基于MIKE21模型的火驅(qū)站防洪評價計算

何 雙

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，遼寧 沈陽 110006)

基于MIKE21模型的火驅(qū)站防洪評價計算

何 雙

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，遼寧 沈陽 110006)

河道管理范圍內(nèi)的建設(shè)項目和位于河流影響范圍內(nèi)的重要建設(shè)項目應(yīng)進(jìn)行防洪影響評價，重要的防洪工程應(yīng)運用數(shù)學(xué)模型分析計算。選用數(shù)學(xué)模型時，可根據(jù)實際情況，在滿足工程實際的需要條件下，適當(dāng)?shù)倪x用一維或二維數(shù)學(xué)模型。為評價典型河道內(nèi)火驅(qū)站的防洪影響，采用MIKE21軟件模擬設(shè)計洪水的流場，分析火驅(qū)站對洪水的阻水作用。計算結(jié)果表明，采用二維結(jié)構(gòu)網(wǎng)格構(gòu)建計算模型，可對比工程建設(shè)前后的流場，可準(zhǔn)確、直觀的分析出火驅(qū)站建設(shè)對水位及流水的影響程度。

繞陽河；防洪評價；MIKE21模型；二維模型

1 計算背景

自1992年之后，我國各地逐步對建設(shè)項目審查要求編制防洪評價報告[1-3]。1994年，水利部頒布了《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項目防洪評價報告編制導(dǎo)則(試行)》[4-5]，進(jìn)一步規(guī)范了防洪評價報告編制內(nèi)容，其規(guī)定防洪評價報告包括六大內(nèi)容，其中作為防洪評價報告重要組成部分的防洪評價計算，主要包括水文分析計算、壅水分析計算、沖刷和淤積分析計算、河勢影響分析計算等內(nèi)容，其中的壅水分析計算是所有計算的核心部分。

防洪評價報告的編制工作結(jié)合了建設(shè)項目所在地的地理、洪水、社會經(jīng)濟(jì)等信息，通過資料搜集、計算分析、綜合分析，最終以報告的形式將建設(shè)項目的對防洪的影響論述清楚，為相關(guān)部門對項目的審批提供決策依據(jù)。

2 計算方法

隨著計算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模型已廣泛應(yīng)用于河流工程的研究、規(guī)劃和設(shè)計中，已成為工程優(yōu)化設(shè)計的一個有效手段，得到了工程界的認(rèn)可。

文章研究主要采用MIKE21(水動力模塊)軟件來模擬火驅(qū)站設(shè)計洪水條件下的洪水演進(jìn)過程。

MIKE21是二維平面區(qū)域內(nèi)的水力學(xué)計算軟件，主要用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環(huán)境等，本次計算選用MIKE21的水動力學(xué)模計算泛濫區(qū)內(nèi)的洪水淹沒過程，根據(jù)計算結(jié)果即可進(jìn)行洪水動演進(jìn)過程的模擬。

3 模型構(gòu)建

3.1 工程概況

本研究選用的火驅(qū)站位于遼河下游平原地區(qū)，地勢低洼，全區(qū)域為葦塘所覆蓋，工程場地在地貌單元上屬于遼河河口三角洲，沉積土層為第四系，海陸交互相沉積。地貌為遼河下游沖積平原，區(qū)內(nèi)地勢低洼，一般海拔2m-4m，全區(qū)為葦田所覆蓋。

建設(shè)項目位于繞陽河勝利塘大橋上下游，建設(shè)兩座火驅(qū)站，其中1#火驅(qū)站擬建位置位于繞陽河右岸灘地，盤山縣羊圈子葦場管理區(qū)域，勝利塘大橋上游約800m，距河道主槽約900m，位于勝利塘總干東側(cè)約160m，灘區(qū)已有公路的北側(cè)，緊臨公路，本區(qū)域地面平坦；2#火驅(qū)站擬建位置位于繞陽河左岸灘地，盤錦監(jiān)獄管理區(qū)域，勝利塘大橋下游約300m，距河道主槽約200m，距大堤約1300m，灘區(qū)已有公路的西側(cè)，緊臨公路。詳見圖1。火驅(qū)站防洪標(biāo)準(zhǔn)為50a一遇。

圖1 工程位置示意圖

3.2 模型邊界設(shè)置

模型計算河道區(qū)域主要來流為繞陽河干流洪水，根據(jù)水文計算分析，工程所在河段50a一遇洪水流量為2352m3/s，30a一遇洪水流量為2142m3/s。

模型下游接近繞陽河河口，終點水位采用繞陽河河口水位-流量關(guān)系插值所得。河口水位流量關(guān)系見圖2。

圖2 繞陽河口水位-流量關(guān)系線

3.3 網(wǎng)格剖分及地形

水力計算范圍，上游從龍家堡下游1.3km開始，下游至繞陽河河口上游1.3km，共27.2km河道。由于本河段左岸有堤防，計算范圍左岸至堤防；右岸現(xiàn)狀堤防不連續(xù)，灘地平坦，右岸計算范圍至高程較高的勝利塘總干、308省道、振興造紙廠排水渠邊公路組成的邊界。計算范圍見圖1。

