基于MIKE11模型的鹽城堤?hào)|地區(qū)防洪除澇體系研究

(鹽城市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，江蘇 鹽城 224001)

基于MIKE11模型的鹽城堤?hào)|地區(qū)防洪除澇體系研究

楊桂書(shū)周進(jìn)華王超磊

(鹽城市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，江蘇 鹽城 224001)

平原河網(wǎng)地區(qū)水動(dòng)力學(xué)條件復(fù)雜，治理難度較大。基于MIKEll軟件建立鹽城堤?hào)|地區(qū)河網(wǎng)模型，對(duì)模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證，利用該模型對(duì)現(xiàn)狀排澇能力進(jìn)行評(píng)估，并通過(guò)河道整治、擋潮閘下移等相關(guān)工程安排，較好模擬出鹽城市堤?hào)|地區(qū)規(guī)劃防洪排澇情況，為相關(guān)工程安排、規(guī)劃、管理和決策提供依據(jù)。

MIKE11；沿海平原河網(wǎng)；防洪排澇；水動(dòng)力模型

1 前 言

鹽城堤?hào)|地區(qū)屬典型的沿海平原河網(wǎng)地區(qū)，由于受海潮、徑流交互影響，河道水位流量往復(fù)變化，水動(dòng)力學(xué)條件較為復(fù)雜。隨著沿海開(kāi)發(fā)的推進(jìn)，對(duì)地區(qū)防洪排澇能力要求大幅提高。

MIKE11是目前世界上應(yīng)用較為廣泛的商業(yè)軟件，具有計(jì)算穩(wěn)定、精度高、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，能方便靈活地模擬復(fù)雜河網(wǎng)水流、閘門(mén)、水泵等各類(lèi)水工建筑物，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。本文基于MIKE11軟件建立鹽城堤?hào)|地區(qū)水動(dòng)力學(xué)河網(wǎng)模型，對(duì)模型進(jìn)行率定、驗(yàn)證，模擬鹽城堤?hào)|地區(qū)規(guī)劃防洪排澇情況，為相關(guān)工程安排、規(guī)劃、管理和決策提供依據(jù)。

2 堤?hào)|地區(qū)概況

鹽城市堤?hào)|地區(qū)位于一線(xiàn)海堤以西、海安縣境以北、通榆河以東、東臺(tái)大豐交界以南，區(qū)域面積約1655km2，以東臺(tái)河為界，東臺(tái)河以南面積1259km2，經(jīng)區(qū)內(nèi)的東臺(tái)河、三倉(cāng)河、梁垛河、方塘河外排入海，為獨(dú)立排區(qū)；東臺(tái)河以北396km2澇水區(qū)域?qū)倮锵潞拥貐^(qū)。

東臺(tái)河以南地區(qū)地勢(shì)東高西低、南高北低、中間低洼，自然形成東、中、西三片，高程在▽3.00～5.50m。地區(qū)土質(zhì)以砂土、砂壤土為主。東臺(tái)河以南堤?hào)|地區(qū)南北向匯水河道眾多，河網(wǎng)現(xiàn)已基本形成。排澇通過(guò)南北向河道調(diào)度，再通過(guò)東西向東臺(tái)河、三倉(cāng)河、梁垛河、方塘河等四條河道自排入海。

3 模型建立

3.1 模型基本原理

MIKE11水動(dòng)力模型是基于垂向積分的物質(zhì)和動(dòng)量守恒方程，即一維非恒定流圣維南方程組來(lái)模擬河流、河口的水流狀態(tài)。方程組采用Abbott六點(diǎn)隱式有限差分格式離散，結(jié)合邊界條件，用追趕法求解線(xiàn)性方程組，獲得河網(wǎng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的水位或流量過(guò)程。圣維南方程組求解公式如下：

式中h——水位；Q——斷面流量；q——單位長(zhǎng)度上的側(cè)向入流；BT——河面總寬度；u——斷面平均流速；C——謝才系數(shù)；R——水力半徑；Vx——側(cè)向入流在X向的分量。

3.2 模型構(gòu)建

鹽城市堤?hào)|墾區(qū)模型為海堤內(nèi)區(qū)域，范圍包括通榆河以東、東臺(tái)河以南、一線(xiàn)海堤以?xún)?nèi)、海安界以北區(qū)域，面積約1259km2。為便于計(jì)算，模型將區(qū)域河道進(jìn)行概化，將對(duì)水動(dòng)力計(jì)算影響不大的小河道簡(jiǎn)化處理，具體做法將區(qū)域內(nèi)主要河道采用實(shí)測(cè)斷面數(shù)據(jù)，一般小河道根據(jù)水量平衡原理，概化合并到相鄰的骨干河網(wǎng)上進(jìn)行計(jì)算。

