MIKE21模型在輸電線路改造工程防洪影響評價中的應(yīng)用

王麗君

(河北省保定水文勘測研究中心，河北 保定 071000)

1 工程概況

獻縣張城35 kV 3372輸電線路改造工程，位于河北省滄州市獻縣，是獻縣城西35 kV變電站的主供電源之一。始建于2004年，部分線路沿用1990年獻縣110 kV變電站至張村的35 kV線路。因線路運營期限過長,部分線路桿基老化嚴重,甚至產(chǎn)生了橫向裂縫;桿塔金具腐蝕嚴重,部分金具出現(xiàn)了傾斜,該線路已不能滿足目前城西 35 kV 變電站安全運行要求，因此亟需加以更新。

本次輸電線路改造工程起于獻縣張村35 kV變電站35 kV出線間隔，止于35 kV城西站35 kV進線間隔，兩端均占用原間隔。本次線路工程長14.8 km，包括新建塔基77基和舊線改造塔基32基；拆除舊線16.1 km，拆除桿塔159基。沿線經(jīng)過區(qū)域?qū)俸：恿饔蜃友篮铀导昂邶埜圻\東地區(qū)，線路跨越獻縣泛區(qū)，并同時跨越賈莊河、滹沱河行洪道、滏陽新河、北排河及引黃輸水渠道新開渠。

2 數(shù)學模型建立

2.1 模型范圍及地形剖分

(1)計算范圍。 根據(jù)目前的洪水調(diào)度原則，滹沱河河道整體設(shè)防標準為50年一遇，北大堤為100年一遇，當滹沱河遇超過50年一遇洪水時，利用南大堤分洪口門向滹滏區(qū)間分洪，以確保北大堤安全。本次模型的上游邊界條件為滹沱河、滏陽新河、滏陽河3個河道入流口及留楚排干、天平溝等平原瀝水，南邊界為石黃高速公路，北部邊界為滹沱河北大堤，東邊界為滏陽新河右堤，西邊界為滹沱河北中山水文站，模型出口為獻縣樞紐，模型計算區(qū)域南北長度約36 km，東西長度81 km左右，模型區(qū)面積約2205.43 km2[1-2]。

(2)模型的網(wǎng)格剖分。MIKE21FM二維水動力模型可使用不規(guī)則網(wǎng)格，但針對二維非恒定流動的計算需要高,需通過網(wǎng)格地形點形式描述地形情況，并且在重要的區(qū)域和變量變化梯度較大的局部區(qū)域設(shè)定較細的網(wǎng)格單元，在物理變量變化較平緩或非主要區(qū)域設(shè)置較稀少的網(wǎng)格[3]，本模型網(wǎng)格單元最大面積不大于3萬m2，按局部區(qū)域加密處理，最小網(wǎng)格面積20 m2左右，在計算范圍內(nèi)網(wǎng)格劃分共計117 071個，計算節(jié)點59 100個。

2.2 邊界條件

(1)模型的上游邊界條件。 模型的最上游邊界條件為模型上游邊界的洪水入流，分為滹沱河、滏陽新河、滏陽河三個河流的洪水入流和東程干、羅屯以及故城村東三座分洪口門出流口[4-5]。

(2)模型下游邊界條件。 模型的下游邊界為模型的出流邊界，即為獻縣樞紐，邊界條件按獻縣樞紐的水位泄量關(guān)系考慮。獻縣樞紐水位泄量關(guān)系見表1、表2。

表1 獻縣樞紐水位泄量關(guān)系

表2 子牙河節(jié)制閘水位～泄量關(guān)系

(3)特殊邊界的處理。 模型的中邊界條件為泛區(qū)內(nèi)滹沱河行洪道兩側(cè)堤埝和高速公路的過水橋涵、互通公路橋等以及泛區(qū)上游京九鐵路、大廣高速和滹沱河南大堤。

2.3 模型參數(shù)的確定

本次模型中的主要參數(shù)選取按照地形、地貌特點，以及根據(jù)南水北調(diào)中線工程及以往的洪水模擬的經(jīng)驗，糙率分區(qū)參數(shù)如表3所示。

表3 糙率分區(qū)

