基于MIKE軟件的韓莊運(yùn)河、中運(yùn)河洪水演進(jìn)的研究

黃渝桂周立霞章 鵬王小剛

（1.中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 合肥 230000 2.蘇州市吳中區(qū)城南水利管理服務(wù)站蘇州 215000）

基于MIKE軟件的韓莊運(yùn)河、中運(yùn)河洪水演進(jìn)的研究

黃渝桂1周立霞1章 鵬1王小剛2

（1.中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 合肥 230000 2.蘇州市吳中區(qū)城南水利管理服務(wù)站蘇州 215000）

韓莊運(yùn)河、中運(yùn)河是南四湖洪水南下的重要通道，其防治洪水、尤其對(duì)運(yùn)河北岸澇災(zāi)意義重大。本文根據(jù)河道的洪水特點(diǎn)，使用一維數(shù)值模型模擬的流體動(dòng)力學(xué)方程，采用MIKE11軟件建立洪水演進(jìn)模型，分析河道在各種頻率的設(shè)計(jì)洪水的現(xiàn)狀排洪能力。

南四湖 水動(dòng)力數(shù)值模型 MIKE11

1 區(qū)域概況

南四湖莊出口包括韓莊運(yùn)河、伊家河、老運(yùn)河三部分。伊家河在韓莊運(yùn)河南側(cè)，長(zhǎng)36km，在樁號(hào)35+000處匯入韓莊運(yùn)河。老運(yùn)河在韓莊運(yùn)河北側(cè)，長(zhǎng)3.8km，在樁號(hào)3+900處匯入韓莊運(yùn)河。

韓莊運(yùn)河已按50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)治理，韓莊閘下至老運(yùn)河口、老運(yùn)河口至嶧城大沙河、嶧城大沙河口至伊家河口、伊家河口至省界段的設(shè)計(jì)流量分別為4100m3/s、4600m3/s、5000m3/s、5400m3/s，堤防頂寬8.0m，超高2.0m，由于韓莊運(yùn)河挖河棄土在左堤外側(cè)堆放，韓莊運(yùn)河左堤臺(tái)兒莊閘以上段超高超寬。

中運(yùn)河已按50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)治理，省界至邳蒼分洪道入口的設(shè)計(jì)流量為5600m3/s，堤防頂寬8.0m，超高2.0m。

2 韓莊運(yùn)河、中運(yùn)河一維水動(dòng)力模型建立

2.1MIKE11模型簡(jiǎn)介

MIKE軟件由DHI（DanishHydraulicInstitute）公司開(kāi)發(fā)的，能夠模擬很多水流問(wèn)題，包括MIKE11、MIKE21、MIKEFLOOD等模塊。MIKE模塊基于圣維南方程和能量方程進(jìn)行河道水動(dòng)力模擬和結(jié)構(gòu)物計(jì)算，采用隱式差分格式求解。MIKE11模塊模擬的基本目的是提供河道各個(gè)斷面、各個(gè)時(shí)刻的水位和流量等水文要素信息，并模擬水工建筑物調(diào)度、蓄滯洪區(qū)運(yùn)用、潰口等對(duì)河網(wǎng)水文條件的影響。一維圣維南方程組采用Abbott-Ionescu六點(diǎn)隱式有限差分格式求解。該格式在每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)不同時(shí)計(jì)算水位和流量，而是按順序交替計(jì)算水位或流量，分別稱(chēng)為h點(diǎn)和Q點(diǎn)。Abbott-Ionescu格式具有穩(wěn)定性好、計(jì)算精度高的特點(diǎn)。

2.2控制方程

河道采用基于圣維南方程組的一維非恒定流方法。

2.2.1連續(xù)方程

2.2.2動(dòng)力方程

式中：A—河道過(guò)水面積；Q—流量；u—側(cè)向來(lái)流在河道方向的流速；t—時(shí)間；x—沿水流方向的水平坐標(biāo)；q—河道的側(cè)向流速；a—?jiǎng)恿π拚禂?shù)；g—重力加速度；y—水位；Sf—摩阻坡度，其計(jì)算方法如下；

在河道交匯處通過(guò)水量平衡關(guān)系連接各河段：

式中：L（m）—連接到節(jié)點(diǎn)m的河段數(shù)；M—節(jié)點(diǎn)總數(shù)；Qmn+1—n+1時(shí)段流入節(jié)點(diǎn)m的外加流量；時(shí)段流出節(jié)點(diǎn)m的流量；V—河段交匯點(diǎn)需水量。

2.3韓莊運(yùn)河、中運(yùn)河河網(wǎng)概化及斷面處理

2.3.1河網(wǎng)概化

根據(jù)《韓莊運(yùn)河、中運(yùn)河及駱馬湖堤防工程總體初步設(shè)計(jì)報(bào)告》的相關(guān)資料，計(jì)算區(qū)域從南四湖湖口處的韓莊樞紐樁號(hào)1+000處至灘上集處樁號(hào)72+245。該段河道支流主要有嶧城大沙河、伊家河、陶溝河，河道上建有萬(wàn)年閘、臺(tái)兒莊閘等水工建筑物。河網(wǎng)概化圖見(jiàn)圖1。