整個(gè)河網(wǎng)計(jì)算河道長(zhǎng)度約784km，計(jì)算斷面1960個(gè)，斷面平均間距400m，湖泊、水塘等在模型的河道斷面中實(shí)現(xiàn)。模型中涉及的擋潮閘按照控制建筑物處理，計(jì)算時(shí)設(shè)定底檻高程、閘孔規(guī)模等參數(shù)，當(dāng)閘下水位低于閘上水位時(shí)開(kāi)閘，否則關(guān)閘。

河網(wǎng)模型示意圖如圖1所示。

圖1 河網(wǎng)模型示意圖

3.3 模型率定與驗(yàn)證

模型驗(yàn)證資料采用堤?hào)|地區(qū)2007年汛期6月26日—7月12日資料，資料分為兩個(gè)時(shí)間段，6月26日—7月7日通榆河沿線(xiàn)泵站未開(kāi)機(jī)，堤?hào)|地區(qū)澇水自排入海；7月8—12日通榆河沿線(xiàn)泵站開(kāi)啟，代排里下河地區(qū)澇水。

3.3.1 邊界及參數(shù)條件

降雨：采用堤?hào)|東臺(tái)河閘、東臺(tái)、三倉(cāng)河閘、安豐、丁堡河閘、紅衛(wèi)船閘、沈灶7個(gè)雨量站降雨資料。

流量：東臺(tái)抽水站、安豐抽水站、富安抽水站3站6月26日至7月7日關(guān)閉為墾區(qū)自排期；7月8—12日通榆河沿線(xiàn)泵站開(kāi)啟，代排里下河地區(qū)澇水。

川水港閘、方塘河、梁垛河閘擋潮閘2007年6月26日—7月12日入海平均流量資料。

潮位：沿海閘下潮位資料。

3.3.2 驗(yàn)證結(jié)果

由于東臺(tái)堤?hào)|地區(qū)水位站點(diǎn)分布于通榆河及沿海一線(xiàn)，內(nèi)部無(wú)水文站點(diǎn)，故選用區(qū)內(nèi)首西部通榆河一線(xiàn)的富安抽水站、安豐抽水站、東臺(tái)抽水站和東部擋潮閘方塘河閘上、梁垛河閘上、川水港閘上2007年6月26日—7月12日水位進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)驗(yàn)證，水位過(guò)程線(xiàn)基本吻合，各站最高水位相對(duì)誤差在0.78%～4.12%，故所建立的計(jì)算模型符合流域洪水演進(jìn)的特性，該模型可用于鹽城市東臺(tái)地區(qū)的防洪排澇各方案洪水演進(jìn)計(jì)算。各站洪水水位驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表1，各站水位驗(yàn)證結(jié)果如圖2～圖7所示。

表1 各站洪水水位驗(yàn)證結(jié)果

圖2 富安抽水站水位驗(yàn)證結(jié)果

圖3 方塘河閘上水位驗(yàn)證結(jié)果

圖4 安豐抽水站水位驗(yàn)證結(jié)果

圖5 梁垛河閘上水位驗(yàn)證結(jié)果

圖6 東臺(tái)抽水站水位驗(yàn)證結(jié)果

圖7 川水港閘(東臺(tái)河閘)上水位驗(yàn)證結(jié)果

4 堤?hào)|地區(qū)排澇現(xiàn)狀計(jì)算

4.1 邊界及相關(guān)參數(shù)

堤?hào)|地區(qū)5年一遇設(shè)計(jì)降雨為177mm，10年一遇設(shè)計(jì)降雨為207mm。

沿海5座擋潮閘，從北到南分別為川水港閘、梁垛河閘、梁垛河南閘、三倉(cāng)河閘、方塘河新閘，均采用?？谠O(shè)計(jì)潮型。

東臺(tái)河、三倉(cāng)河采用已實(shí)施規(guī)劃斷面，其余為現(xiàn)狀斷面。

墾區(qū)內(nèi)最高水位控制通榆河一線(xiàn)不高于3.5m。

模型初始水位根據(jù)擋潮閘運(yùn)行調(diào)度規(guī)則及航道通航要求，初始水位為2.20m。

4.2 現(xiàn)狀5年一遇排澇能力復(fù)核

現(xiàn)狀工況(東臺(tái)河下段及三倉(cāng)河全線(xiàn)已整治)遭遇5年一遇暴雨時(shí)，堤?hào)|墾區(qū)內(nèi)主要排澇河道的最高水位均低于3.5m，最高水位出現(xiàn)在梁垛河為3.50m，方塘河地區(qū)最高水位為3.42m，堤?hào)|現(xiàn)狀排澇能力達(dá)5年一遇標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 現(xiàn)狀10年一遇排澇能力復(fù)核

