MIKE模型在月亮泡蓄滯洪區(qū)洪水演進中的應(yīng)用

丁 曼，李 航，于得萬

(吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院，吉林 長春 130021)

月亮泡蓄滯洪區(qū)位于嫩江一級支流洮兒河入嫩江河口處，由原月亮泡片、新荒泡片、六號壩片、四號壩以西片4部分組成，總面積802.62km2，設(shè)計洪水位134.57m，最大蓄洪庫容為24.58×108m3。涉及白城市的大安市、鎮(zhèn)賚縣8個鄉(xiāng)、鎮(zhèn)和國家級自然保護區(qū)莫莫格濕地。

月亮泡蓄滯洪區(qū)堤防工程由原月亮泡水庫庫區(qū)的1、2、3號壩、鎮(zhèn)賚段圍堤、大安嫩江段堤防，以及5號壩、6號壩和新荒泡分隔堤共同組成。在2號副壩樁號3+313處建有一座雙向8孔泄洪閘，原名為哈爾金閘現(xiàn)改名為漢書閘，堰頂高程127m，堰寬64m，全開設(shè)計過閘流量為2200m3/s，漢書閘既攔蓄洮兒河洪水進庫，又分蓄嫩江洪水。在月亮泡水庫庫尾洮兒河干流上設(shè)有察爾森站、鎮(zhèn)西站、洮南站、黑帝廟站等水文站，在嫩江干流上設(shè)有江橋站、大賚站等水文站。

月亮泡蓄滯洪區(qū)啟用的基本條件是：松花江下游哈爾濱站預(yù)報發(fā)生洪峰流量超過17900m3/s時，并且洪水水位繼續(xù)上漲時先啟用胖頭泡蓄滯洪區(qū)、而后在啟用月亮泡蓄滯洪區(qū)。月亮泡蓄滯洪區(qū)為運用機率相對比較低的一般蓄滯洪區(qū)。月亮泡蓄滯洪區(qū)和鎮(zhèn)賚淹沒區(qū)的地理位置如圖1所示。

圖1 月亮泡蓄滯洪區(qū)地理位置圖

1 洪水風(fēng)險分析

MIKE 11、21系列洪水模型軟件可用于一維非恒定流洪水與二維非恒定流洪水演進分析模擬。其中采用MIKE 11軟件模擬洮兒河和嫩江的河道洪水，采用MIKE 21軟件模擬月亮泡蓄滯洪區(qū)以及鎮(zhèn)賚淹沒區(qū)洪水，最后利用MIKE FLOOD軟件標準鏈接將MIKE 11和MIKE 21兩者相互耦合，同步求解。

1.1 模型原理

1.1.1 MIKE11一維水動力模型原理

(1)基本方程

連續(xù)性方程：

(1)

動量方程：

(2)

式中，Q—斷面洪水流量，m3/s；A—過水斷面面積，m2；q—源匯的單寬流量，m2/s；x—距離坐標；t—時間坐標；h—水位，m；C—謝才系數(shù)；R—水力半徑，m；g—重力加速度；α—動量校正系數(shù)。

(2)求解方法

MIKE11采用的離散方法是Abbott-Ionescu六點有限差分格式，計算時在網(wǎng)格點按順序交替計算流量和水位，如圖2所示h點和Q點，以其為中心對控制方程進行離散。

圖2 六點Abbott-Ionescu有限差分格式水位點、流量點交替布置圖

1.1.2 MIKE21二維水動力模型原理

該模塊屬于平面二維水流模型，適合模擬具有自由表面的港口、河流、湖泊及海洋等，采用二維非恒定流方程組作為控制方程，包括水流連續(xù)性方程、水流沿x方向及y方向的動量方程。

二維非恒定流方程由水流連續(xù)方程和動量方程組成，具體形式如下：

(3)

(4)

(5)

式中，h—水深，m；Z—水位，m；u、v—分別為x、y方向沿垂線平均的水平流速分量，m/s；g—重力加速度，m/s2；n—糙率；q—源匯項，m/s。

1.2 模擬工況設(shè)置

設(shè)計模擬工況設(shè)置考慮洪水來源、洪水量級、潰堤方式3個主要因素。

1.2.1 洪水來源

月亮泡蓄滯洪區(qū)的洪水來源主要為洮兒河汛期來水和通過漢書閘分蓄嫩江的汛期洪水。

1.2.2 洪水量級

根據(jù)月亮泡蓄滯洪區(qū)具體啟用條件設(shè)定本次洪水量級：選取1998年型哈爾濱控制200年一遇洪水標準。

1.2.3 潰堤方式

根據(jù)《洪水風(fēng)險圖編制細則》，蓄滯洪區(qū)的計算方案應(yīng)設(shè)置主動分洪和被動破堤兩種情況。

在月亮泡蓄滯洪區(qū)啟用調(diào)度規(guī)則基礎(chǔ)上，設(shè)置一被動破堤產(chǎn)生的潰口。潰堤方式依次為：

當月亮泡片和四號壩以西片水位達到133.5m時，5號壩和6號壩通過裹頭同時主動分洪，裹頭寬80m。當達到設(shè)計水位134.57m時，產(chǎn)生被動破堤，即鎮(zhèn)賚段圍堤局部潰決，潰口寬50m。

