立汾河兰村—义棠段的一维洪水演进模型，结合生态指标进行数值模拟;马娇娇等[5]应用MIKE建立淮河干流蚌埠至浮山段水动力数学模型，模拟100 a一遇洪水在河道的行洪演进过程;张防修等[6]构建主槽一维和滩地侧向耦合洪水演进模型，在黄河下游花园口至夹河滩河段得到成功应用;蒋楠等[7]采用MIKE11和HEC-RAS模型对锦江河段水面线进行模拟计算，表明MIKE11模型推算的水面线更准确;李文义等[8]基于小浪底水库运用前后黄河下游窄河段的河道形态变化，利用MIKE11模型对黄河下游艾山—泺口窄河段2000年、2003年、2013年洪水过程进行模拟;张涛等[9]采用MIKE11对平原河道东鱼河中下游河段进行水面线计算，所得成果能够为河道洪水调度提供决策参考;陈璇等[10]基于MIKE11构建了秦淮河流域一维水文水动力学耦合模型，复核流域现状防洪能力，对其现状防洪能力不足问题提出相应解决措施。本文在对马颊河流域暴雨洪水分析的基础上，基于MIKE11构建马颊河莘县段一维水动力学模型，对比分析发生“1961年雨型”设计标准洪水和1971年典型洪水时，河道水面线及相应最高水位与堤顶距离的变化情况，以此复核马颊河莘县段的河道行洪能力，力求为河道治理与洪水调度决策提供技术支撑。

2 研究区概况及水文分析

2.1 研究区概况

马颊河属海河流域，是聊城市全境的省级重点行洪排涝河道，更是莘县行洪排涝的“主动脉”之一。目前按“1961年雨型”防洪标准建设堤防，其防洪标准在莘县段相当于5～20 a一遇洪水。莘县段处于马颊河上游，滩地面积大，数十年来河水未上滩，特别是20世纪80年代以来，马颊河已成为季节河，常年干涸，主要依靠降水或引调黄河水来保证沿河耕地灌溉，当地群众在滩地内建起了蔬菜大棚。马颊河莘县段属于半湿润大陆性气候区，春季南风大而多，降水稀少;夏季温度高，雨量大;秋季温和凉爽，降水减少;冬季寒冷干燥，雨雪稀少。这种气候特征形成了春季易旱、夏季易涝、晚秋又旱的自然特点。

2.2 历史暴雨洪水分析

分析历史暴雨洪水，是确定马颊河莘县段一维水动力学模型边界条件的前提。收集马颊河流域莘县段及其附近莘县、朝城、毕屯、观城、桑阿镇和王奉6个雨量站1956年建站以来历年年最大1 d和3 d暴雨特征值，求其算术平均值，得到年最大1 d和3 d的面平均雨量，见图1和图2。

由图1和图2可知，年最大1 d和3 d降雨量有下降趋势，但趋势不显著。年最大1 d降雨量的最大值为144 mm，发生在1993年;年最大3 d降雨量的最大值为193 mm，发生在1971年。

此外，分析马颊河聊城市境内水文站王铺闸1971年建站以来历年最大流量特征值，见图3。由图3可知，王铺闸实测年最大洪峰流量表现为下降趋势，趋势较为显著，最大洪峰流量最大值为193 m3/s，发生在1971年。

将年最大洪峰、年最大1 d降雨量与年最大3 d降雨量从大到小排列，选出排在前三位的洪峰流量和雨量及其发生年份，见表1。由表1可知，马颊河年最大洪峰流量最大值发生在1971年，年最大3 d降雨量最大值也发生在1971年。综合来看，1971年暴雨洪水对防洪最为不利。

2.3 面平均雨量频率计算

马颊河流域一次暴雨历时一般为1 d，两次连续降雨为3 d。将面平均雨量按最大1 d、3 d时段雨量进行频率分析计算，采用流域内1956—2015年雨量序列资料，利用P-Ⅲ曲线进行适线，最终得到设计面平均雨量，见表2。

2.4 设计洪水分析讨论

根据山东省水利厅2008年编制的《海河流域防洪规划徒骇、马颊河系防洪规划报告》（以下简称《报告》）[11]，当前马颊河堤防按照“1961年雨型”洪水进行设计建设，相应的最大1 d和3 d降雨量分别为93、169 mm。1971年洪水实测最大1 d降雨量为135 mm，比“1961年雨型”大42 mm;最大3 d降雨量为193 mm，比“1961年雨型”大24 mm。此外，由表2可知，20 a一遇的最大1 d设计降雨量为136 mm，1971年洪水的实测最大1 d降雨量与其相比减少了1 mm，其量级接近20 a一遇;50 a一遇的最大3 d设计降雨量为191 mm，1971年洪水的实测最大3 d降雨量与其相比增加了2 mm，其量级大于50 a一遇。

根据《报告》可知，马颊河在1970年前后曾进行大规模治理，对水系做了调整，建设了多处节制闸蓄水，流域下垫面条件发生了很大变化，再加上人类活动影响，洪水还原困难，难以得到统一下垫面条件下的洪水资料。因此，尽管马颊河莘县段上下游已建有实测水文站，积累了40余a水文资料，但根据实测洪水资料推求设计洪水的方法在该地区仍未被广泛采用，历次规划一直沿用由设计暴雨推求设计洪水的方法。

