MIKE 11模型在望虞河西控工程排澇計算中的應用

周 宏，劉 俊，劉 鑫，丁明梅，李 朋(.河海大學水文水資源學院，南京 0098；. 河海大學環境學院，南京 0098)

1 工程概況

2007年5月底，太湖藍藻大面積暴發造成無錫市供水危機，引起了國內外各方面的高度關注。根據國務院要求，有關部門編制了《太湖流域水環境綜合治理總體方案》，方案中提出為了治理太湖水環境，有效增加流域引江濟太進入太湖水量，改善太湖水環境，需實施擴大引江濟太調水工程，在此基礎之上需實施望虞河西岸控制工程[1]。然而，在望虞河引長江水入太湖期間，西岸支河缺乏有效控制，與望虞河的水流交換頻繁。由于望虞河西岸地區的水質較差，對引江濟太期間入湖水質產生影響。為了進一步增加望虞河入湖水量和水質，改善流域水環境，增加流域泄洪和供水能力，對望虞河西岸實施有效控制，引水期間望虞河西岸滯留河道改由走馬塘排長江。

按設計，在引水期，西控工程的運行按“五年一遇以下暴雨”(即小水)和“五年一遇以上暴雨”(即大水)兩種運行模式，小水時閘門關閉，望虞河西岸的圩區改向走馬塘排澇。大水時，閘門打開，按未進行西控前的原有方式進行泄洪排澇。非引水期，按未西控時的方式進行泄洪排澇。

2 研究方法

望虞河西岸地區屬武澄錫虞區，為平原河網感潮地帶，區域排澇標準為五年一遇。西控工程實施后，在遇到五年一遇以下的暴雨時，走馬塘與望虞河之間的澇水要反向通過走馬塘排入長江，走馬塘的水位抬高，導致望虞河西岸與走馬塘之間地區的水位同步升高，部分沒有設圩的半高地地區受淹風險增加。為研究望虞河西控工程對望虞河西岸與走馬塘之間無錫地區的影響，需通過排澇水文計算模擬五年一遇暴雨情況下西岸封閉時，河網節點的水位、流量過程、洪水位、高水位持續時間及半高地淹沒狀況與五年一遇暴雨情況下西岸未封閉時進行比較，得出望虞河西控工程對無錫的排澇產生的影響。

為準確進行計算，本次研究采用丹麥水利研究所(DHI)研制的MIKE 11中的降雨徑流模塊(NAM)和水動力模塊(HD)耦合模型進行排澇水文計算。MIKE 11模型系統是一個經過大量工程實踐驗證的模型，適用于包括復雜平原河網在內的一維非恒定流計算，是模擬一維水流和水質的國際化工程軟件[2]。本次研究將NAM的計算結果作為水動力模型的流量輸入條件，并添加可控水工建筑物，實現降雨徑流模型(NAM)與水動力學模型(HD)的耦合及水閘、泵站的調度模擬。

在MIKE 11中，NAM模型通過連續計算積雪儲水層、地表儲水層、土壤和植物根區儲水層和地下儲水層4個不同且相互影響的儲水層的含水量來模擬產匯流過程。它表示了陸面的水文循環過程，以及4 種儲水層中不同的土壤狀態和水分的運動途徑[3]。作為一個集總式模型[4]，NAM 模型各個參數和變量取流域的平均值，其初始值先根據流域的自然特征初定，然后利用歷史水文資料進行率定。

水動力計算模型是基于垂向積分的物質和動量守恒方程，即一維非恒定流圣維南方程組來模擬河流或河口的水流狀態。方程公式如下。

質量守恒方程：

動量守恒方程：

可控水工建筑物是指模擬過程中按照各種預設的調度規則，模型可自動判斷調整運行方式(如閘門開啟度、過閘流量等)的一類建筑物，包括水閘、橡膠壩、水泵等。MIKE11 的可控建筑物模塊提供了極豐富的閘門操作設計，有迭代、表格、全開等9 種計算模式，可設置不同的調度方案及其優先級，細化調度目標和調度時機，極大地豐富和提高了MIKE 11對各類實際工程情況的模擬能力[5]。而且，該模塊中設計參數的設置直觀而簡單，調度方式的設置手段也非常豐富，使MIKE 11能非常靈活方便地模擬各種防洪和水資源調度方案。

3 模型構建

因走馬塘以西部分排水方向不變，并且有運東大包圍工程，強排能力較強。但走馬塘與望虞河之間區域地處長江與京杭大運河的中間地帶，泄洪和調排水距離都相對較遠，當“小水年”時排水方向改變，由原來的“西水東流”變為逆向排向走馬塘，這部分區域河流流向將改變，流速將大大降低，甚至滯流，河流自凈能力也將下降。再加上望虞河西岸地區的未設防半高地較多，增加了無錫部分地區的河道水位及排澇壓力。因此，西控工程對望虞河以西與走馬塘之間這部分區域的負面影響最大，從而確定這部分區域為本次研究的重點區域，具體水系圖見圖1。

