MIKE11在大凌河河道潰堤洪水模擬中的應(yīng)用

(朝陽(yáng)市閻王鼻子水庫(kù)工程建設(shè)管理局，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

大凌河流域全長(zhǎng)397km，主要流經(jīng)河北、遼寧和內(nèi)蒙古等區(qū)域，流域面積2.35萬(wàn)km2，年降雨量為450～600mm；流域內(nèi)地勢(shì)由南至北逐漸降低，河道交錯(cuò)復(fù)雜，降雨量在時(shí)空分布上極不均勻，尤其是汛期暴雨頻繁，較大洪水發(fā)生頻率為7～8年一次，一般洪水發(fā)生頻率為2～3年一次。流域內(nèi)水系眾多，縱橫交錯(cuò)，暴雨頻發(fā)且降雨時(shí)間較長(zhǎng)，潰堤洪水不僅給河流的防洪排澇造成巨大壓力，而且對(duì)保護(hù)區(qū)域構(gòu)成極大的洪水風(fēng)險(xiǎn)[1]。流域內(nèi)的萬(wàn)元店河、宋杖子河、白塔子河、牤牛河、涼水河、老虎山河、細(xì)河、清河等同樣對(duì)保護(hù)區(qū)域構(gòu)成了極大的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。流域上下游水位及干支流狀況對(duì)河道的影響顯著，河道內(nèi)水位流量變化關(guān)系復(fù)雜，對(duì)河道潰堤洪水演算采用傳統(tǒng)的水文學(xué)法已無(wú)法滿足相關(guān)要求，而利用圣維南方程組可對(duì)任意時(shí)刻任意河道內(nèi)的水位、流速和流量等因素進(jìn)行計(jì)算分析[2]。據(jù)此，本文通過構(gòu)建MIKE11模型對(duì)大凌河防洪保護(hù)區(qū)的河道潰堤洪水過程進(jìn)行模擬分析，對(duì)模型模擬結(jié)果的合理性和可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，以期為該區(qū)域洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制和制定防洪減災(zāi)措施提供一定的決策依據(jù)和理論支持。

1 MIKE11水力學(xué)模型

1.1 基本原理

河道水流為均質(zhì)流態(tài)、不可壓縮的基本假定，是構(gòu)建MIKE11水動(dòng)力學(xué)模型的前提條件，其基本理論是在假定水流處于一維流態(tài)且河道縱向斷面變化幅度和坡降較低并服從靜水壓力分布的基礎(chǔ)上，利用一維明渠非恒定流微分方程即圣維南方程組進(jìn)行模擬分析[3]。圣維南方程組如下：

(1)

(2)

上二式中A、Q——斷面面積和流量；

q——單位河長(zhǎng)上的支流流量；

x、t——距離和時(shí)間；

Z、C、R——水位、泄洪系數(shù)和水力半徑；

α——?jiǎng)恿啃Ｕ禂?shù)。

1.2 構(gòu)建模型

MIKE11水力學(xué)模型主要通過河網(wǎng)文件、斷面文件、設(shè)定邊界條件并形成邊界文件、利用水文計(jì)算結(jié)果形成時(shí)間序列文件、設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)形成模擬文件，實(shí)現(xiàn)一維河道及潰口的概化演算。研究所需的地形地貌結(jié)構(gòu)參數(shù)通過對(duì)分辨率為50m×50m的數(shù)字高程圖(DEM)進(jìn)行處理獲得，同時(shí)為了更好地對(duì)河道建筑物進(jìn)行數(shù)據(jù)化處理和動(dòng)態(tài)計(jì)算控制，模型利用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分。河道潰堤過程可采用MIKE11模型的潰堤模塊進(jìn)行模擬分析，并分別對(duì)潰堤時(shí)機(jī)、潰口位置以及尺寸進(jìn)行設(shè)置[4]。模型的上游以河流的流量為邊界，且以上游斷面在設(shè)定年限內(nèi)的洪水過程為輸入?yún)?shù)，下游以利用曼寧公式推算出的水位作為邊界，同時(shí)考慮各斷面的頻率峰值，公式如下：

(3)