現(xiàn)狀工況10年一遇暴雨情況下，堤?hào)|墾區(qū)內(nèi)最高水位位于通榆河一線(xiàn)，最高水位北部梁垛河3.93m、南部方塘河3.80m，均遠(yuǎn)大于3.50m控制水位。

堤?hào)|地區(qū)現(xiàn)狀排澇情況分析(10年一遇)見(jiàn)表2。

堤?hào)|墾區(qū)現(xiàn)狀10年一遇最高水位分布如圖8所示。

表2 堤?hào)|地區(qū)現(xiàn)狀排澇情況分析成果(10年一遇)

圖8 堤?hào)|墾區(qū)現(xiàn)狀10年一遇最高水位分布

4.4 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表2計(jì)算成果顯示，東臺(tái)河、三倉(cāng)河經(jīng)過(guò)整治效果明顯，河道一線(xiàn)水位明顯降低，其中三倉(cāng)河全線(xiàn)整治后達(dá)到10年一遇排澇的規(guī)劃目標(biāo)，東臺(tái)河需繼續(xù)實(shí)施上段工程整治任務(wù)，其余梁垛河、安弶河、方塘河3條骨干河道水位較高，相關(guān)整治規(guī)劃應(yīng)重點(diǎn)安排對(duì)其進(jìn)行整治，同時(shí)結(jié)合沿海供水要求確定其河道整治規(guī)模。

5 結(jié) 語(yǔ)

鹽城市堤?hào)|地區(qū)河網(wǎng)縱橫交錯(cuò)，排澇受沿海潮位影響較大，本文以MIKE11模型為基礎(chǔ)，建立了鹽城市堤?hào)|地區(qū)的排澇水動(dòng)力模型，并利用實(shí)測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行率定驗(yàn)證，結(jié)果表明建立的模型合理可靠。同時(shí)復(fù)核現(xiàn)狀排澇能力，表明上輪河道實(shí)施的三倉(cāng)河、東臺(tái)河整治效果顯著，今后應(yīng)重視剩余的3條骨干河道的治理，同時(shí)重視中部南北向潘堡河及閘上新港干河一線(xiàn)河道的治理。鹽城堤?hào)|地區(qū)水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型可以為堤?hào)|地區(qū)相關(guān)規(guī)劃、工程安排、管理調(diào)度及防災(zāi)減災(zāi)等提供可靠的指導(dǎo)和參考意見(jiàn)。

[1] 王領(lǐng)元. 丹麥MIKE11水動(dòng)力模塊在河網(wǎng)模擬計(jì)算中的應(yīng)用研究[J]. 中國(guó)水運(yùn)，2007，7(2)：106-107.

[2] 田志軍，張煜，陳霞，等. 基于MIKE11的南通地區(qū)排澇模型構(gòu)建與應(yīng)用[J].工程技術(shù)，2017(2)：281-282.

[3] 周利，花加鳳，楊桂書(shū). 鹽城市王港新閘閘孔設(shè)計(jì)[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2014(10)：69-70.

ResearchonfloodcontrolandwaterloggingsystemofYanchengDidongregionbasedonMIKE11model

YANG Guishu, ZHOU Jinhua, WANG Chaolei

(YanchengWaterConservancySurveyandDesignInstitute,Yancheng224001,China)

The hydrodynamic conditions of the plain river network are complex with larger government difficulty. Yancheng Didong regional river network model is established on the basis of MIKEll software. The model is calibrated and verified. The model is utilized for evaluating current drainage capability. The plan and flood control drainage condition in Yancheng Didong region is better stimulated through river channel improvement, tidal brake downward movement and other related engineering arrangement.

MIKE11; coastal plain river network; flood control and drainage; hydrodynamic model

TV212.2

：A

：1005-4774(2017)09-0028-05

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.09.008