MIKE21 FM 模型在河道防洪評價(jià)中的應(yīng)用

劉 皓

（中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222）

1 概況

1.1 區(qū)域概況

諸暨市店口綜合港區(qū)工程，是新地址建設(shè)碼頭工程。選址位于東西江匯合湄池上游1.5 km，東江的解放湖北端位置，后側(cè)是店口解放湖工業(yè)新區(qū)。

諸暨市店口綜合港區(qū)工程所在位置較為特殊、敏感。首先，浦陽江中游諸暨段，歷史上防洪壓力最大，洪水危害最嚴(yán)重。2011 年浦陽江梅雨，湄池水文站（店口大橋）出現(xiàn)歷史第二高水位，且高水位持續(xù)時(shí)間之長歷史罕見。其次，工程選址地處諸暨下游出口的咽喉位置，是東西江匯合處、諸暨出境的唯一水道咽喉。

1.2 水文氣象概況

諸暨市店口綜合港區(qū)工程地處浙中內(nèi)陸，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫16.3℃，多年平均日照時(shí)間1 996.6 h，極端最高氣溫40.2℃，極端最低氣溫-13.4℃，相對濕度82%，多年平均蒸發(fā)量882.1 mm，多年平均無霜期250 多天，多年平均風(fēng)速為2.3 m/s，最大風(fēng)速為20.5m/s[1]。

浦陽江中游諸暨段是浦陽江歷史上防洪壓力最大河段，洪水危害也最嚴(yán)重。浦陽江上游浦江縣河段，是山區(qū)性河道，水流順暢；下游蕭山區(qū)經(jīng)濟(jì)實(shí)力強(qiáng)，河道岸線短。地處中游的諸暨市，上游匯聚，下游受限蕭山，外排路徑遙遠(yuǎn)，上泄下頂，洪水停滯在諸暨，往往造成重大洪災(zāi)[2]。

1.3 工程概況

從防洪角度出發(fā)，選擇兩個(gè)工程方案進(jìn)行分析，研究方案基本情況見表1。

表1 工程方案基本情況表

2 平面二維MIKE 21FM模型

2.1 理論控制方程

浦陽江江道相對較窄，根據(jù)涉水建筑物情況，考慮資料條件和河道特性，丹麥水力學(xué)研究所研發(fā)的平面二維MIKE 21FM 模型可以應(yīng)用于本次計(jì)算當(dāng)中。該模型是無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的，其網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)布置非常靈活，而且可以根據(jù)需求進(jìn)行局部加密，河道彎曲邊界也可以得到非常精準(zhǔn)的擬合[3]。故該模型具有非常突出的優(yōu)點(diǎn)，例如其算法和計(jì)算數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠、界面應(yīng)用便捷友好等。

流場計(jì)算的基本方程選用沿水深平均的二維淺水方程，包括一個(gè)連續(xù)方程和二個(gè)動量方程：

水流連續(xù)方程：

x 向的動量方程：

y 向的動量方程：

式中：z 為水位；p、q 為x、y 方向單寬流量；h 為水深；s 為源、匯項(xiàng)；six、siy分別為源、匯項(xiàng)在x、y 方向的分量；c 為謝才阻力系數(shù)；Ω 為科氏力；E 為紊動擴(kuò)散系數(shù)。

2.2 模型邊界

如何選取模型邊界考慮以下兩個(gè)因素：1）水邊界選在邊界條件較容易選定的地方；2）水邊界要離工程所在區(qū)域足夠遠(yuǎn)，防止工程建設(shè)實(shí)施對邊界條件產(chǎn)生影響[4]。根據(jù)以上原則，本次計(jì)算范圍設(shè)置為：上邊界設(shè)置在浦陽江西江、浦陽江東江，下邊界設(shè)置在諸暨—蕭山交界斷面。方案一、方案二上、下水邊界條件見表2。

表2 各方案上、下水邊界條件

3 工程所在河段流態(tài)（流速）變化分析

3.1 工程對周邊水域流速影響分析

為了定量比較工程前后的流速變化，本研究對20年一遇洪水條件下工程前后流速作了比較分析，見圖1～3。

圖1 方案一一期工程建設(shè)后河段落潮流速變化/（%）

圖2 方案一二期工程建設(shè)后河段落潮流速變化/（%）

圖3 方案二工程建設(shè)后河段落潮流速變化/（%）

方案一流速變化主要集中在碼頭前沿港池疏浚地帶，對東江左岸、右岸總體流速沒有大的影響。方案二對江道流速具體影響：1）修建碼頭后，由于碼頭及棧橋?qū)樗碾[蔽作用以及碼頭前灘地的疏浚，流速最大減小幅度可達(dá)90%；因此可以看到對河道產(chǎn)生淤積影響。2）由于碼頭占據(jù)東江江道主通道，行洪斷面減小且江道較窄，不僅引起東江左岸靠近堤防局部區(qū)域流速增大，加劇對堤防的沖刷，對解放湖堤防不利，而且碼頭以下東江右岸堤防沿線流速增加20%，明顯威脅對岸的店口城區(qū)的堤防。