圖1 研究區域水系圖Fig.1 Generalized graph of research area

3.1 河網概化

本次計算范圍屬平原河網區，區域內河流縱橫交錯，連結成網。在河網內部還有眾多湖泊以及水閘、泵站、涵洞等水工建筑物。如果將所有的河道都概化在模型中，那么必將費時費力，并且有些河道調蓄作用很小或者基本不起輸水作用，概化與否對水位流量的影響結果很小。因此，在河網概化的過程中以骨干河道為基礎，以基本反映天然河網的水力特性為基本原則進行合理的河道和湖泊概化，使概化后的計算河網能盡可能真實地反映天然河網的水力情況[6]。

因此本次概化以望虞河、錫澄運河-京杭大運河、沈瀆港-走馬塘、白屈港、十一圩港、東橫河、南橫套、張家港河、九里河、伯瀆港為干流，其他河道為支流形式匯入干流。對研究范圍的河道進行了細化，評價區域加密至村級河道。計算范圍內的其他區域的河道只概化規模較大的河道，對于調蓄作用較小的河道結合水面率的要求作為陸域面上的調蓄水面；湖泊概化為調蓄節點，對于只有景觀作用而無調蓄做的湖泊類似于小河道滿足水面率要求。河網共概化河道137條，河道節點共901個，河道概化見圖2。

圖2 河道概化圖Fig.2 Generalized graph of rivers

3.2 集水區域的劃分

平原河網錯綜復雜，數目眾多，同時由于人為干預(水利分片治理、行政區劃的范圍等)以及河網概化等因素的影響，直接用DEM數據提取時誤差較大，使得降雨徑流在集水區域內部之間的分配變得比較困難[7]。本次研究以各主干河道為基本邊界，綜合考慮河流的流向、地形特點以及最新下墊面資料等條件，根據排水方向進行集水區域的劃分，同時綜合考慮水系的完整性、邊界條件的穩定性以及周圍區域對研究區域洪澇水位的影響等因素，選定基本邊界為北至長江、南至太湖、西至錫澄運河-京杭大運河、東至望虞河，集水區域的劃分見圖3。

圖3 集水區域的劃分Fig.3 Division of catchment areas

3.3 水工建筑物概化

平原河網地區水動力模擬過程中，不可避免地要涉及堰、閘、泵等水工建筑物。在這些建筑物處，圣維南方程組已經不再適用，必須根據水工建筑物的水力學特征作特殊處理。在MIKE11模型中水工建筑物的設置一般非常的直觀，直接輸入設計參數即可，同時也可以自定義其他各種水工建筑物。在本次研究中主要涉及可控水工建筑物的設置，每個可控建筑物都可能有多種調度方式，比如一座閘可以用于防洪、也可用于水污染控制調度等等，那么在這些調度方式中存在一個優先度的問題，在MIKE11中，這些調度方案的優先度是通過設定的Priority值來實現的，值越小優先度越高。

本次概化將主要的水工建筑物進行了概化，包括望虞河西岸的水閘、泵站，無錫運東大包圍的水閘、泵站以及長江沿岸的水閘、泵站等，可控建筑物的概化見圖4。

圖4 可控水工建筑物概化Fig.4 Generalized graph of controllable hydraulic structures

3.4 參數率定

為了保證模型參數的精確，本次率定選用武澄錫虞區2012年8月1日至8月25日的實測降雨過程，其中最大1日126.1 mm，最大3日141.2 mm，最大7日149.9 mm，最大15日234.5 mm；邊界水位選取長江實測潮位、太湖實測水位等邊界資料；參數的率定選取計算范圍內有實測水位數據的水文站，甘露站、青旸站、陳墅站。率定結果見圖5。

圖5 各測站率定結果Fig.5 Results of parameter calibration

由圖5可知，模型計算的各測站率定值與實測值趨勢一致，能較好吻合，計算誤差不大，能較好地反映實際情況，可見參數率定合理，模型計算可靠，可以用于后面的5年一遇排澇水位的計算。

3.5 遭遇5年一遇暴雨時排澇水位計算

選用武澄錫虞區12個雨量測站1951-2013年共63年逐日降雨量資料。采用年最大值法點繪選最大1、3、7、15、30日雨量頻率曲線，根據最大7日雨量得出5年一遇設計暴雨，與1975年實測值相近。因此采用1975年6月20日至6月26日實測降雨過程分別作為五年一遇典型暴雨過程，然后根據同頻率縮放得到逐時設計暴雨過程，詳見表1。

