基于MIKE的咸寧市淦河碧桂園分洪渠擴(kuò)建規(guī)模確定

閆偉偉，朱 丹，廖文俊

(1.湖北省水利水電科學(xué)研究院，湖北 武漢 430070；2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072)

淦河系長江中游南岸支流金水上游的主干，發(fā)源于大幕山南麓通山縣萬家鄉(xiāng)門樓村，由南向北流經(jīng)咸安區(qū)桂花、馬橋等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，穿咸寧市城區(qū)后沿向陽湖垸北緣于龔家澥注入斧頭湖，匯入金水經(jīng)金水閘最后注入長江。淦河(金水斧頭湖以上)流域面積854 km2，占金水流域面積2 615.9 km2的32.6%。

淦河咸寧市城區(qū)段自徐家灣至熊家灣，位于淦河中下游河段，城區(qū)河段長約22 km。淦河碧桂園分洪渠位于淦河彩虹大橋至碧桂園一號橋段。該分洪渠現(xiàn)狀進(jìn)口為3孔，單孔寬7 m，高4.5 m，底板高程19.90 m。分洪渠中間段較寬，為不規(guī)則形狀，平均寬度200 m左右，淤積較為嚴(yán)重，雜草叢生，平均底部高程21.50 m左右。出口較窄，寬34 m左右，兩邊有土臺，右側(cè)土臺頂部高程26.60 m，左側(cè)土臺頂部高程26.50 m。該分洪渠建設(shè)目的就是為分泄淦河洪水，降低淦河水位。

2016年7月咸寧地區(qū)普降大雨，淦河流域發(fā)生洪水災(zāi)害，碧桂園分洪渠泄流能力受限，進(jìn)出口導(dǎo)致該段河道受災(zāi)嚴(yán)重。

1 模型建立

淦河系統(tǒng)治理工程擬對碧桂園分洪渠進(jìn)行疏挖，并擬對分洪渠進(jìn)出口段進(jìn)行擴(kuò)寬，以提高分洪能力。由于分洪渠的存在，淦河彩虹大橋至碧桂園一號橋段地形和水力條件較為復(fù)雜，本次采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行水動力計算[1]。

采用MIKE系列軟件作為洪水分析模型，對行洪區(qū)域采用MIKE21進(jìn)行二維水動力建模。MIKE21模塊屬于平面二維水流模型，適合模擬具有自由表的港口、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[2-3]。

模型采用Alternating Direction ImPlicit對方程組進(jìn)行離散，所得的矩陣方程用Double SweeP Algorithm求解。MIKE21具有兩套離散系統(tǒng)，分別是矩形結(jié)構(gòu)和三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格有限差分格式，本次選用后者。

采用MIKE21模型進(jìn)行求解，原始控制方程組在空間上的離散方法采用基于單元中心的有限體積法。為解決由此引發(fā)的壓力波動問題，采用動量插值計算交界面上的速度值，運(yùn)用壓力校正法SIMPLE對水位、流速進(jìn)行耦合求解。

對行洪區(qū)域均采用三角形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格剖分，通過耦合亞地形數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)線重組的網(wǎng)格邊界，以將整個計算區(qū)域覆蓋。以兩岸堤防作為邊界約束條件，將橋梁、涵洞等阻水建筑物作為內(nèi)部約束條件，并根據(jù)實(shí)測地形數(shù)據(jù)為模型網(wǎng)格賦高程，河道計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分見圖1。

圖1 河道計算區(qū)域及網(wǎng)格剖分圖

針對二維水流模型的計算收斂性特點(diǎn)，對模型計算區(qū)域給定下游邊界初始時刻計算條件水位為27.67 m(該水位由下游水位采用河道一維恒定非均勻流能量方程推算而來)，上游邊界初始時刻計算條件流量為1 430 m3/s(50年一遇)。

糙率取值同河道水面線計算中采用值一致。根據(jù)十好橋水文站高水實(shí)測糙率分析成果，河道糙率主槽取0.028，灘地取0.030。淦河干流河道基本情況與十好橋水文站斷面較為接近，主槽相對清潔，灘地有零星灌木，河道糙率率定值采用十好橋站分析成果。

紊動黏性系數(shù)對水流計算邊界變化急劇、有回流產(chǎn)生的區(qū)域很重要，模型根據(jù)Smagorinsky公式[4-5]確定，見式(1)。

(1)

