基于MIKE11的安徽省淮河干流六坊堤段河道分流比演變分析

王 寧

(安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

分汊型河道是沖積平原河流中常見(jiàn)的一種河型[1]，分流比是描述分汊河道演變規(guī)律的重要特征參數(shù)，分流比的變化對(duì)河道防洪、除澇、灌溉、航運(yùn)等功能具有重要影響[2]。陸齊等[3]對(duì)長(zhǎng)江下游安慶段河道治理進(jìn)行初步研究，得出促淤鎖壩工程、潛壩工程可以改善汊道分流格局、穩(wěn)定河勢(shì)；黃偉杰等[4]對(duì)珠江河口口門(mén)洪水分流比變化及成因進(jìn)行分析，得出泄洪斷面寬度不變、河槽沖刷加深，有利于口門(mén)洪水宣泄；王志興等[5]對(duì)黑龍江干流松花江匯口江段進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究，明確了不同工況下松花江匯口段各汊道分流比、流態(tài)分布。

六坊堤段河道是安徽省淮河干流一處典型的分汊型河段，該段河道為燈草窩圩至淮南平圩子段，位于鳳臺(tái)縣城至淮南市區(qū)之間，在燈草窩圩上口處分南北2汊，南北汊分別長(zhǎng)24.08、24.06km，2汊在淮南平圩子處匯合。上、下六坊堤行洪區(qū)概化圖如圖1所示。

圖1 上、下六坊堤行洪區(qū)概化圖

上、下六坊堤為淮河流域低標(biāo)準(zhǔn)行洪區(qū)，自設(shè)立以來(lái)至今均啟用了13次，進(jìn)洪機(jī)率約5年一遇。近年來(lái)，受水文氣象變化、河道整治、人工采砂的共同作用，淮河的水沙條件及河床邊界發(fā)生了明顯的變化。為量化分析六坊堤段河道南汊、北汊過(guò)流能力演變情況，本文基于1971、1979、1992、2005、2012、2019、2020年等不同年份的實(shí)測(cè)斷面資料，采用MIKE11數(shù)值模型，研究分析六坊堤段河道演變情況。

1 研究方法

1.1 分流比公式

對(duì)于雙分汊河道，汊道分流比為：

ηm=Qm/(Qm+Qn)

(1)

式中，Qm—主汊流量;Qn—支汊流量;ηm—主汊分流比。

1.2 模型構(gòu)建

1.2.1模型簡(jiǎn)介

本次采用MIKE11水動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算上下六坊堤段分汊河道分流比，模型可用于洪水預(yù)報(bào)及河道設(shè)計(jì)、調(diào)度研究，具有計(jì)算穩(wěn)定、精度高、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，能方便靈活地進(jìn)行復(fù)雜河網(wǎng)水流、模擬閘門(mén)、潰口等各類(lèi)水工建筑物的運(yùn)營(yíng)調(diào)度，尤其適合應(yīng)用于水工建筑物眾多、控制調(diào)度復(fù)雜的情況[6- 8]。MIKE11水動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型是基于垂向積分的物質(zhì)和動(dòng)量守恒方程，即一維非恒定流Saint-Venant方程組來(lái)模擬河流或河口的水流狀態(tài)[9]。

(2)

式中，x、t—計(jì)算點(diǎn)空間和時(shí)間的坐標(biāo);A—過(guò)水?dāng)嗝婷娣e;Q—過(guò)流流量;h—水位;q—旁側(cè)入流流量;C—謝才系數(shù);R—水力半徑;α—?jiǎng)恿啃Ｕ禂?shù);g—重力加速度。

方程組利用Abbott-Ionescu六點(diǎn)隱式有限差分格式求解[10]。該格式按順序交替計(jì)算水位或流量，分別稱(chēng)為h點(diǎn)和Q點(diǎn)。Abbott-Ionescu格式具有穩(wěn)定性好、計(jì)算精度高的特點(diǎn)。離散后的線形方程組用追趕法求解。

1.2.2河道及建筑物概化

本次采用MIKE11模型模擬計(jì)算河段分流比，構(gòu)建了六坊堤段南汊河道長(zhǎng)24.08km、北汊河道長(zhǎng)24.06km、二道河長(zhǎng)2.5km，各斷面間距按800m左右控制。上六坊堤行洪區(qū)及下六坊堤行洪區(qū)分別按一維河道進(jìn)行概化，概化的一維河道上六坊堤長(zhǎng)7.6km、下六坊堤長(zhǎng)8.1km。上、下六坊堤的分洪口門(mén)以MIKE11 SO模塊的Control Structure功能進(jìn)行概化，包括分洪口門(mén)結(jié)構(gòu)物的工程尺寸、調(diào)度運(yùn)行情況等，詳見(jiàn)表1。構(gòu)建的六坊堤段河道河網(wǎng)模型示意圖如圖2所示。

