基于MIKE21 模型的南水北調(diào)中線工程防洪復(fù)核分析

焦軍麗

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003）

南水北調(diào)中線工程從可研到建成通水前后歷經(jīng)十余載，于2014 年全線通水運(yùn)行，工程建設(shè)期和建成以來隨著人類活動的不斷加劇， 干渠兩側(cè)的洪水流路受到嚴(yán)重影響， 現(xiàn)狀運(yùn)行條件與設(shè)計(jì)時相比，發(fā)生了較大的變化，這給工程的安全運(yùn)行帶來了很大的挑戰(zhàn)[1]。

防洪（護(hù)）堤是防洪減災(zāi)的重要工程，河道的防洪（護(hù)）堤高程是根據(jù)推求的洪水位加上一定的安全超高和風(fēng)浪爬高確定[2，3]。 對于南水北調(diào)干渠來說，防洪（護(hù)）堤的主要作用之一是用來阻止外水入渠。 近些年來，在全球氣候變暖的作用下，極端天氣事件頻發(fā)，且隨著城市的發(fā)展，不透水下墊面的增加導(dǎo)致雨水下滲強(qiáng)度降低， 雨水迅速匯集至低洼地帶， 隨著積水深度和時間的增加從而引發(fā)城市洪澇災(zāi)害[4]。 南水北調(diào)中線工程自2014 年全線通水以來， 沿線經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展使得建筑物的運(yùn)行條件較原設(shè)計(jì)發(fā)生了一定的變化， 且工程沿線多地屬于暴雨洪水集中暴發(fā)地帶， 由此積聚了一些新的防洪風(fēng)險(xiǎn)[5，6]。2021 年7 月18—22 日鄭州受連續(xù)大暴雨及特大暴雨( 鄭州“7.20”暴雨)的影響，市區(qū)普遍發(fā)生內(nèi)澇，城區(qū)路面積水最深處超過2m[7，8]。 暴雨期間由于南水北調(diào)干渠兩側(cè)城市積水短時無法排出， 造成干渠兩側(cè)低洼地帶積水嚴(yán)重，持續(xù)淘刷總干渠防洪（護(hù)）堤外坡腳，嚴(yán)重威脅總干渠的安全， 加之南水北調(diào)中線工程基本是露天明渠，除局部重要部位采用滿砌護(hù)坡外，大多數(shù)渠段都采用工程和植草相結(jié)合的護(hù)坡型式， 坡高且陡，抵抗雨水沖刷能力較差[9]，導(dǎo)致鄭州“7.20”暴雨期間部分部位外水漫過防洪（護(hù)）堤直接沖刷防洪（護(hù)）堤頂部，造成鄭州段大量水毀及外水入渠點(diǎn)。從鄭州“7.20”暴雨對南水北調(diào)中線工程鄭州段造成的嚴(yán)重影響可以看出， 干渠城市段降雨及下墊面均較設(shè)計(jì)階段發(fā)生了一定的變化， 工程運(yùn)行面臨的風(fēng)險(xiǎn)加大， 為了提高南水北調(diào)干渠應(yīng)對超標(biāo)準(zhǔn)洪水的防御能力， 有必要對干渠周邊地形發(fā)生明顯變化的區(qū)段開展防洪復(fù)核分析， 盡可能的消除極端天氣帶來的防洪風(fēng)險(xiǎn)， 確保南水北調(diào)中線工程的安全運(yùn)行。

目前常用的分析城市暴雨洪澇災(zāi)害模型有MIKE 系 列 模 型[10，11]、SWMM 模 型[12]及LISFLOOD模型[13]等，其中MIKE 系列模型由于軟件界面友好，功能全面，近些年來被廣泛應(yīng)用于我國城市洪澇災(zāi)害的危險(xiǎn)性評估中[14，15]。 本文基于MIKE21 模型，通過添加降雨過程構(gòu)建二維降雨徑流模型，對南水北調(diào)干渠某區(qū)段右岸一側(cè)展開防洪復(fù)核分析。