式中Q、C——分洪流量和堰流系數(shù)；

b、k——寬度和堰流指數(shù)；

Hus、Hds——堰上游水位和堰下游水位；

Hw——堰頂高程。

結(jié)合研究區(qū)域河道實(shí)際情況，并借鑒文獻(xiàn)和有關(guān)研究成果，河道左灘地、主河道和右灘地的曼寧系數(shù)n分別取0.02，0.036和0.05；引入收縮系數(shù)和擴(kuò)張系數(shù)分別表征因河道收縮和擴(kuò)張所引起的能量損失，結(jié)合河道徑流以及河岸建筑物特征，設(shè)定河道的擴(kuò)張系數(shù)和收縮系數(shù)分別為0.2和0.1；邊界條件是進(jìn)行河道模擬計(jì)算的必要條件，上游1河段的坡降比為0.0006，河道的臨界水深分別為3和4河段的邊界條件；以混合流態(tài)作為研究區(qū)域的河流流態(tài)[5]。

根據(jù)模型自由端和河段流入、流出特征可將其邊界條件劃分為內(nèi)部和外部邊界條件，其中內(nèi)部邊界條件主要有灌溉取水、降雨徑流輸入和工程排污等，應(yīng)根據(jù)河道的實(shí)際狀況進(jìn)行設(shè)定；外部邊界條件是指徑流必須從模型外部流入并在模型自由端流出即流出模型區(qū)域[6]。引入流量Q作為上游和旁側(cè)入流的邊界條件，引入水位流量關(guān)系Q-h或水位h作為下游邊界條件。結(jié)合水位流量與洪水過程關(guān)系曲線，選取等時(shí)間距作為洪水設(shè)計(jì)時(shí)間序列，并以等時(shí)間間隔作為時(shí)間軸類型，選取過程線長(zhǎng)度作為時(shí)間步數(shù)類型，并在此基礎(chǔ)上生成時(shí)間序列文件。

本文中選取模擬開始時(shí)刻的實(shí)測(cè)水位值作為水位初始值，選取趨近于0的流量值作為模型的初始流量。采用水動(dòng)力學(xué)模型并選取非恒定流，利用文件編輯器可將所生成的各類邊界文件和HD參數(shù)文件進(jìn)行有效鏈接，然后經(jīng)反復(fù)調(diào)整和修正確定河床地形、時(shí)間步長(zhǎng)與邊界條件之間的相互作用關(guān)系，對(duì)河道潰堤洪水演變過程進(jìn)行模擬分析[7]。

2 大凌河朝陽(yáng)區(qū)段防洪保護(hù)區(qū)模擬研究

2.1 構(gòu)建MIKE11模型

選取大凌河朝陽(yáng)段防洪保護(hù)區(qū)燕陽(yáng)山南路凌河大橋處河道潰口為研究對(duì)象，利用MIKE11模型對(duì)其進(jìn)行潰堤洪水時(shí)間序列計(jì)算分析。大凌河朝陽(yáng)段河道計(jì)算范圍長(zhǎng)136.50km，潰口選取歷史潰口處，堤頂高程和堤外側(cè)地面高程分別為50.50m和50.00m，瞬潰為潰口的發(fā)生類型，其保證水位為45.60m。根據(jù)實(shí)地勘探數(shù)據(jù)和朝陽(yáng)段河道近期規(guī)劃治理相關(guān)數(shù)據(jù)提取斷面相關(guān)數(shù)據(jù)，以400m作為河道平均斷面間距，并將彎曲處的間距加密為200～350m。利用1∶10000精度的地形圖和上述數(shù)據(jù)資料建立模型分析的斷面和河網(wǎng)文件。選取大凌河朝陽(yáng)段上游水文站的設(shè)計(jì)洪水過程作為上游邊界條件，結(jié)合較大支流邊界條件可匯流面積實(shí)際狀況可將其劃分為5個(gè)區(qū)間入流點(diǎn)，并以下游水文站的水位流量關(guān)系作為下游邊界條件。利用邊界條件可構(gòu)建大凌河朝陽(yáng)段時(shí)間序列文件和邊界條件[8]。

在充分考慮了研究流域的基本特征和當(dāng)?shù)毓こ淘O(shè)計(jì)報(bào)告的基礎(chǔ)上，結(jié)合有關(guān)學(xué)者對(duì)小流域糙率的取值情況，本研究取主河道的糙率為0.028～0.032，灘地及耕田的糙率為0.043～0.056，植被林地糙率為0.07～0.09，村莊糙率為0.10～1.12，文中所選糙率均滿足河道潰口的水力性能要求，將該結(jié)果直接輸入MIKE11模型中。初始水位和流量值分別為26.5m和0，并以此構(gòu)建朝陽(yáng)段河道參數(shù)文件[9]。為了提高模型的模擬精度，本文選取5s作為時(shí)間步長(zhǎng)，最終建立模擬文件。利用MIKE11模型對(duì)大凌河朝陽(yáng)段河道潰口流量過程進(jìn)行模擬分析(見表1和圖1)。