本次計算采用Mike21矩形網(wǎng)格，由于本河段灘地范圍廣闊，地勢平坦，矩形尺寸為20m×20m。由于模型算法限制，進(jìn)出口邊界需水平或垂直，因此確定計算網(wǎng)格時，將地形順時針旋轉(zhuǎn)45°。以保持上、下游邊界與河道正交。計算網(wǎng)格劃分插值見圖3。

圖3 計算網(wǎng)格劃分圖(每5條網(wǎng)格線顯示1條)

本次計算的兩個火驅(qū)站考慮場站周圍環(huán)繞的鐵藝圍墻的阻水作用采用抬高地形不過流的方法處理，使抬高的地形的網(wǎng)格位置與火驅(qū)站一致，抬高面積保持一致。用這種方法處理的地形，阻水作用大于實際情況，計算結(jié)果偏安全。

3.4 糙率

計算區(qū)域的曼寧值反映區(qū)域內(nèi)不同地物對水流的阻力作用，采用和地形網(wǎng)格相對應(yīng)的糙率網(wǎng)格。為反映模型內(nèi)計算區(qū)域的地形特點，對模型中的公路、鐵路等進(jìn)行了高程點加密，以確保網(wǎng)格剖分后高程的連續(xù)，對于油田區(qū)域的油井、廠房等，進(jìn)行了局部加糙處理。

河道主槽糙率選為0.033；灘地糙率選為0.05-0.11；油田范圍通過加糙模擬建、構(gòu)筑物阻水情況，糙率選為0.17。

4 模擬結(jié)果分析

經(jīng)模型計算得到整個研究區(qū)30a一遇及50a一遇洪水的流場。新建火驅(qū)站侵占河道行洪面積，會導(dǎo)致火驅(qū)站迎水側(cè)水位壅高，壅高的水位隨距新建火驅(qū)站距離增加而逐漸減小，直到與現(xiàn)狀情況一致?；痱?qū)站背水側(cè)水位會降低，隨著距火驅(qū)站距離增加降低值逐漸減小?；痱?qū)站迎、背水側(cè)由于建筑物阻水流速會降低，相應(yīng)的火驅(qū)站兩側(cè)流速會增大，流速變化值隨著距火驅(qū)站距離增加而減小。

4.1 水位影響

1#火驅(qū)站距離河道主槽較遠(yuǎn)，阻水作用不明顯。50a一遇洪水火驅(qū)站附近最高壅水3cm，位于火驅(qū)站迎流側(cè)，最大影響范圍541m；水位降低最大2cm，位于火驅(qū)站背流側(cè)，最大影響范圍255m。

2#火驅(qū)站距離主槽較1#火驅(qū)站近，但阻水面積較1#火驅(qū)站小，壅水作用與1#火驅(qū)站相差不大。50a一遇洪水火驅(qū)站附近最高壅水3cm，位于火驅(qū)站迎流側(cè)，最大影響范圍195m；水位降低最大3cm，位于火驅(qū)站背流側(cè)，最大影響范圍323m。

圖4 火驅(qū)站修建前后50a一遇水位差值分布圖

圖5 火驅(qū)站修建前后30a一遇水位差值分布圖

4.2 流速影響

圖6 火驅(qū)站修建前后50a一遇流速差值分布圖

圖7 火驅(qū)站修建前后30a一遇流速差值分布圖

火驅(qū)站修建前后，河道流速大小變化不大，流速分布基本不變?；痱?qū)站附近由于火驅(qū)站阻擋，水流形態(tài)較天然情況復(fù)雜紊亂，火驅(qū)站建筑物迎流側(cè)和背流測由于阻水作用流速減小，建筑物間隙和兩側(cè)為增加過流流速增大，但流速變化值均不大。50a一遇洪水條件下，1#火驅(qū)站附近流速增大最大值0.13m/s，2#火驅(qū)站附近流速增大最大值0.12m/s，影響范圍在垂直于流線方向不超過200m。

5 結(jié) 語

對于河道內(nèi)復(fù)雜地形及建筑物的防洪評價壅水計算，相比二維模型計算結(jié)果，一維計算過程過于概化，簡單，采用二維模型計算結(jié)果進(jìn)行防洪評價，結(jié)論更安全、可靠。對于復(fù)雜地形條件下的工程項目，在編制防洪影響評價報告時，在條件允許情況下，建議對重要計算內(nèi)容進(jìn)行二維數(shù)值模擬計算，以得出更加合理的結(jié)論，為防洪影響評價提供依據(jù)，以利于有關(guān)部門對建設(shè)項目的審批。

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[3]劉珺．平樂黑山碼頭工程的防洪影響研究[D].桂林：桂林理工大學(xué)，2013．

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[5]丁則平．對提高河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項目管理水平的思考[J]．海河水利，2006(06)：29-31．

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1007-7596(2016)12-0083-03

2016-11-22

何雙(1985-)，男，湖北隨州人，工程師，從事水利規(guī)劃設(shè)計工作。

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