基于MIKE軟件的青龍河洪水演進數(shù)值模擬

潘薪宇，張洪雨

(哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱 150001)

科技成果

基于MIKE軟件的青龍河洪水演進數(shù)值模擬

潘薪宇，張洪雨

(哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱 150001)

青龍蓮花河位于三江平原東北部，流域面積2825km2，其中低洼面積為1007km2，其防洪治洪水、澇災(zāi)意義重大。文章根據(jù)河道的防洪和洪水波傳播的不同特點，使用一維數(shù)值模擬的流體動力學(xué)方程，建立洪水演進數(shù)值模型，分析了改造工程后河道在各種頻率的設(shè)計洪水下的排洪能力。

水動力；數(shù)值模擬； MIKE11；MIKE VIEW；泄流能力

1 區(qū)域概況

青龍蓮花河流域位于三江平原的東北部，總面積2825km2。河流流域中山丘區(qū)面積大約為126km2，平原區(qū)的面積為1692km2，低洼地的面積為1007km2。

2 青龍河一維水動力模型建立

2.1 MIKE11模型簡介

由丹麥的水力學(xué)研究所生產(chǎn)的MIKE一系列軟件，這種軟件通常能夠模擬很多水流問題，MIKE11屬于一維模型應(yīng)用軟件，能夠解決河流、河岸、多河流體系等環(huán)境問題 。在模型運行之前，主要設(shè)置時間序列文件，然后還有模型功能設(shè)置文件、河流網(wǎng)絡(luò)文件、河網(wǎng)斷面文件、邊界參數(shù)文件等。在模型正常運算之后，需要對結(jié)果進行數(shù)據(jù)圖形分析，對于輸出的模型結(jié)果需要使用特殊的軟件模塊進行操作分析。這款獨特的工具就是MIKE VIEW。

2.2 青龍河下游部分河網(wǎng)概化

根據(jù)青龍河河道整頓工程所提供的相關(guān)資料，一維水動力數(shù)值模擬區(qū)域從北干總渠樁號24+570m處至青龍河道結(jié)尾處樁號54+010m處，這一處主要為青龍河支流蓮花河，包括青三干，青四干，青五干，青六干支流，河道上建有節(jié)制閘等水工建筑物。

本次研究的目標(biāo)蓮花青龍河規(guī)劃是青龍山灌區(qū)引黑龍江水灌溉工程的主要組成部分。其中青龍河灌渠是該工程的主要引水干渠。該設(shè)計引水干渠是在原有青龍河河槽的基礎(chǔ)上開挖而成。根據(jù)設(shè)計規(guī)劃方案，該引水干渠沿程存在多個引水支渠，以對灌渠內(nèi)各分區(qū)進行水資源的合理配置。根據(jù)青龍河河道整頓工程的設(shè)計方案，青龍河總干渠上的若干引水支渠數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 青龍河總干渠沿程引水支渠資料匯總表

在MIKE11模型中對各個引水支渠進行概化處理，使用模型中的點源來模擬各個支渠的取水狀況。

本文主要進行青龍河下游洪水演進數(shù)值模擬，下游幾個支流由于缺少支流斷面數(shù)據(jù)，簡化為點源匯入河道。

2.3 青龍河斷面概化

根據(jù)原始的所有青龍河斷面資料也就是原始CAD圖形，測量計算出各個斷面數(shù)據(jù)總計模型概化了61個河流斷面。斷面數(shù)據(jù)是通過現(xiàn)有CAD圖紙測量計算得到的。所有斷面數(shù)據(jù)都是工程開挖河道過后得到的斷面數(shù)據(jù)，本文主要研究開挖河道之后洪水對下游區(qū)域的主要影響[1]。

2.4 模型設(shè)置參數(shù)

2.4.1 模型邊界條件

上游邊界條件根據(jù)實測條件直接輸入。青龍河尾端為單向流動邊界，根據(jù)測量所得的下游端點斷面數(shù)據(jù)通過曼寧公式計算能夠得到的水位～流量值做成曲線同見圖1。

圖1 下游邊界終點Q～H關(guān)系圖

2.4.2 糙率設(shè)定

由于青龍河河道整頓工程中規(guī)定青龍河引水干渠里程為24+570m至54+010m的糙率M=40。作為模型驗證，此次測試中模型各個里程段的河道糙率設(shè)置為M=40，已驗證模型符合設(shè)計要求的各個水力要素。

2.5 模型驗證

建立青龍河總干渠MIKE11一維水動力模型，初始條件設(shè)置為水深0.1m，模擬的時間步長為30s。模型糙率按照上文中所示設(shè)置。模型的運算時間為1個月。當(dāng)模型運算時間為209h，模型中各項水利要素趨于穩(wěn)定。提取這時刻的運算結(jié)果作為模型的驗證數(shù)據(jù)。模型的模擬得到每個斷面的水位過程曲線。如圖2所示。

圖2 青龍河沿程設(shè)計水位演示

對模擬的水深結(jié)果進行分析研究，整個趨勢與青龍河河道整頓工程中設(shè)計方案的水面線基本吻合，如表2設(shè)計水深與模擬平均水深比較所示。

表2 設(shè)計水深與模擬平均水深比較

對模擬的流量結(jié)果進行分析研究，整個趨勢與青龍河河道整頓工程中設(shè)計方案的流量完全吻合，設(shè)計流量與模擬平均流量比較，見表3。

表3 設(shè)計流量與模擬平均流量比較

對模擬的流速結(jié)果進行分析研究，整個趨勢與青龍河河道整頓工程中設(shè)計方案的流速基本吻合，設(shè)計流速與模擬平均流速比較見表4。

表4 設(shè)計流速與模擬平均流速比較

從模型總體驗證結(jié)果來看，在斷面改造過后、設(shè)計糙率M=40的情況下，模型的流量、水深及流速模擬結(jié)果接近青龍河河道整頓工程的設(shè)計值。說明使用模型對河道開挖后的防洪能力分析具有現(xiàn)實意義。