表1 區域5年一遇設計暴雨過程 mmTab.1 Regional design rainstorm process

將各計算結果輸入模型，設定邊界及水工建筑物調度規則，進行模型計算。

4 計算成果分析

4.1 水位變化

5年一遇暴雨情況下西控工程封閉與否各支河口門最高水位對比情況表見表2。

表2 各支河入望虞河口門水位變化情況 mTab.2 Water level change of branch rivers into the Wangyu River

在遭遇5年一遇暴雨情況下，無西控工程時，望虞河西岸支流河口最高水位在3.99～4.05 m；當西岸控制工程實施之后，最高水位上升至4.15～4.22 m，4條主要支流最高水位抬升幅度由北向南分別為14、15、16、23 cm。

結果表明，在望虞河西岸控制期間，走馬塘成為西岸地區的主要排水通道，走馬塘與望虞河之間的河道水流流向變為由東向西、由南向北，造成望虞河支流河口水位升幅最高，且位置偏南的河道排水路線長，水位升幅最大。

對于望虞河以西走馬塘以東區域，西控實施前，5年一遇暴雨情況下，各主要河道最高水位為3.97～4.05 m；西岸封閉之后各主要河道最高水位上升為4.18～4.23 m，并具有由北向南遞增的趨勢。最高水位抬升約15～24 cm，而且具有由北向南，由西向東升高的趨勢。

另外西控封閉之后河道高水位持續時間增加，4.0 m以上水位持續時間在2.5～3 d，較長的高水位持續時間對錫山各地區防洪壓力增大，圩區的圩堤、不設防的半高地、低洼地區都有一定風險。

走馬塘以東地區在望虞河西控未封閉時、封閉后最高水位等值線圖及區域水位抬升幅度等值線圖見圖6。

圖6 等值線圖Fig.6 Contour maps

4.2 受淹情況

根據無錫市歷史洪澇資料統計，沿河易淹區主要位于錫山區，在錫北運河及其支流大塘河、張繆舍河、八士港沿線和羊尖塘沿線。5年一遇設計降雨條件下，西控工程實施后，最高水位的升高及高水位持續時間的增加，使得不設防的低洼區及半高低受淹情況增多，根據錫山區半高地和低洼片受淹情況統計，得出在西控工程實施后，5年一遇暴雨情況下，錫山區不設防區和半高地受淹情況統計，其中受淹農田面積為2.67 hm2；受淹企業共5家，總計面積3 400 m2。

5 結 論

通過MIKE 11模型對望虞河西岸與走馬塘之間河網進行概化，將NAM模型與HD模塊進行耦合，加進水工建筑物模塊并對調度方式進行模擬計算，得出主要結論如下。

(1)對于錫山區不設防的半高地，在西控實施前，在5年一遇暴雨情況下基本不受淹。西控工程實施后，由于澇水位升高，導致受淹地區增加。

(2)西控工程實施之后，切斷了望虞河以西區域向望虞河的5年一遇以下暴雨的排水，望虞河與走馬塘之間河道水流反向，呈自東南向西北流向。望虞河西岸最高水位普遍抬升，望虞河與走馬塘之間的區域水位抬升在15～24 cm，走馬塘以西河口水位升高也在10 cm以上。受影響區域內高水位持續時間增長，超過4 m的高水位持續時間增加2～3 d。

(3)5年一遇區域最高水位為4.23 m，相當于該區域10年一遇設計水位。西控工程封閉之后，對現狀條件下已經達到10年一遇標準的地區不會造成影響，對于望虞河西岸現狀防洪標準未達到10年一遇標準的地區，會造成洪水淹沒潛在影響。

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[1] 我省南水北調一批項目和太湖走馬塘工程批準興建[J]. 江蘇水利, 2009,(5):8-8.

[2] Danish Hydraulic Institute(DHI).MIKE11:A modelling system for rivers and chalmels reference manual[R].DHI, 2004.

[3] H Madsen. Automatic calibration of a conceptual rainfall-runoff model using multiple objectives[J]. Journal of Hydrology, 2000,235:276-288.

[4] 長江水利委員會水文局二隊. NAM模型及其應用[J]. 水文, 1999,(S):66-71.

[5] 楊 洵, 梁國華, 周惠成. 基于MIKE11 的太子河觀-葠河段水文水動力模型研究[J]. 水電能源科學, 2010,28(11):84-88.

[6] 劉 強, 吳國芳. 基于MIKE 11 HD水動力模型的復雜河道水利計算[J]. 水利規劃與設計, 2014,(4):68-70.

[7] 徐祖信.河流污染治埋規劃理論與實踐[M]..北京:中國環境出版社,2003.