MIKE21模型在老哈河鐵路橋防洪影響評價中的應(yīng)用

王光磊，付 鵬，黨 磊

（松遼水利委員會水文局（信息中心），吉林 長春 130021）

天然河流中，不同的河流、河段及在時間分布上的水沙變化規(guī)律十分復(fù)雜。建設(shè)項目在河道管理范圍內(nèi)的運行會改變水流形態(tài)和局部沖淤平衡，對河勢穩(wěn)定、水利日常管理、防汛搶險乃至第三方的合法水事權(quán)益均有較大影響，個別項目甚至影響到河流穩(wěn)定。因此，進行河道管理范圍內(nèi)的建設(shè)項目防洪評價是非常必要和重要。

1 概況

1.1 河流概況

老哈河為遼河的源頭，干流全長426 km，流域面積27 411 km2，一級支流共12條，大部分從左側(cè)匯入，形成不對稱的扇狀水系。左岸較大支流有黑里河、八里罕河、坤兌河、英金河、羊腸子河等，右岸較大支流有海棠河、黑水河、燒鍋營子河和崩河等。新建的老哈河鐵路橋上游有黑里河和八里罕河匯入。

1.2 工程概況

新建赤峰至京沈高鐵喀左站鐵路位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東部和遼寧省西部地區(qū)，沿線經(jīng)過內(nèi)蒙古赤峰市寧城縣、喀喇沁旗、元寶山區(qū)、紅山區(qū)、松山區(qū)、遼寧省喀左縣、建平縣7個縣級及以上行政區(qū)。線路自京沈高鐵喀左站引出，經(jīng)建平、寧城、平莊引入赤峰站，終至赤峰西站，正線線路長157.38 km。

擬進行防洪評價的跨河工程為赤峰至京沈高鐵跨越寧城老哈河新建鐵路橋工程（以下簡稱老哈河鐵路橋）。橋址位于內(nèi)蒙古赤峰市寧城縣四家村南側(cè)，老哈河干流中游，橋址控制流域面積3 000 km2。老哈河鐵路橋跨河斷面河道寬約500 m，評價河段（自二龍橋至橋址上游1 350 m）范圍內(nèi)的河道較不規(guī)整，洪水發(fā)生時水流結(jié)構(gòu)復(fù)雜。老哈河特大橋所在河道布置多座橋梁，為寧城至赤峰的必經(jīng)河段，評價河段范圍內(nèi)自上而下分別有：擬建葉赤線改建工程跨老哈河大橋、既有葉赤線鐵路跨老哈河大橋、二龍橋，各橋間距較小。老哈河鐵路橋下游約60 m有1處供水井，上游約200 m有礦山尾礦庫。另外，老哈河鐵路橋下布置有內(nèi)蒙古寧城縣汐子鎮(zhèn)抗旱應(yīng)急水源工程的輸水管道。

2 模型及控制方程

2.1 模型簡介

二維數(shù)學模型采用MIKE21進行水流模擬。MIKE21是一個專業(yè)的工程軟件包，由丹麥水力學研究所開發(fā)，廣泛用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環(huán)境。MIKE21為工程應(yīng)用、海岸管理及規(guī)劃提供了較為有效的設(shè)計環(huán)境，經(jīng)國內(nèi)外諸多工程項目實際應(yīng)用，證明其精度較高，守恒性較好。

2.2 控制方程

模型基于三向不可壓縮和Reynolds值均分布的Navier-Stokes方程，并服從于Boussinesq假定和靜水壓力的假定。計算區(qū)域的空間離散采用有限體積法，將連續(xù)統(tǒng)一體細分為不重疊的單元，單元可以是任意形狀的多邊形。二維非恒定淺水方程組為：

式中：ζ——水位，m；p——x方向的能量，m3/s；q—— y方向的通量，m3/s；t——時間，s；x，y——笛卡爾坐標系坐標，無量綱。

（2）（3）式中：ζ——水位，m；p—— x方向的能量，m3/s；q—— y方向的通量，m3/s；t-時間，s；x，y——笛卡爾坐標系坐標，無量綱；g——重力加速度,m/s2；h——靜止水深，m；u，v——流速在，x，y方向上的分量，m/s；ρ——水密度，g/cm3；Ω——哥氏力系數(shù)，且Ω=2ωsinψ，無量綱；S ——源項，kg/m3·s；Six，Siy——源項在 x，y方向的分量,kg/m3·s；τxx，τxy，τyy——各方向上的粘滯應(yīng)力項，Pa。