2.4 計算方案的擬定

本次分析了現(xiàn)狀、規(guī)劃工程條件下的50年一遇、100年一遇兩種標準洪水，結(jié)合建設(shè)項目工程前、后，共組成8個方案。

3 防洪影響模擬計算分析

3.1 現(xiàn)狀防洪工程下洪水模擬分析

(1)模型成果分析。獻縣泛區(qū)上游段舊南堤段沒有達到50年一遇洪水的防洪標準，從洪水對獻縣泛區(qū)產(chǎn)生的最大風險角度考慮，舊南堤在模型中以瞬間潰決進行概化。從模擬結(jié)果來看，當滹沱河發(fā)生50年一遇標準洪水時，一部分洪水將從舊南堤處由上游直接進入南泛區(qū)，另一部分洪水沿河道進入獻縣泛區(qū)行洪道后從大齊分洪口門上游左埝處，率先從左埝漫溢進入北泛區(qū)，北泛區(qū)漫溢口附近流速在0.20～0.35 m/s之間，之后沿地形地勢向下游流動；整個泛區(qū)內(nèi)部流速在0.05～0.35 m/s之間。

當滹沱河發(fā)生100年一遇標準洪水，本次根據(jù)洪水實際的演進發(fā)展情況，從上到下依次啟用南大堤的東乘干、羅屯、故城村東分洪口門。從最大風險的角度考慮，上游舊南堤仍按瞬間潰決考慮，洪水一部分通過分洪口門分洪進入滹滏區(qū)間，另一部分將通過肅衡公路橋進入獻縣泛區(qū)南泛區(qū)，泛區(qū)內(nèi)部流速0.05～0.48 m/s；順著河道進入獻縣泛區(qū)行洪道的洪水從大齊分洪口門上游彎道處由左埝進入北泛區(qū)，泛區(qū)內(nèi)部流速在0.05～0.45 m/s之間。

(2)流勢流態(tài)分析。從洪水模擬結(jié)果看，輸電線路附近水流方向基本為西東方向，新建線路工程為東西走向，舊線改造段為南北走向?，F(xiàn)狀防洪工程下工程修建前后河道的流勢流態(tài)沒有發(fā)生大的改變。

(3)水位分析。輸電線路工程位于獻縣泛區(qū)下游，地勢平坦，起伏不大。地面高程在10.90～13.73 m之間，現(xiàn)狀工程下50年一遇、100年一遇標準洪水時水位變化均不大，水位分別在 16.87～17.00 m之間、17.16～17.30 m之間，現(xiàn)狀防洪工程條件下工程前后對河道洪水位的影響很小。

(4)流速分析。從洪水模擬結(jié)果看，50年一遇洪水時流速在0.08～0.44 m/s之間；100年一遇洪水時，流速在0.09～0.54 m/s之間。工程前后流速基本沒有變化。部分塔基分別跨越滹沱河行洪道、滏陽新河位置流速較大，其余蓄滯洪區(qū)內(nèi)流速均較小?，F(xiàn)狀防洪工程條件下工程前后對河道洪水流速的影響很小。

(5)壅水分析。從洪水模擬結(jié)果看，工程后塔基在蓄滯洪區(qū)內(nèi)壅水甚小，50年一遇洪水，所有蓄滯洪區(qū)內(nèi)塔基的總壅水高度僅為0.005 m，100年一遇洪水，總壅水高度為0.002 m，基本沒有壅水。

因此，從現(xiàn)狀防洪工程條件下的輸電線路工程前后模擬結(jié)果可以看出，工程條件下洪水淹沒分布情況和洪水流速矢量圖與工程前基本一致，工程前、后基本沒有壅水，流速基本不變。擬建輸電線路對獻縣泛區(qū)的滯洪形勢和洪水流勢影響很小?，F(xiàn)狀防洪工程條件下工程前50年一遇、100年一遇標準洪水流速矢量圖見圖1，工程后50年一遇、100年一遇標準洪水流速矢量圖見圖2。

圖1 現(xiàn)狀防洪工程條件下工程前洪水流速矢量圖

圖2 現(xiàn)狀防洪工程條件下工程后洪水流速矢量圖

3.2 規(guī)劃工程下洪水模擬分析

(1)模型成果分析。從模擬結(jié)果來看，當滹沱河發(fā)生50年一遇標準洪水時，南北泛區(qū)先后啟用，超標準洪水由大齊分洪口門進入北泛區(qū)，口門附近流速在0.65～0.95 m/s之間，北泛區(qū)內(nèi)部流速在0.05～0.95 m/s之間；接著洪水由右埝分洪口門進入南泛區(qū)，口門附近流速在0.15～0.40 m/s之間，南泛區(qū)內(nèi)部流速0.05～0.40 m/s之間；

