基于MIKE21模型的盛莊洼蓄滯洪區(qū)洪水淹沒分析

(河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250)

MIKE21為MIKE系列軟件之一，屬于平面二維表面流模型。黃萍等[1]采用MIKE21模型模擬圩堤潰決后南新聯圩防洪保護區(qū)內洪水演進過程；郭鳳清等[2]采用MIKE21FM方法對港江蓄洪區(qū)的洪水演進進行數值模擬；陳曉更等[3]采用MIKE一、二維耦合方法對月亮泡蓄滯洪區(qū)洪水演進進行數值模擬。根據盛莊洼蓄滯洪區(qū)及周邊河道、堤防情況，蓄滯洪區(qū)啟用和運用標準、洪水調度方案以及洪水分析方法，考慮現狀與規(guī)劃兩種工況，20年一遇、50年一遇兩種洪水設計，結合鴉豐公路天津市防浪墻是否存在幾種條件，采用MIKE21模型計算分析蓄滯洪區(qū)內洪水淹沒情況。

1 蓄滯洪區(qū)概況

盛莊洼蓄滯洪區(qū)位于河北省玉田縣和天津市寧河縣的交界處，屬海河流域北三河系。東南臨還鄉(xiāng)河故道，西依薊運河和雙城河左堤，北至九丈窩防洪堤。蓄滯洪區(qū)地理位置見圖1。

圖1 盛莊洼蓄滯洪區(qū)地理位置示意圖

蓄滯洪區(qū)面積12.15km2，南北長7.50km，東西寬3.30km。滯洪區(qū)圍堤(河北境內)13.35km，分洪控制工程為九丈窩分洪閘，設計流量244m3/s，設計分洪水位4.84m，退水工程主要有退水涵閘(設計流量10m3/s)、盛莊子揚水站(現狀設計流量6m3/s，規(guī)劃設計流量10m3/s)。

蓄滯洪區(qū)內地面高程在0.7～2.1m 之間，地勢東北高，西南低。盛莊洼圍堤設計超高2.0m。除薊運河左堤、還鄉(xiāng)河右堤基本達到設計標準外，其他圍堤均未達到設計要求。

蓄滯洪區(qū)內涉及的圍村埝有大盤龍安全區(qū)圍村埝、北單莊圍村埝、流澗頭圍村埝、盛莊子圍村埝。道路有鴉豐公路(玉豐線)、濱玉線、豐臺西村村南路。防浪墻位于豐臺西村村西的鴉豐公路東側。

盛莊洼蓄滯洪區(qū)現狀運用原則：當還鄉(xiāng)河發(fā)生超10年一遇洪水，流量超過670m3/s，九丈窩分洪閘上水位達到4.84m，且水位繼續(xù)上漲時，利用九丈窩分洪閘向盛莊洼分洪。滯洪區(qū)滯洪后，由盛莊排水涵閘和揚水站退水入薊運河。

2 模型構建思路與原理

2.1 模型構建思路

根據盛莊洼蓄滯洪區(qū)的洪水特點，盛莊洼蓄滯洪區(qū)洪水風險分析采用MIRE21水流模型，模型建立步驟如下:

a.根據盛莊洼蓄滯洪區(qū)地理位置及周邊河道、堤防情況確定模型計算范圍。

b.根據蓄滯洪區(qū)入流和出流控制工程，確定模型計算上邊界和下邊界條件。

c.利用MIKE21構建盛莊洼蓄滯洪區(qū)二維水動力模型，對蓄滯洪區(qū)內的地形進行概化插值，進行網格剖分，對蓄滯洪區(qū)內的道路、防浪墻及圍村埝等構筑物進行概化計算。

d.設置模型參數，對模擬計算結果進行分析。

2.2 網格剖分

根據蓄滯洪區(qū)內地形和水流特點，本次模型計算采用三角形網格，進行網格剖分時，將模型計算范圍作為外邊界，并且將蓄滯洪區(qū)內的道路、圍村埝等阻水構筑物作為內部限制邊界，對模型計算網格進行局部加密。