1.3 數(shù)據(jù)處理及模型設(shè)置

1.3.1 基礎(chǔ)資料

1∶1萬矢量化地形圖、DEM、河網(wǎng)文件、河道的縱橫斷面數(shù)據(jù)以及河上建筑物等均為最新實測資料。

1.3.2 邊界條件設(shè)置

上游邊界條件有2個，分別為洮兒河的洮南站洪水過程線和嫩江的江橋站洪水過程線，下游邊界由嫩江下游的大賚站水位—流量關(guān)系控制。如圖3所示。

圖3 月亮泡蓄滯洪區(qū)測站分布圖

1.3.3 模型參數(shù)設(shè)置

糙率n是模型眾多參數(shù)中至關(guān)重要且最為敏感的參數(shù)，直接影響搭建模型的可靠性以及成果的合理性。經(jīng)過MIKE11模型參數(shù)率定和驗證后，采用糙率如下：

洮兒河Cs89～Cs157主槽糙率選取0.04～0.05，Cs89～Cs1主槽糙率選取0.03～0.04，灘地糙率均采用0.05～0.07。嫩江干流江橋站～大賚站江道主槽糙率0.019，江道灘地糙率0.048。月亮泡蓄滯洪區(qū)及鎮(zhèn)賚淹沒區(qū)的糙率見表1，月亮泡蓄滯洪區(qū)糙率分布如圖4所示。

表1 月亮泡蓄滯洪區(qū)及淹沒區(qū)糙率選取表

圖4 月亮泡蓄滯洪區(qū)糙率分布圖

1.3.4 二維淹沒區(qū)網(wǎng)格劃分

MIKE21模型分三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和矩形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格兩套空間離散系統(tǒng)。無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格具有復(fù)雜區(qū)域適應(yīng)性好、局部加密靈活和便于自適應(yīng)的優(yōu)點，能很好地模擬自然邊界及復(fù)雜的水下地形，提高邊界模擬精度，因此月亮泡蓄滯洪區(qū)和淹沒區(qū)采用無結(jié)構(gòu)三角形對潰堤影響區(qū)域進行剖分，網(wǎng)格總面積1725.5km2，總網(wǎng)格數(shù)84091，最大單元面積為0.03km2，平均單元面積0.02km2，見圖5～7。

圖5 矩形網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格邊界擬合對比圖

圖6 網(wǎng)格劃分mesh圖

圖7 堤防位置處網(wǎng)格加密大小示意圖

1.3.5 主要構(gòu)筑物概化

對于阻礙洪水演進的道路，利用MIKE21中的“dike”將其概化在模型中，該結(jié)構(gòu)物可以設(shè)定沿著圩堤和路基空間變化堤頂高程，當水位沒有漫過堤頂時起擋水作用，當水位超過堤頂高程并發(fā)生漫堤情況時，模型以堰流公式形式計算漫堤流量。

道路的過水涵洞則通過降低涵洞處道路的頂部高程至原地面高程，形成涵洞尺寸大小缺口的辦法概化實現(xiàn)，如圖8所示。

圖8 道路概化示意圖

1.4 模擬結(jié)果

當洮兒河洪水進入月亮泡片時，隨著水位的不斷升高，月亮泡庫區(qū)洪水從四號壩流入四號壩片區(qū)。MIKE11和MIKE21耦合模型初期計算水位為131m(汛限水位)，漢書閘處于關(guān)閉狀態(tài)，攔蓄洮兒河洪水。當洮兒河洪水繼續(xù)涌進月亮泡片時，由于漢書閘閘前水位高于閘后水位，為了保護蓄滯洪區(qū)安全，打開漢書閘，泄洪至嫩江。當水位已達到133.5m時，5號壩和6號壩開始分洪，洪水向新荒泡片和六號壩片分流，導(dǎo)致月亮泡片水位降低。由于新荒泡片和6號壩片區(qū)容量有限，加上洮兒河洪水繼續(xù)涌入，月亮泡蓄滯洪區(qū)水位不斷上升。當水位到達134.57m時，鎮(zhèn)賚段圍堤產(chǎn)生局部潰決，水流由月亮泡蓄滯洪區(qū)流向鎮(zhèn)賚淹沒區(qū)，蓄滯洪區(qū)水位逐步下降，當淹沒區(qū)的水位高于蓄滯洪區(qū)時，鎮(zhèn)賚淹沒區(qū)的水體流回月亮泡蓄滯洪區(qū)。不同時段洪水演進過程如圖9所示。

圖9 不同時段洪水演進過程

2 結(jié)語

本論文以吉林省月亮泡蓄滯洪區(qū)和鎮(zhèn)賚洪水淹沒區(qū)為例，采用MIKE11模型和MIKE21模型建立一二維水動力模型進行數(shù)據(jù)模擬處理、模型設(shè)置洪水演進等，并對哈爾濱控制200年一遇洪水進行洪水演進模擬，很好的演示洪水在時間和空間上的變化過程，通過模型計算演進結(jié)果可以提供淹沒水深圖、淹沒歷時圖、洪水流速圖、淹沒范圍圖等水情指標值，同時也進一步驗證說明利用MIKE11模型和MIKE21模型在蓄滯洪區(qū)洪水風(fēng)險圖制作上，此方法簡單、便捷成果更趨于合理，為各級人民政府防汛調(diào)度指揮部門對人員財產(chǎn)的避險轉(zhuǎn)移，災(zāi)后損失評估等提供重要的數(shù)據(jù)，也為同類工程的風(fēng)險圖的制作提供一定的指導(dǎo)作用。