式中：U、V為x、y方向垂線平均流速；Δ為網(wǎng)格間距；Cs(柯朗數(shù))為計算參數(shù)，一般選0.25

模型計算網(wǎng)格構(gòu)建完成后，合適的時間步長選擇是模型計算結(jié)果收斂的關(guān)鍵。模型的時間步長選擇與網(wǎng)格大小及格網(wǎng)單元的流速有關(guān)。時間步長選取的計算公式見式(2)，根據(jù)Courant數(shù)(CR)選取時間步長。

(2)

式中：h為水深；Δt為時間步長；Δx為空間步長。根據(jù)模型參數(shù)，結(jié)合上述公式確定模型計算時間步長為3 s，滿足模型數(shù)值計算要求。涵洞采用MIKE21的涵洞構(gòu)筑物，直接加進(jìn)模型中。

2 模型驗(yàn)證

咸寧市水利水電工程測試所2008年8月完成了《咸寧市淦河盤泗河段分洪工程水工模型試驗(yàn)報告》，盤泗河段分洪工程即碧桂園分洪渠。

水工模型按弗汝德相似準(zhǔn)則，根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)的要求，河道水力學(xué)防沖模型見圖2，幾何尺寸選定1/80，為定床水工模型。

圖2 模型試驗(yàn)原理圖

河道長約2 570 m，模型長32.13 m；河寬70～100 m，模型寬度0.875～1.25 m；主河深8～10 m，模型0.10～0.125 m。河道按防洪及分流設(shè)計方案，模型縮比尺寸進(jìn)行模型制作。模型均用磚砌筑，河道邊坡水泥砂漿抹面，河底為砂礫石，分洪工程進(jìn)、出口及人工湖為水泥砂漿抹面。

根據(jù)《咸寧市淦河盤泗河段分洪工程水工模型試驗(yàn)報告》，50年一遇設(shè)計洪峰流量1 430 m3/s情況下，分洪渠分洪流量460 m3/s。

本次模型在按分洪渠原設(shè)計條件，即不考慮渠道淤積情況下進(jìn)行模擬計算，得到50年一遇設(shè)計洪水情況下，分洪渠分洪流量460 m3/s左右，與水工模型試驗(yàn)成果基本一致，說明模型參數(shù)取值合理。

3 計算成果

根據(jù)模型計算結(jié)果，在分洪渠內(nèi)部疏挖和出口擴(kuò)寬等工程措施一致的前提條件下，分洪渠進(jìn)口不擴(kuò)挖及擴(kuò)挖1孔、2孔、3孔和4孔，擴(kuò)挖單孔尺寸均為單孔寬7 m，高4.5 m，底板高程19.90 m，淦河流量均按50年一遇洪峰流量1 430 m3/s考慮，分洪渠進(jìn)口前的水位對比見表1。

表1 分洪渠進(jìn)口擴(kuò)挖水位對比表(P=2%)

由表1可知，當(dāng)擴(kuò)挖由2孔增加至3孔時，水位僅僅降低0.05 m，當(dāng)擴(kuò)挖由3孔增加至4孔時，水位僅僅降低0.04 m，而擴(kuò)挖由1孔增加至2孔時，水位降低0.22 m。因此，擴(kuò)挖2孔相對來說，收益與投入比值相對較高，繼續(xù)擴(kuò)寬顯然不經(jīng)濟(jì)。

通過分洪渠進(jìn)出口擴(kuò)寬和分洪渠內(nèi)部疏挖，當(dāng)分洪渠進(jìn)口擴(kuò)挖2孔時(單孔寬7 m，高4.5 m，底板高程19.90 m)，分流量可達(dá)720 m3/s，約為淦河設(shè)計流量1 430 m3/s的1/2，此時分洪渠進(jìn)口前淦河水位降幅最大。本次以分洪渠進(jìn)口擴(kuò)挖2孔方案作為推薦方案。通過分洪渠進(jìn)出口擴(kuò)寬和分洪渠內(nèi)部疏挖工程的實(shí)施，分洪渠進(jìn)口處淦河水位較現(xiàn)狀降低0.86 m(見圖3)。

圖3 河道行洪水位計算圖

4 結(jié) 語

在較為復(fù)雜的河流水動力學(xué)計算中，MIKE軟件有較為明顯的比較優(yōu)勢，模擬精度較高，分析計算成果較為可信。

該設(shè)計方案已通過專家評審并獲得相關(guān)部門批復(fù)，可為類似工程水力計算提供參考。