Mikell模塊耦合模型在小流域防洪評價中的應用

才學工

(遼寧省觀音閣水庫管理局，遼寧 本溪 117100)

Mikell模塊耦合模型在小流域防洪評價中的應用

才學工

(遼寧省觀音閣水庫管理局，遼寧 本溪 117100)

防洪評價是工程建設中的重要內(nèi)容，直接關系到廣大群眾的生命財產(chǎn)安全。文章以遼寧省大連市莊河市崔家屯村地質災害搬遷項目為研究對象，結合當?shù)氐臍庀笏馁Y料，基于Mike11模塊構建出小流域河流水動力模塊(HD)和坡面降雨徑流(NAM)耦合模型。通過模擬計算，分析了20 a一遇洪水對項目的影響，并提出了相應的應對舉措。

Mikell；耦合模型；小流域防洪評價

1 研究區(qū)概況

根據(jù)《大連市人民政府關于加強地質災害防治工作的實施意見》，將對莊河北部山區(qū)突發(fā)性地質災害高發(fā)區(qū)的地質災害實施調(diào)查，地質災害危險區(qū)內(nèi)的群眾要進行搬遷避讓。本次研究的小流域治理搬遷項目位于遼寧省大連市莊河市崔家屯村的北溝與頭道溝交匯處。該項目所在的流域為蛤蜊河流域，流域總面積117.5 km2，其中平原面積約5.4 km2。蛤蜊河是大連市著名河流碧流河的重要支流，發(fā)源于遼南第二高山——老黑山，經(jīng)步云山、桂云花兩個鄉(xiāng)流入碧流河，全長50多km，年均流量約1.58 億m3[1]。北溝和頭道溝都屬于蛤蜊河水系，其中北溝全長14.7 km，頭道溝全長2.54 km，溝道的平均縱坡為0.113。

研究區(qū)屬于溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫8.5 ℃，最高氣溫37.4 ℃，最低氣溫-36.8 ℃[2]。研究區(qū)位于黃海西岸的迎風坡上，降雨量比較充沛，屬于大連市的多雨區(qū)之一，年平均降水量約1134 mm。由于主要降雨集中于夏季的7、8月份，且多短時強降雨，因此,產(chǎn)生突發(fā)性山洪的可能性較大，極易誘發(fā)地質災害。

在2014年夏季暴雨災害發(fā)生之后，大連市計劃實施地質災害高發(fā)區(qū)搬遷工程。本次搬遷工程涉及研究區(qū)內(nèi)的5個自然村，有農(nóng)戶409戶，1207人。項目計劃三年完工，于2017年底基本完成搬遷任務。此次搬遷工程建設需要新增建設用地1.99 hm2，為搬遷村民建設標準化住宅。整個項目按溝道走向分為8個不同的建設地塊。由于項目區(qū)位于莊河市洪水高發(fā)區(qū)，流域內(nèi)在歷史上曾多次遭受洪水襲擊，因此，防洪影響評價極為重要。

2 Mikell耦合模型

2.1 河流水動力模型(HD)的原理與構建

Mikell模型中的河流水動力模塊(HD)是一種非恒定流方程，這種一維明渠方程的理論基礎是圣維南方程組[3]，主要由連續(xù)方程和動量方程組成，其數(shù)學表達式如下。

(1)連續(xù)方程：

(1)

(2)動量方程：

(2)

式中：Q為流量，m3/s；q為側向入流，m3/s；t為時間，s；x為沿水流方向的距離，m；A為過水斷面面積，m2；h為水位高度，m；α為動量修正系數(shù)；R為水力半徑，m；C為謝才系數(shù)；g為重力加速度，m/s2。

河流水動力模塊(HD)的建模需要河網(wǎng)文件、斷面文件、邊界文件、參數(shù)文件、模擬文件和時間序列文件等六個主要文件[4]。由于研究區(qū)屬于小流域，不便于單一考慮，因此，在建模中要對溝道進行合理概化，生成能夠顯示所有斷面及其相關水文信息的溝道文件。根據(jù)項目建設情況，匯總研究區(qū)各溝道基本參數(shù)，其中北溝長352.7 m，比降為0.112，下游直接匯入總溝；頭道溝長330.6 m，比降為0.110，下游匯入總溝；總溝長1074.3 m，比降為0.109。研究中根據(jù)野外調(diào)查的相關信息，共設置17個斷面，其中在北溝設置10個斷面，在匯流后的總溝設置7個斷面。依據(jù)《莊河市防洪規(guī)劃報告》中的相關計算成果，結合研究區(qū)的地形圖，可得其樁號1+540所對應17#斷面為下游邊界，溝道底部的高程為424.9 m，20 a一遇洪水位為427.01 m。參照相關經(jīng)驗[5]，本次研究中的初始流量定為0，糙率范圍在0.025～0.030。