3 防洪影響模擬計算

3.1 設(shè)計洪水

在《內(nèi)蒙古遼河流域老哈河治理工程可行性研究報告》中，對位于老哈河干流上游的4個水文站，包括甸子、太平莊、興隆坡、烏敦套海站，進行了單站天然設(shè)計洪峰流量分析計算。將系列延長至2010年，經(jīng)復(fù)核計算，與原設(shè)計成果相比差別不大，說明老哈河流域洪水成果相對穩(wěn)定，故推薦采用原設(shè)計成果。依據(jù)此4個水文站10年、20年、100年一遇的設(shè)計洪峰流量點繪地區(qū)綜合線，根據(jù)地區(qū)綜合線推算老哈河鐵路橋址處設(shè)計洪水。設(shè)計參證站及老哈河橋址設(shè)計洪水成果，見表1。

表1 參證站及老哈河鐵路橋址設(shè)計洪峰流量成果表m3/s

3.2 地形資料及網(wǎng)格劃分

對老哈河鐵路橋所在河段上下游約2 km范圍的地形進行實地勘察測量，測量采用RIEGL三維激光掃描儀，結(jié)合1∶10 000地形圖處理后得計算區(qū)域地形圖。二維數(shù)學模型的計算區(qū)域為老哈河中游寧城河段，由老哈河鐵路橋下游約1 000 m至上游約1 350 m，全長約2 350 m，寬度800～1 200 m。計算區(qū)域網(wǎng)格劃分采用三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格在各橋梁橋墩位置進行了局部加密，三角形邊長2～5 m，其他位置網(wǎng)格邊長約10～30 m，總節(jié)點數(shù)21 609，總網(wǎng)格數(shù)42 303。在計算時計算區(qū)域的上下游邊界保持不變，兩側(cè)邊界則根據(jù)計算單元干濕情況自動調(diào)整。

3.3 邊界條件處理

模型計算中，上游給定流量、下游給定水位以確定模型計算的邊界條件。老哈河鐵路橋所在河段兩岸規(guī)劃堤防設(shè)計防洪標準為20年一遇，橋梁自身的設(shè)計洪水標準為100年一遇。因此，分別對20年一遇、100年一遇設(shè)計洪水進行二維數(shù)學計算，所對應(yīng)流量分別為1 970 m3/s和4 410 m3/s。

3.4 模擬計算

1）對水位影響的模擬計算

對糙率等參數(shù)率定后，進行模擬計算。經(jīng)計算，老哈河鐵路橋橋墩壅水最大處為橋墩上游2 m左右，橋墩下游水位略有減小。在最不利工況（4橋共存）條件下，橋梁壅高最大。老哈河鐵路橋在20年一遇洪水時局部水位壅高0.07 m，100年一遇洪水時局部壅高0.11 m。老哈河鐵路橋在20年一遇設(shè)計洪水時，橋墩沿線水深在0.19～4.32 m之間；100年一遇洪水時橋墩沿線水深在0.25～5.68 m之間；100年一遇洪水時橋墩位置最高水位為540.78 m，與梁底最低高程543.83 m相差3.05 m，大于規(guī)范要求的最小凈空高度0.50 m。

2）對流場影響的模擬計算

由于橋墩尺寸與河面寬度相比，橋墩尺寸相對較小，因此橋墩對該河段流場的影響較小。20年一遇洪水時，除個別橋墩處流速減小超0.2 m/s外，其余位置流速變化均較小，斷面平均流速變化在0.015 m/s以內(nèi)；100年一遇洪水時，流速變化也不大，只有個別橋墩處流速減小超0.3 m/s外，斷面平均流速變化在0.065 m/s以內(nèi)。

3.5 計算結(jié)果

根據(jù)模擬計算結(jié)果，老哈河鐵路橋修建后壅水高度較小，橋下凈空滿足規(guī)范要求，對河道行洪安全影響較小。建橋后的流場與建橋前相比整個河段等流線分布變化不大，除橋址附近等流線分布略有變化外，其余河段等流線分布同建橋前基本相同。

4 結(jié)語

經(jīng)多方法驗證，此次模擬計算的成果合理，MIKE21模型模擬河道水流效果良好，能夠為工程的防洪安全提供了保障。在建設(shè)項目防洪影響評價工作中，MIKE21模型模擬河道水流已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，取得良好效果。特別需要指出的是，在MIKE21模型模擬計算過程中，糙率的選擇對計算結(jié)果的影響很大。因此，在實踐中應(yīng)做好對糙率等參數(shù)的率定，以保證模型的正確運行。