模型計算域總面積為13.84km2，根據模型計算范圍及計算區(qū)域內道路、堤埝的具體情況，確定網格剖分時邊界頂點平均間距為50m，各計算條件下網格剖分基本一致，共剖分網格5378個，網格節(jié)點2890個，最大網格面積0.02km2，平均網格面積為0.0033km2。蓄滯洪區(qū)內網格剖分成果及局部加密剖分網格見圖2和圖3。

圖2 盛莊洼蓄滯洪區(qū)網格剖分圖

圖3 構筑物處網格加密剖分示意圖

2.3 模型邊界條件及參數選取

模型計算范圍確定后，根據蓄滯洪區(qū)地理位置、構筑物、地形等情況，確定模型計算的邊界條件和參數如下：

a.上邊界條件：還鄉(xiāng)河超標洪水的設計洪水過程。

b.下邊界條件：盛莊揚水站設計排水流量。

c.特殊邊界的處理：計算區(qū)域內涉及的道路、圍村埝及防浪墻等按照溢流壩考慮。盛莊洼蓄滯洪區(qū)內地勢、道路及堤埝概化見圖4。

d.時間步長：根據盛莊洼蓄滯洪區(qū)的實際情況，同時考慮退水計算時間及淹沒歷時等情況，時間步長取10s，20年計算時長為170h，50年計算時長為1418h。

e.渦黏系數(Eddy Viscosity)：選擇Smagorinsky系數方法設定渦黏系數，程序缺省值為0.28。

f.耕地地面糙率采用0.040～0.055，村莊及較大的阻水建筑物糙率采用0.080～0.100。

圖4 蓄滯洪區(qū)內地勢、道路及堤埝概化圖

3 洪水計算方案及成果

3.1 計算方案

根據盛莊洼蓄滯洪區(qū)啟用和運用標準、洪水調度方案，依據《海河流域蓄滯洪區(qū)建設與管理規(guī)劃(2012年)》，盛莊洼蓄滯洪區(qū)主要分為現狀與規(guī)劃兩種工況，20年一遇、50年一遇兩種洪水設計，并考慮鴉豐公路天津市防浪墻是否存在幾種條件下的洪水淹沒情況。

現狀與規(guī)劃兩種工況的主要區(qū)別為護村圍埝埝頂高程與盛莊子揚水站排水流量。

現狀條件北單莊圍村埝現狀頂高程3.40～4.09m，大盤龍圍村埝現狀頂高程2.9～4.35m，盛莊子圍村埝現狀頂高程2.52～5.57m，劉澗頭圍村埝現狀頂高程2.98～4.60m。規(guī)劃條件下各圍村埝頂高程不足3.89m的按3.89m加高培厚考慮。

現狀條件盛莊子揚水站設計排水流量6m3/s，規(guī)劃條件設計排水流量為10m3/s。

20年一遇洪水條件下，考慮鴉豐公路東側有無防浪墻兩種情況。

綜上，模型計算方案共6個，各方案計算條件見表1。

3.2 計算成果

根據模型計算成果，分別從淹沒水深、洪水到達時間及淹沒歷時3個方面對模型計算結果進行分析。

3.2.1 淹沒水深

20年一遇洪水條件下，各方案淹沒水深均較小，除湘子村局部村基被淹沒外，其他村莊由于圍村埝保護未被洪水淹沒。

表1 盛莊洼蓄滯洪區(qū)洪水風險分析計算方案

現狀條件50年一遇洪水淹沒水深大于20年一遇，豐臺西村由于村基較高未被洪水淹沒，其余村莊淹沒水深0.33～2.00m不等；規(guī)劃條件出流流量大于現狀條件，故50年一遇洪水規(guī)劃條件淹沒水深小于現狀條件，由于圍村埝的加高，現狀條件下被淹沒的劉澗頭、徐家胡同、盛家莊在規(guī)劃條件下未被淹沒，其余村莊淹沒水深1.01～1.98m不等。具體數據見表2。