1 模型的構(gòu)建

1.1 模擬區(qū)概況

本文擬模擬區(qū)段位于南水北調(diào)中線工程鄭州區(qū)域某區(qū)段右岸， 下墊面相較于設(shè)計(jì)階段發(fā)生了明顯變化，干渠設(shè)計(jì)階段總體地勢西高東低，由于設(shè)計(jì)時干渠右岸匯水地形較干渠堤防低， 所以并未設(shè)置截流溝， 但現(xiàn)狀干渠右岸地形發(fā)生了較大變化， 干渠右岸圍網(wǎng)至城市公路之間的綠化帶地面回填高程較高， 部分區(qū)域高出總干渠圍網(wǎng)處地面約2m，在鄭州“7.20”極端天氣造成的強(qiáng)降雨期間雨水匯流至總干渠側(cè)， 漫過防護(hù)堤對邊坡造成沖刷， 且由于該干渠段一級馬道以上土質(zhì)為黃土狀輕粉質(zhì)壤土， 本身抗沖刷能力低且有輕微濕陷性，導(dǎo)致在鄭州“7.20”暴雨期間擬模擬區(qū)域干渠側(cè)沿線有3 處發(fā)生嚴(yán)重水毀。 本文擬通過模擬現(xiàn)狀地形（沿干渠有明顯低洼，無截流溝）和采取工程措施后地形（有截流溝）下干渠側(cè)暴雨積水的分布情況，為下一步干渠防洪（護(hù)）堤的水毀修復(fù)提供參考。

1.2 模型構(gòu)建及方案制定

根據(jù)模擬區(qū)域2021 年9 月實(shí)測的1:500 地形圖，提取模擬區(qū)域的地形坐標(biāo)，并對其進(jìn)行網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格劃分采用三角形和矩形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其中擬建截流溝處采用加密的矩形網(wǎng)格， 其余區(qū)域?yàn)槿切尉W(wǎng)格， 模擬范圍內(nèi)共劃分8 482 個網(wǎng)格單元，計(jì)算面積為0.14km2，模擬區(qū)域網(wǎng)格剖分及地形見下圖1。

圖1 模擬區(qū)域網(wǎng)格及地形示意圖

總干渠設(shè)計(jì)階段對于無實(shí)測流量資料的河流，采用雨量資料間接推求設(shè)計(jì)洪水。 鑒于本文研究的為局部水毀段修復(fù)工程， 為保持設(shè)計(jì)成果的協(xié)調(diào)性， 各區(qū)域設(shè)計(jì)洪水以干渠設(shè)計(jì)時交叉斷面設(shè)計(jì)洪水為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。 本文研究區(qū)段干渠設(shè)計(jì)時交叉斷面設(shè)計(jì)洪水采用的暴雨頻率為200 年一遇，因此，本文擬模擬發(fā)生200 年一遇降雨時研究區(qū)域的積水分布。 模擬情形分為兩種，一是現(xiàn)狀地形（沿干渠有明顯低洼，無截流溝）；二是工程后地形（有截流溝）。 擬建截流溝首端與某公路相交，末端與某河道相交，水排至河道，坡度為1/300，溝深1m，邊坡系數(shù)為1:1。

對于現(xiàn)狀地形的模擬， 由于本次建模區(qū)域有限， 現(xiàn)狀地形條件下模擬區(qū)域內(nèi)并無明顯的開邊界條件，因此現(xiàn)狀地形的模擬只在Precipitation-Evaporation 添加24 小時的降雨過程， 無開邊界條件， 模擬目標(biāo)為研究區(qū)域內(nèi)現(xiàn)狀地形整體的水深分布趨勢，為擬建截流溝提供一定的指導(dǎo)。 對于工程后地形的模擬， 根據(jù)截流溝的設(shè)計(jì)資料， 利用CAD 中在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行插值， 后將其生成.shp的數(shù)據(jù)格式， 在ArcGIS 中再轉(zhuǎn)化為.tin 的格式進(jìn)行插值，最后處理成.xyz 的格式，并與截流溝區(qū)域外的實(shí)測地形合并，最后在Mesh Generator 中插值得到工程后的地形。 添加截流溝后的模擬區(qū)域，對于降雨產(chǎn)生的洪水有了明顯的流路， 因此除在Precipitation-Evaporation 添加24 小時的降雨過程外，在截流溝末端設(shè)定為開邊界，開邊界條件為擬建截流溝末端斷面的水位流量關(guān)系。