表1 大凌河朝陽(yáng)段河道潰口出流時(shí)間序列 單位：m3/s

續(xù)表

圖1 大凌河朝陽(yáng)段潰口流量過程線

2.2 模擬結(jié)果

本研究選取2010年的實(shí)測(cè)洪水過程對(duì)模型的河道糙率取值合理性進(jìn)行驗(yàn)證，并以上游和下游水文站作為MIKE11模型的上、下邊界條件，對(duì)朝陽(yáng)水文站的水位過程進(jìn)行模擬推算，并將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)水位進(jìn)行對(duì)比分析(見表2、圖2)。

表2 大凌河朝陽(yáng)段河道主槽、灘地糙率驗(yàn)證結(jié)果

續(xù)表

圖2 大凌河朝陽(yáng)水文站驗(yàn)證過程

結(jié)合洪水風(fēng)險(xiǎn)編制技術(shù)細(xì)則和風(fēng)險(xiǎn)圖編制準(zhǔn)則對(duì)模型的模擬精度相關(guān)要求，河道洪水沿程洪痕、監(jiān)測(cè)站和洪水計(jì)算水位與實(shí)測(cè)值的絕對(duì)誤差最大不超過20cm。由表2和圖2可知，河道洪水實(shí)測(cè)值與模擬值保持較高的一致性，在驗(yàn)證的20天洪水過程中僅有個(gè)別點(diǎn)的誤差相對(duì)較大，其他各點(diǎn)的誤差均滿足相關(guān)要求，表明所選取的糙率值滿足模型的模擬精度要求[10]。

2.3 參數(shù)驗(yàn)證及結(jié)果分析

大凌河朝陽(yáng)段河道潰口洪水流量比較結(jié)果見表3。從中可知潰堤洪水占斷面總洪量的比例隨潰堤頻率的增加而增大，此規(guī)律與潰堤受大洪水影響較大的實(shí)際狀況相吻合。

表3 大凌河朝陽(yáng)段河道潰口洪水流量對(duì)比 單位：億m3

利用MIKE11模擬分析結(jié)果對(duì)潰口上斷面、潰口出流和潰口下斷面流量進(jìn)行提取，并對(duì)模擬結(jié)果的合理性進(jìn)行驗(yàn)證，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。從中可知潰口上斷面河道總洪量在不考慮滲漏、蒸發(fā)等損失的條件下，其值與潰口下斷面和潰口流入保護(hù)區(qū)內(nèi)的流量之和保持一致，根據(jù)水量平衡基本理論，該模型模擬結(jié)果較為合理、可靠。

表4 大凌河朝陽(yáng)段河道潰口水量平衡統(tǒng)計(jì) 單位：億m3

綜上所述，結(jié)合模型參數(shù)驗(yàn)證結(jié)果、潰口出流合理性以及水量平衡分析結(jié)果，大凌河朝陽(yáng)段河道潰口洪水模擬結(jié)果較為合理，所構(gòu)建的MIKE11模型能夠較好地對(duì)潰口洪水過程進(jìn)行模擬分析，可作為防洪保護(hù)區(qū)二維洪水演算的邊界條件。

3 結(jié) 論

本文以遼寧省大凌河朝陽(yáng)段河道潰口演算為研究對(duì)象，利用MIKE11模型進(jìn)行模擬分析，得出的主要結(jié)論如下：河道洪水實(shí)測(cè)值與模擬值保持較高的一致性，在驗(yàn)證的20天洪水過程中僅有個(gè)別點(diǎn)的誤差相對(duì)較大，其他各點(diǎn)的誤差均滿足相關(guān)要求，本文所選取的糙率值滿足模型的模擬精度要求；潰口上斷面河道總洪量在不考慮滲漏、蒸發(fā)等損失的條件下，其值與潰口下斷面和潰口流入保護(hù)區(qū)內(nèi)的流量之和保持一致，根據(jù)水量平衡基本理論，該模型模擬結(jié)果較為合理、可靠。

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