表2 堤防及護村圍埝位置洪水分析成果

根據蓄滯洪區(qū)入流及出流過程，20年一遇洪水條件下，現狀和規(guī)劃條件下蓄滯洪區(qū)最大滯洪量分別為0.035億m3和0.034億m3；50年一遇洪水條件下，現狀和規(guī)劃條件下蓄滯洪區(qū)最大滯洪量分別為0.301億m3和0.298億m3；根據蓄滯洪區(qū)水位-容積曲線，20年一遇洪水條件下，現狀和規(guī)劃條件下蓄滯洪區(qū)最高滯洪水位分別為1.755m和1.747m；50年一遇洪水條件下，現狀和規(guī)劃條件下蓄滯洪區(qū)最高滯洪水位分別為3.469m和3.451m。蓄滯洪區(qū)滯洪量及滯洪水位成果見表3。

表3 盛莊洼蓄滯洪區(qū)滯洪量及滯洪水位成果

由表2可知，遭遇20年一遇洪水時，受圍村埝和鴉豐公路保護，除湘子村外，其余村莊均未被洪水淹沒；現狀條件下，遭遇50年一遇洪水時，由于豐臺西村村基達到3.6m左右，未被洪水淹沒，其余村莊圍村埝高程局部低于滯洪水位，均被洪水淹沒；規(guī)劃條件下，遭遇50年一遇洪水時，湘子村和窯頭村無圍村埝均被洪水淹沒，北單莊雖有圍村埝，但緊靠鴉豐公路，公路高程不到3.0m，故北單莊被洪水淹沒，其余村莊由于圍村埝埝頂高程達到3.89m，均未被淹沒。

綜上，模型計算村莊淹沒成果與由滯洪水位、圍村埝埝頂高程、村基高程和鴉豐公路路面高程對比分析得到村莊淹沒成果基本一致。

3.2.2 到達時間

根據模型計算成果(表4)，20年一遇洪水流速小于50年一遇洪水流速，20年一遇洪水條件下，淹沒村莊洪水到達時間較長。

50年一遇洪水條件下，不考慮鴉豐公路的阻水作用，淹沒村莊的洪水到達時間與村莊距分洪閘的距離呈正相關關系，該結果符合洪水的傳播規(guī)律。

表4 特征點位置洪水到達時間分析成果

圖5 20年一遇洪水條件下蓄滯洪區(qū)滯洪量-退水時間關系

3.2.3 淹沒歷時

根據模型計算結果，不同工況下蓄滯洪區(qū)滯洪量-退水時間關系見圖5和圖6，現狀、規(guī)劃條件下20年一遇洪水淹沒歷時均小于7天；現狀、規(guī)劃條件下50年一遇洪水淹沒歷時最長為59天，最短不足1天。根據蓄滯洪區(qū)的滯洪量及盛莊排水泵站設計排水流量分析計算洪水淹沒歷時，上述兩種方法計算結果基本一致。

圖6 50年一遇洪水條件下蓄滯洪區(qū)滯洪量-退水時間關系

現狀防洪工程不變的情況下，可適當提高排洪工程規(guī)模，以縮短蓄滯洪區(qū)的淹沒歷時。

4 結 語

a.本次采用二維非恒定流洪水演進數學模型，按盛莊洼蓄滯洪區(qū)的調度運用原則，對蓄滯洪區(qū)不同標準的洪水風險進行模擬分析計算，模型計算結果與采用蓄滯洪區(qū)水位-容積方法分析得到的淹沒成果基本一致，模型計算成果可作為盛莊洼蓄滯洪區(qū)防汛調度、蓄滯洪區(qū)建設與管理的參考依據。

b.由于資料匱乏，本次采用MIKE21模型和蓄滯洪區(qū)水位-容積方法分析蓄滯洪區(qū)淹沒情況，有待進一步收集蓄滯洪區(qū)歷史洪水資料，對模型計算淹沒成果作進一步分析驗證。