模擬區(qū)域24 小時降雨過程見表1， 模型區(qū)域邊界條件為擬建截流溝末端斷面的水位流量關(guān)系，見表2。

表1 模擬區(qū)域24 小時凈雨過程

表2 擬建截流溝末端斷面水位流量關(guān)系表

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 現(xiàn)狀地形（沿干渠有明顯低洼，無截流溝）

圖2 為模擬區(qū)域現(xiàn)狀地形24 小時內(nèi)最大水深分布圖，圖3 為模擬區(qū)域現(xiàn)狀地形24 小時內(nèi)最大流速分布圖。 由圖可以看出，模擬區(qū)域整體地勢表現(xiàn)為右下區(qū)域地勢高，左上區(qū)域地勢低，在200年一遇降雨產(chǎn)流的條件下， 模擬區(qū)域靠近干渠防洪（護(hù)）堤側(cè)水深和流速存在幾處峰值，具體表現(xiàn)為：1 號區(qū)最大水深約1.8m，由于1 號區(qū)緊鄰公路側(cè)，當(dāng)發(fā)生暴雨時，此處極易產(chǎn)生急流，威脅干渠安全，但由于本次實(shí)測地圖十分有限，未能將公路對干渠的影響體現(xiàn)出來；2 號區(qū)最大水深約2.8m，此處地勢低洼，積水嚴(yán)重，水深和流速均在此處存在峰值，暴雨產(chǎn)流易漫過防洪（護(hù)）堤，造成外水入渠的嚴(yán)重后果；3 號區(qū)最大水深約2.8m，靠近與南水北調(diào)相交的河道，但由于現(xiàn)狀排水流路不暢，此處易積水，同時由于此處地勢整體偏低，暴雨產(chǎn)流在此處的流速較大， 干渠受外水入渠和沖刷的雙重威脅。

圖2 模擬區(qū)域現(xiàn)狀地形24 小時內(nèi)最大水深分布圖

圖3 模擬區(qū)域現(xiàn)狀地形24 小時內(nèi)最大流速分布圖

鄭州“7.20”暴雨對南水北調(diào)中線干渠鄭州段防洪 （護(hù)） 堤造成多處沖毀， 本次模擬區(qū)域的1號—3 號區(qū)也均發(fā)生了不同程度的損毀，這與模擬結(jié)果中這三處存在水深和流速的高峰值相吻合，說明本模型模擬結(jié)果較為合理可靠。 但同時受限于本次地形測量范圍， 只能在一定程度上反映小區(qū)域的積水分布情況。

2.2 工程后地形（有截流溝）

圖4 為模擬區(qū)域工程后24 小時內(nèi)最大水深分布圖，圖5 為模擬區(qū)域工程后24 小時內(nèi)最大流速分布圖。 由圖可以看出，修建截流溝后，模擬區(qū)域的洪水可以通過截流溝得到及時排泄， 在200一遇的降雨條件下無明顯的積水區(qū)， 水深和流速的峰值均在干渠側(cè)沿線的截流溝內(nèi)。 為進(jìn)一步分析擬建截流溝的排水效果， 提取截流溝沿程的最大水深，見下表3，可以發(fā)現(xiàn)截流溝沿程水深呈現(xiàn)為逐漸升高的趨勢， 截流溝最大水深位于截流溝末端，最大水深值約1.3m，泄洪效果較好。

圖4 模擬區(qū)域工程后24 小時內(nèi)最大水深分布圖

圖5 模擬區(qū)域工程后24 小時內(nèi)最大流速分布圖

表3 擬建截流溝沿程水深

從上面的分析可知， 研究區(qū)域修建截流溝后可以有效的排泄暴雨產(chǎn)生的積水， 大大降低了暴雨引發(fā)的漫溢和防洪（護(hù)）堤潰決風(fēng)險(xiǎn)，同時，模擬結(jié)果也為防洪（護(hù)）堤的修復(fù)設(shè)計(jì)提供了參考。

3 結(jié)語及建議

本文利用MIKE21 模型，搭建了南水北調(diào)中線工程某區(qū)段右岸水力學(xué)模型，并對現(xiàn)狀地形（沿干渠有明顯低洼，無截流溝）及工程設(shè)計(jì)后地形（有截流溝）分別進(jìn)行了模擬，通過對模擬結(jié)果分析可知，當(dāng)模擬區(qū)域發(fā)生200 年一遇暴雨時，現(xiàn)狀地形條件下，模擬區(qū)域緊鄰干渠側(cè)有多處積水，干渠側(cè)沿線積水峰值點(diǎn)與鄭州“7.20”暴雨水毀點(diǎn)相吻合。對于工程設(shè)計(jì)后地形（有截流溝），模型模擬結(jié)果顯示緊鄰干渠側(cè)無明顯積水， 暴雨產(chǎn)生的洪水可沿截流溝排至下游河道， 可以較大程度上避免暴雨對干渠的安全運(yùn)行帶來的安全隱患。

本次模擬分析區(qū)域有限， 今后將分析城區(qū)較大范圍內(nèi)的洪水形成與排泄機(jī)理， 為全面復(fù)核洪水對干渠的影響提供技術(shù)依據(jù)。 □