3.2 工程所在河段水位影響分析

1）方案一碼頭采用重力式擋墻結(jié)構(gòu)，碼頭平臺沿河道堤線布置。數(shù)模分析結(jié)果表明：方案一條件下，除因岸線變化造成的岸線局部水位變化外，工程建成后江道的水位變化小，工程建設(shè)的影響范圍也不大，岸線處為主要的影響區(qū)域[5]。

2）方案二碼頭為高樁式碼頭，碼頭平臺布置在河道內(nèi)，通過棧橋與岸上連接，方案二樁群阻水，樁基之間透空過水[6]。數(shù)模分析結(jié)果表明：方案二條件下，由于橋墩的阻水，碼頭區(qū)域水位升高，水位變化值最大為2.4 cm，發(fā)生在碼頭上游位置，下游水位變化相比上游較小，變化值為0.6 cm。工程實(shí)施后，洪水位對比圖見圖4～6。

圖4 方案一一期工程后水位變化圖（單位：m）

圖5 方案一二期工程后水位變化圖（單位：m）

圖6 方案二工程后水位變化圖（單位：m）

3.3 工程河段河床沖於變化影響分析

通過水流數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證，根據(jù)挾沙能力方程式計(jì)算得到工程建設(shè)前后單寬流量、含沙量比值的取值，從而得到河床的沖淤變化：

式中：Zi2——工程后的水位，m；

Z0i1——工程前的河床高程，m；

Si1——工程前的含沙量，kg/m3；

Si2——工程后的含沙量，kg/m3；

qi1——工程前的單寬流量，m3/s；

qi2——工程后的單寬流量，m3/s；

Hi1——工程前水深，m。

為簡化計(jì)算，假定工程實(shí)施前后，含沙量不變。

由于碼頭底設(shè)計(jì)高程為-0.3 m，碼頭現(xiàn)狀地形為灘地，與設(shè)計(jì)底高程相差較大，故需要對碼頭前沿灘地進(jìn)行大范圍大幅度清淤。本工程建設(shè)位于河道擴(kuò)口段，河道徑流量的年際變化和流速變化較大，所以會造成港池附近區(qū)域的淤積。碼頭工程建設(shè)后的河床沖淤變化見圖7～9 所示。

圖7 方案一一期工程建設(shè)后工程建設(shè)后河床沖淤變化（單位：m）

圖8 方案一二期工程建設(shè)后工程建設(shè)后河床沖淤變化（單位：m）

圖9 方案二工程建設(shè)后河床沖於變化（單位：m）

4 方案綜合比較分析

根據(jù)上文對兩個(gè)方案進(jìn)行的精細(xì)化防洪評價(jià)，對兩個(gè)方案從防洪影響的水位、流速及沖於變化等方面進(jìn)行論述[7]。

1）方案一

一期工程實(shí)施后，最大淤積幅度在2.5 m 范圍內(nèi)，20 年一遇場次洪水淤積量為13.02 萬m3。

二期方案實(shí)施后，由于水域面積增大，碼頭下游河道變寬，最大淤積幅度減小至1.4 m 范圍內(nèi)，20 年一遇場次洪水淤積量14.84 萬m3。

2）方案二

碼頭上游水位升高最大2.4 cm，下游升高最大0.6 cm，流速最大減小90%，場次洪水淤積量約23.83萬m3。

方案比較分析見表3。

表3 方案比較分析表

通過對兩種方案防洪影響方面的比選發(fā)現(xiàn)：兩種方案均符合設(shè)計(jì)規(guī)范，防洪影響方面，方案一對河勢及流態(tài)的影響較小，故從流域防洪安全大局出發(fā)，推薦方案一。

5 結(jié)論

從防洪角度出發(fā)，方案二對河道的整體流態(tài)、局部流速、水位以及沖於平衡等都會產(chǎn)生較明顯的影響，且方案二占用水域后，阻水率增加，對防洪影響較大，不適合本工程。從碼頭設(shè)計(jì)與防洪治理結(jié)合起來看，方案一合理可行，方案二不可行。

MIKE21 FM 模型表現(xiàn)出的主要特點(diǎn)為模擬精度高，模擬計(jì)算成果也可靠合理，洪水?dāng)?shù)值模擬在防洪應(yīng)用中具有一定價(jià)值，在河道防洪評價(jià)、防汛救災(zāi)工作中可參考其成果。