當滹沱河發(fā)生100年一遇標準洪水時，根據(jù)洪水實際的演進發(fā)展情況，超過設(shè)計水位即從上到下依次啟用南大堤分洪口門，洪水漫溢過上游舊南堤時仍按潰決考慮。越過舊南堤的洪水一部分由羅屯分洪口門分洪進入滹滏區(qū)間，另一部分將通過肅衡公路進入獻縣泛區(qū)南泛區(qū)，泛區(qū)內(nèi)部流速0.06～0.48 m/s；順著河道進入獻縣泛區(qū)行洪道的洪水在大齊分洪口門上游彎道處即由左埝進入北泛區(qū)，泛區(qū)內(nèi)部流速在0.05～0.45 m/s之間。

(2)流勢流態(tài)分析。 從洪水模擬結(jié)果看，規(guī)劃防洪工程下輸電線路工程修建前后河道的流勢流態(tài)沒有發(fā)生大的改變與現(xiàn)狀工程下基本一致。規(guī)劃防洪工程條件下工程前后對河道流勢流態(tài)基本沒有影響。

(3)水位分析。 從洪水模擬結(jié)果看，規(guī)劃防洪工程下，輸電線路工程修建前后遇50年一遇、100年一遇標準洪水時水位、水深的變化均不大，水位分別在16.87～17.00 m之間、17.15～17.27 m之間。規(guī)劃防洪工程條件下工程前后對河道洪水位的影響很小。

(4)流速分析。 對比工程前后模型區(qū)內(nèi)流速成果可知，規(guī)劃比現(xiàn)狀工程下，整個泛區(qū)內(nèi)的流速略有增大，從50年一遇流速成果看，跨越滹沱河行洪道、滏陽新河，流速為0.44 m/s、0.45 m/s，其他位置流速均較小，在0.08～0.32 m/s之間；100年一遇洪水時，部分塔基跨越滹沱河行洪道、滏陽新河位置流速較大，為0.45 m/s、0.53 m/s，線路其他塔基位置流速在0.10～0.36 m/s之間，規(guī)劃防洪工程條件下工程修建后，河道流速變化較小，工程修建對于河道行洪影響不大。

(5)壅水分析 從模型模擬測算結(jié)果看出，工程修建后，各塔基在蓄滯洪區(qū)過水斷面所占面積甚小，按偏不利情況考慮，在塔基的迎水方向的兩個樁基之間不過水時，塔基的阻水面積為117 m2，100年一遇洪水條件下，滹沱河南北大堤之間過水斷面約為2萬m2，塔基的阻水面積不足整個過水斷面面積的1%，因此規(guī)劃防洪工程條件下工程修建后基本沒有壅水。

規(guī)劃防洪工程條件下工程前50年一遇、100年一遇標準洪水流速矢量圖見圖3，工程后50年一遇、100年一遇標準洪水流速矢量圖見圖4。

圖3 規(guī)劃防洪工程條件下工程前洪水流速矢量圖

圖4 規(guī)劃防洪工程條件下工程后洪水流速矢量圖

4 結(jié) 論

(1)獻縣張城35 kV3372線路改造工程沿線經(jīng)過獻縣泛區(qū)，產(chǎn)生洪水影響，對其進行洪水影響評價是必要的。

(2)現(xiàn)狀及規(guī)劃兩種防洪工程條件下，輸電線路改造工程不會影響獻縣泛區(qū)的行洪、緩洪運用，也不會對滯洪區(qū)內(nèi)大的流勢、流態(tài)造成影響。

(3)運用經(jīng)驗證明，本次輸電線路改造設(shè)計中使用MIKE 21數(shù)學模型，分析不同工況下防洪影響評估的相關(guān)問題結(jié)果可信，方法分析合理。為建設(shè)項目對蓄滯洪區(qū)影響提供了可靠數(shù)據(jù)支撐，為蓄滯洪區(qū)安全運行提供了保障。