3 蓮花青龍河不同工況下的防洪能力分析

模型模擬了3種工況下洪水演進過程，下面對演進結(jié)果進行分析。在青龍河主干渠及青三干、青四干、青五干、青六干、青七干分別同時遭遇50a，20a和10a一遇的洪水時，建立相應(yīng)的洪水入流邊界。詳見表5。

表4 青龍河干渠在3種頻率設(shè)計洪水下水位達到最高點時水深匯總表

從表5中可以看出青龍河在經(jīng)歷頻率P=2%的洪水時各個斷面的水深部分高出設(shè)計水深，模擬水深高于設(shè)計水深較明顯的情況出現(xiàn)在49180m至51570m的樁號段，模擬水深高出設(shè)計水深0.57m。各個河流段的模擬水深平均超出設(shè)計水深約0.4m。在經(jīng)歷3個頻率的洪水時各個斷面的水深部分低于設(shè)計水深，但部分河段還是出現(xiàn)洪水漫堤的狀況。在經(jīng)歷頻率P=10%的洪水時各個斷面的水深部分低于設(shè)計水深。基本沒出現(xiàn)漫堤現(xiàn)象。

MIKE11可以計算出的青龍河水面線結(jié)果并可以動態(tài)演示。圖3為青龍河干渠在3個頻率工況下水位達到最高點時水面線展示圖?？梢钥闯鲱l率P=2%時青龍河干渠右岸在洪水水位達到最高時刻25250～27015m、30230～39500m、40990～41980m處出現(xiàn)漫堤現(xiàn)象，青龍河干渠左岸在洪水水位達到最高時刻2457026620m、28110～30230m處出現(xiàn)漫堤現(xiàn)象。

在P=5%時青龍河干渠右岸在洪水水位達到最高時刻26150m、31650～32170m、35730m處出現(xiàn)漫堤現(xiàn)象，青龍河干渠左岸在洪水水位達到最高時刻24570～25250m、26150m、29670m處出現(xiàn)漫堤現(xiàn)象。但漫堤情況比P=2%工況的漫堤有明顯改善。在P=10%時青龍河干渠右岸在洪水水位達到最高時刻基本沒有出現(xiàn)漫堤現(xiàn)象。

圖3 青龍河干渠在3種頻率的設(shè)計洪水下最高水位圖

從圖3的分析中可以看出在河道里程處35730m的斷面的右岸高程明顯比水位要低，這個位置在整條河道中防洪能力相對較弱，本文將提取這一斷面的水位變化結(jié)果作為防洪能力分析。

圖4顯示在P=2%時岸堤高程最低35730m的斷面水位大部分時間都在左岸岸堤高程以下，在模擬的4393h的時間段內(nèi)，有576h的水位比右岸岸堤高程高。最高水位達到53.85m，比右岸岸堤高程52.27m高出1.58m。遭遇P=5%的設(shè)計洪水時，在模擬的4393h的時間段內(nèi)，有332h的水位比右岸岸堤高程高。最高水位達到53.18m，比右岸岸堤高程52.27m高出0.91m。青龍河斷面35730m的防洪形勢任然比較嚴峻，建議在此河段加高右岸岸堤。在遭遇P=10%的設(shè)計洪水時，岸堤高程最低35730m的斷面水位全部時間都在左岸岸堤高程以下。在P=10%下的青龍河斷面35730m不存在漫堤現(xiàn)象。

圖4 青龍河樁號35730m處的水位變化曲線圖

4 結(jié) 語

本文對青龍河主干渠下游建立了MIKE11數(shù)值模型，分別對頻率P=2%，5%，10%的情況下進行洪水演進數(shù)值模擬，得到在這3種工況下各個斷面的流量，水位等水文信息，驗證在對河道進行開挖改造后洪水來臨時是否能應(yīng)對極端洪水災(zāi)害。

水動力模型對于河道的斷面資料完整度的要求比較高，而在本工程中有些斷面的設(shè)計值并不是完全合理，如35730m處右岸較低，造成水面的溢流。一維水動力模型在調(diào)節(jié)參數(shù)時主要需要調(diào)節(jié)的是河床糙率系數(shù)，而在實際的調(diào)節(jié)過程中，河床糙率系數(shù)對模型計算結(jié)果的精確度的影響不是很敏感，猜測這可能是由于斷面資料不全，并且在計算中也都忽略了蒸發(fā)、滲漏等自然因素的影響。

根據(jù)驗證，在10a一遇的工況下，河道完全沒有漫堤現(xiàn)象，而對于更加極端的洪水，大部分情況下，對于某些斷面右岸都有明顯的漫堤現(xiàn)象，所以建議要在上文中提到的幾個斷面加高右堤保證洪水順利通過。在青龍河主干渠及青三干、青四干、青五干、青六干、青七干均遭遇極端洪水時，35730m處都會有漫堤現(xiàn)象，建議在此河段加高右岸岸堤。

[1]周雪漪.計算水力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1994.

1007-7596(2014)01-0001-03

2014-01-15

潘薪宇(1988-)，女，黑龍江綏化人，在讀研究生；張洪雨(1957-)，男，黑龍江齊齊哈爾人，教授，博導(dǎo)，曾獲中船總科技進步三等獎，黑龍江省科技進步三等獎。

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