1971年洪水的實测洪峰流量为193 m3/s，相比于《报告》中采用设计暴雨推求设计洪水方法所计算出的20 a和50 a一遇洪水的设计洪峰流量（338、475 m3/s），分别减小145、282 m3/s，也小于“1961年雨型”洪水设计洪峰流量（283 m3/s）。由上述分析可知，1971年洪水的最大1 d和最大3 d降雨量均大于“1961年雨型”的降雨量，正常情况下所推求出的“1961年雨型”的设计洪峰流量应小于1971年洪水的实测洪峰流量，由此引发了笔者对于该地区当前采用“设计暴雨推求设计洪水”方法的思考：

（1）在我国北方地区，受人类活动影响，使得流域下垫面条件发生了很大变化，同样的降水，径流减少[12]，使得推求的设计暴雨洪水过程有所偏差。

（2）马颊河流域气候干旱，河道长期干涸，下渗量大，往往未能形成较大的地表径流，使得推求的设计暴雨洪水过程有所偏差。

3 马颊河莘县段一维水动力学模型建立

MIKE11模型基于圣维南方程组进行河道水动力过程模拟，采用Abott六点隐式有限差分法进行方程组求解，可以提供河道各个断面水位和流量过程等水文要素信息[13]，具有计算稳定、精度高、可靠性强等特点，能方便灵活地模拟复杂河网水流、闸门、水泵等各类水工建筑物的运行调度。

MIKE11的基本方程如下：

式中：x、t 分别为计算点空间和时间的坐标;A为过水断面面积，m2;Q为过流流量，m3/s;h为水位，m;q为旁侧入流流量，m3/s;C为谢才系数;R为水力半径，m;α为动量校正系数;g为重力加速度，m/s2。

由于马颊河莘县段无水文站点，因此没有洪水观测数据。马颊河上游河南省境内设有南乐水文站，距马颊河莘县段上边界沙王庄约30 km，下游聊城市境内设有王铺闸水文站，距沙王庄约50 km。从防洪最不利情况出发，马颊河莘县段一维水动力学模型构建中，上边界沙王庄流量条件移用王铺闸水文站的洪水过程，下边界采用务庄闸水位流量关系。

马颊河沙王庄至务庄闸河段河道大断面在高斯投影直角坐标系下的空间分布情况见图4。河道断面数目共计185个，断面间距100～1000 m。为了简便且与马颊河规划设计情况保持一致，主槽与滩地糙率取值采用2019年《徒骇河马颊河防洪治理工程初步设计》[14]成果，即主槽糙率取0.025，滩地糙率取0.040。

4 马颊河防洪能力复核与洪水上滩情况分析

利用构建的马颊河莘县段一维水动力学模型，模拟“1961年雨型”洪水、1971年典型洪水在马颊河莘县段的演进，推求水面线以复核河道防洪能力，通过最高水位是否超过滩地高程来判断洪水是否上滩。

马颊河沙王庄—务庄段以“1961年雨型”沙王庄设计洪峰283 m3/s作为上边界的流量条件，务庄闸水位流量关系作为下边界，计算出的“1961年雨型”洪水水面线见图5。以1971年洪水的实测洪峰193 m3/s作为上边界沙王庄流量条件，务庄闸水位流量关系作为下边界，计算出的1971年洪水水面线见图6。

由图5可看出，在“1961年雨型”洪水下，马颊河设计洪水位在34.46～40.47 m之间，平均距左堤堤顶3.90 m，距右堤堤顶4.22 m，大于堤防超高值（2.0 m）。185个参与计算断面中，仅有7个断面洪水上滩，占比3.7%。平均上左滩约0.63 m，上右滩约0.37 m，主要分布在里程16 400、19100～19 300、20 000、20 600、21 800 m等局部低洼地区。由图6可看出，在1971年洪水下，马颊河的洪水位在33.80～39.80 m之间，所有参与计算断面的洪水位均低于滩地高程，未发生洪水上滩现象。

对比分析马颊河“1961年雨型”洪水和1971年洪水的水面线（见图7）发现，马颊河的“1961年雨型”洪水水面线均高于1971年洪水的水面线，一般高出0.53～0.78 m，平均高出0.62 m。可见，1971年历史最大洪水明显小于“1961年雨型”洪水。

5 结论与建议

（1）在进行设计暴雨推求设计洪水方法中，需根据马颊河流域实际情况，充分考虑人类活动及下垫面条件变化的影响，进一步完善设计洪水推求方法，为河道洪水演进模拟提供更为准确的数据支撑，使计算结果更具合理性和可靠性。

（2）马颊河莘县段基本达到了“1961年雨型”防洪标准。在1971年洪水下，马颊河莘县段不会出现洪水漫滩现象;在“1961年雨型”洪水下，洪水主要在主槽内演进，只有局部低洼河段出现洪水上滩，需对相应位置堤防进行加高防护处理。

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【责任编辑 许立新】