圖1 河網(wǎng)概化圖

在MIKE11模型中對(duì)各個(gè)支流進(jìn)行概化處理即按點(diǎn)源的方式模擬。

2.3.2斷面處理

韓莊運(yùn)河斷面從《韓莊運(yùn)河、中運(yùn)河及駱馬湖堤防工程》竣工圖獲取，斷面間距為500m，萬(wàn)年閘、臺(tái)兒莊閘附近500m之內(nèi)河道斷面取100m一個(gè)斷面，進(jìn)行斷面局部加密。

2.4模型設(shè)置參數(shù)

2.4.1模型邊界條件

模型上邊界條件為南四湖韓莊樞紐下泄流量過(guò)程及區(qū)間支流匯入，下邊界為灘上集水位與流量關(guān)系，見(jiàn)圖2。

圖2 灘上集水位與流量關(guān)系圖

圖3 韓莊運(yùn)河、中運(yùn)河河道萬(wàn)年閘閘下處水位模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)水位對(duì)比圖

2.4.2糙率選取

一維河網(wǎng)模型糙率的選擇參照《沂沭泗河?xùn)|調(diào)南下續(xù)建工程實(shí)施規(guī)劃（修訂）》中的設(shè)計(jì)糙率資料。韓莊運(yùn)河主槽糙率：15k以上為0.026，15k～臺(tái)兒莊閘（樁號(hào)36+152）為0.025，臺(tái)兒莊閘下～省界（樁號(hào)42+708）為0.0225。灘面糙率：臺(tái)兒莊閘上為0.04，臺(tái)兒莊閘下～省界為0.033。

中運(yùn)河設(shè)計(jì)糙率：主槽0.0225；淺槽0.025；灘地0.033。

2.5模型驗(yàn)證

模型選取2003實(shí)際洪水進(jìn)行驗(yàn)證，上邊界為2003年韓莊樞紐泄流流量過(guò)程，下邊界為灘上集的水位與流量關(guān)系，驗(yàn)證萬(wàn)年閘閘下水位。

根據(jù)模型計(jì)算2003年發(fā)生洪水時(shí)，韓莊運(yùn)河、中運(yùn)河河道萬(wàn)年閘閘下處水位模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)水位對(duì)比圖見(jiàn)圖3，水位對(duì)比表1。

表1 2003年洪水韓莊運(yùn)河、中運(yùn)河河道萬(wàn)年閘閘下水位模擬結(jié)果表（單位：m）

根據(jù)水力學(xué)模型驗(yàn)證要求：驗(yàn)證結(jié)果與實(shí)際洪水的最大水位誤差（實(shí)測(cè)水位與計(jì)算水位之差絕對(duì)值的最大值）≤20cm，滿足模型精度。

3 不同設(shè)計(jì)洪水下防洪能力分析

韓莊運(yùn)河、中運(yùn)河及駱馬湖工程已經(jīng)實(shí)施完成，堤防標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到50年一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，因此本次模型模擬兩種工況下洪水演進(jìn)過(guò)程（南四湖遭遇50年、100年一遇洪水韓莊樞紐下泄洪水時(shí)，韓莊運(yùn)河、中運(yùn)河洪水演進(jìn)過(guò)程）。南四湖遭遇50年、100年一遇設(shè)計(jì)洪水韓莊樞紐下泄洪水，韓莊運(yùn)河、中運(yùn)河各節(jié)點(diǎn)水位成果表，見(jiàn)表2。

表2 設(shè)計(jì)洪水下韓莊運(yùn)河、中運(yùn)河各節(jié)點(diǎn)水位成果表（單位：m）

圖4 韓莊運(yùn)河、中運(yùn)河在100年一遇設(shè)計(jì)洪水下最高水位圖

根據(jù)表2可以看出韓莊運(yùn)河、中運(yùn)河在P=2%的洪水條件下，堤防超高（堤防高程與洪水位的高差）基本上都達(dá)到2m，滿足堤防超高要求。因此，在南四湖遭遇50年一遇的洪水時(shí)韓莊運(yùn)河、中運(yùn)河按設(shè)計(jì)流量下泄洪水時(shí)，堤防不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。在P=1%的洪水條件下，堤防超高均在1.5m以下，不滿足堤防超高要求。因此，南四湖遭遇50年一遇的洪水時(shí)韓莊運(yùn)河、中運(yùn)河按設(shè)計(jì)流量下泄洪水時(shí)，堤防可能會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。

根據(jù)圖4看出，在南四湖發(fā)生100年一遇洪水時(shí)，韓莊運(yùn)河右堤樁號(hào)43+038～43+500、57+695～60+695和左堤樁號(hào)54+901～56+695低于設(shè)計(jì)水位，堤防會(huì)發(fā)生漫溢。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)韓莊運(yùn)河、中運(yùn)河建立MIKE11水動(dòng)力模型，分別對(duì)50年、100年一遇設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行洪水演進(jìn)模擬，計(jì)算出各個(gè)斷面的水位、流量，校核現(xiàn)狀堤防的防洪能力。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，南四湖發(fā)生50年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)韓莊樞紐下泄洪水，韓莊運(yùn)河、中運(yùn)河能夠安全下泄洪水；當(dāng)南四湖發(fā)生100年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)韓莊樞紐下泄洪水，韓莊運(yùn)河、中運(yùn)河堤防超高不夠，且局部堤防段會(huì)發(fā)生漫溢。因此建議在堤防漫溢處加固堤防，在南四湖發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，盡量減少人民財(cái)產(chǎn)損失■