表1 上、下六坊堤分洪口門(mén)按規(guī)劃調(diào)度規(guī)則概化設(shè)置表 單位：m

圖2 六坊堤段河道河網(wǎng)模型示意圖

1.2.3糙率及邊界選用

《安徽省淮河洪水及行蓄洪區(qū)調(diào)度決策風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)》等[11]研究中已對(duì)淮河干流糙率做了系統(tǒng)性論述，根據(jù)其中的率定及驗(yàn)證成果，淮河干流河道主槽糙率為0.0215，灘地糙率為0.0335，行洪區(qū)糙率為0.0375。其中河道上邊界采用淮河干流百年一遇設(shè)計(jì)流量10000m3/s，下邊界采用六坊堤段河道下交匯口設(shè)計(jì)水位24.71m。

1.3 分流比驗(yàn)證

汊道是從單一河段分汊而成的，為進(jìn)一步驗(yàn)證模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)中國(guó)工程院謝鑒衡院士《河床演變及整治》[1]中定義的汊道各要素，如流量、水面寬、過(guò)水面積和流速等進(jìn)行驗(yàn)證。以雙汊為例,如圖3所示，設(shè)單一段與汊道段的河相系數(shù)ζ，糙率n，比降J都相等，則：

(3)

式中，Q0、Qm、Qn—單一段、主汊和支汊的過(guò)流流量。換算得：

(4)

(5)

過(guò)水面積：

(6)

(7)

圖3 汊道區(qū)各水力要素變化圖

2 演變分析與驗(yàn)證

2.1 分流比演變分析

從歷年測(cè)量萬(wàn)分之一平面圖來(lái)看，受左岸淮北大堤，右岸黑李段、老應(yīng)段及上、下六坊堤行洪堤等堤防影響束縛，該段河道平面形態(tài)經(jīng)過(guò)多年演變沒(méi)有較大變化。

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，上六坊堤段河道的南汊為主汊河道，經(jīng)多年河道演變，南汊分流流量占比從54%增加至65%，各年份測(cè)量斷面過(guò)流能力如下：1992—2005年北汊分流流量由2700m3/s降低至2000m3/s，2012年后分流流量基本穩(wěn)定；1992—2005南汊分流流量由5400m3/s增加至6400m3/s，2019年又增加至6500m3/s，2020年分流流量無(wú)變化。上六坊堤行洪區(qū)分洪流量由1900m3/s逐步降低至1500m3/s。

下六坊堤段河道的南汊為主汊河道，經(jīng)多年河道演變，南汊分流流量占比從38%增加至42%，各年份測(cè)量斷面過(guò)流能力如下：1992—2005年北汊分流流量由3600m3/s降低至3350m3/s，2019年后分流流量又降低到3200m3/s，2020年分流流量無(wú)變化；1992—2005南汊分流流量由3800m3/s增加至3950m3/s，2019年又增加至4200m3/s，2020年分流流量無(wú)變化。下六坊堤行洪區(qū)分洪流量基本穩(wěn)定，在2600m3/s左右。

不同年份上、下六坊堤北汊、行洪區(qū)、南汊分流情況分別如圖4—5所示。

2.2 分流比結(jié)果驗(yàn)證

經(jīng)分析，上六坊堤南汊河道滿足主汊分流比ηm>0.5條件，為進(jìn)一步對(duì)比驗(yàn)證模型計(jì)算結(jié)果，本次采用上六坊堤南汊1971、1979、1992、2005、2012、2019、2020年等不同年份實(shí)測(cè)斷面的水面寬度、過(guò)水面積、流速3個(gè)水力要素進(jìn)行分流比結(jié)果驗(yàn)證，詳見(jiàn)表2。可以看出，各年份主汊的3個(gè)水力要素均與模型計(jì)算結(jié)果差距在10%以?xún)?nèi)，在現(xiàn)行規(guī)范及技術(shù)導(dǎo)則等[12- 13]要求的誤差以?xún)?nèi)，模型演算成果較為可靠。

圖4 不同年份上六坊堤段分汊河道分流流量圖

圖5 不同年份下六坊堤段分汊河道分流流量圖

表2 上六坊堤南汊不同年份水面寬度、過(guò)水面積、流速、單寬流量驗(yàn)證

3 結(jié)論

本文采用MIKE11模型基于7個(gè)年份的實(shí)測(cè)斷面模擬計(jì)算了淮河干流六坊堤段河道南汊、北汊、行洪區(qū)分流比情況，同時(shí)采用水力學(xué)方法對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，MIKE11數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果精確度高，模擬可靠。結(jié)果表明，南汊分流流量逐漸增加，而北汊分流流量逐漸降低，河段主汊向南汊演變加強(qiáng)，行洪區(qū)分流流量總體變化不大。本次研究成果不僅對(duì)分汊河道分流演變分析具有基礎(chǔ)性的指導(dǎo)意義，也為淮河干流六坊堤段河道整治提供了理論支撐。同時(shí)，本次研究分析主要是基于數(shù)值模型方法，今后可通過(guò)增設(shè)水文測(cè)站和建設(shè)物理模型等進(jìn)一步深化研究六坊堤段的河道演變。