2.2 HD模塊與NAM模塊的耦合

Mikel1中的降雨徑流模塊包括眾多模擬方法，其中最常用的是NAM模塊。該模塊可以通過對地表儲水層、土壤儲水層、積雪儲水層以及地下水儲水層分別模擬，從而獲得更為準確的流域降水產(chǎn)匯流過程[6]。NAM模型的構建需要流域數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù)[7]，相關數(shù)據(jù)均由莊河市水利局的相關資料獲得。大連地區(qū)的洪峰流量經(jīng)驗公式如下：

Q=KNmFn

(3)

式中：Q為洪峰流量，m3/s；K為綜合系數(shù)，本次研究中取0.9；N為重現(xiàn)期，a；F為流域面積，km2；m、n為指數(shù)，取0.4和0.65。

基于研究區(qū)域的相關資料可以計算獲得各溝道的流量，計算結果如表1所示。

表1 各溝道洪峰流量計算成果

在河網(wǎng)文件中填寫流域信息和相關溝道的名稱和位置，將北溝和頭道溝以及總溝流域的NAM模型匯入水動力模型(HD)中，并利用Mikell模型中的RR模塊進行模擬計算。

研究中對模型的主要參數(shù)糙率進行優(yōu)化，以期獲得更好的擬合效果，通過多次模擬計算結果與當?shù)氐乃馁Y料對比，獲得如表2所示的結果。從結果可知，當糙率為0.027時，模擬計算的誤差在10%以內(nèi)。因此，模型模擬結構較為準確，可以用于下一步研究。

表2 模型模擬與實測結果對比表

3 結果與分析

本次防洪評價利用Mikell水動力模型對17個預設斷面的水位進行模擬計算，考慮到模型的計算穩(wěn)定性要求，計算步長取0.1 s，最終獲得的北溝以及匯流后的總溝17個斷面在遭遇20 a一遇洪水襲擊的情況下的水位值，具體結果如表3所示。

表3 20 a一遇洪水情況下各斷面水位值

利用上述計算獲得的各斷面遭遇20 a一遇洪水襲擊時的洪水位，與建設項目用地在各斷面的最低高程進行比較，結果如表4所示。由表格中的數(shù)據(jù)可以看出，建設用地中的絕大部分位置都高于20 a一遇洪水位，基本不存在防洪隱患。但是14#斷面對應的7號地塊低于洪水位，出于安全考慮在建設過程中應該采取設置擋水墻等工程舉措。結合當?shù)氐牡匦畏治?，項目區(qū)的部分道路和農(nóng)田地勢較低，在洪水侵襲時有被淹沒的危險，應該注意防范。

表4 20 a一遇洪水位與建設用地高程對比表

4 結 語

基于Meik11模塊構建了水動力與坡面降雨徑流耦合模型，并對遼寧省大連市莊河市崔家屯村搬遷項目的防洪評價問題進行了分析。結果顯示，除7號建設地塊以外，其他建設用地在遭遇20 a一遇洪水侵襲時沒有淹沒危險。Meik11模型雖然在水利水文領域得到了廣泛應用，但經(jīng)常受到缺乏實測資料和成本因素的限制。本文的方法為模型的檢驗提供了一種新思路，對模型的廣泛應用具有一定的幫助。從整體來看，該模型的應用技術仍不夠成熟，且缺少規(guī)范性的要求，這就需要進一步的研究和提高。

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The application of Mikell module coupling model in flood control evaluation of small watershed

CAI Xuegong

(LiaoningprovinceGuanYinGeReservoirManagementBureau,Benxi117100,China)

Flood control evaluation is an important part of the project construction, directly related to the broad masses of the people's lives and property.tThis paper taked the geological disaster relocation project of Cuijiatun Village in Zhuanghe City, Liaoning Province as the research object,and combined with the local meteorological and hydrological data, the Mike11 module is constructed based on small watershed water power (HD) and runoff (NAM) coupling model. Finally, through the simulation calculation, the paper analyzes the influence of the 20 year flood on the project, and put forward the corresponding countermeasures.

Mikell; coupling model; small watershed flood control evaluation

才學工(1960-)，男，遼寧本溪人，工程師，主要從事水利工程經(jīng)濟管理工作。E-mail：cxg1100@163.com。

P331.1

A

2096-0506(2017)01-0036-03