基于MIKE軟件在防洪保護區洪水演進的研究

侯海紅 黃渝桂 章 鵬

（中水淮河規劃設計研究有限公司 合肥 230000）

基于MIKE軟件在防洪保護區洪水演進的研究

侯海紅 黃渝桂 章 鵬

（中水淮河規劃設計研究有限公司 合肥 230000）

本文通過M IKE軟件平臺，在新沂河發生標準洪水和超標準洪水情況下，河段險工險段發生潰堤時，構建防洪保護區的洪水演進水動力數值模型。研究河道一維模型、保護區二維模型并采用M IKEFLOO D標準鏈接模塊進行耦合，對防洪保護區洪水演進進行模擬，對成果進行分析，為相關規劃和防洪搶險提供一定的參考。

M IKE21軟件 洪水風險 水動力 數值模擬

1 概況

新沂河南片防洪保護區位于新沂河（沭陽閘以下至入海口）以南，廢黃河（淮安以下段）以北，淮沭河以東，涉及江蘇省連云港市灌云縣、灌南縣，宿遷市沭陽縣，淮安市淮陰縣、漣水縣和鹽城市濱海縣、響水縣，保護區面積約6200km2。

新沂河西起駱馬湖嶂山閘，向東流經新沂、宿豫、沭陽、灌云、灌南等5個縣（市），至燕尾港灌河口入海，是1949年“導沂整沭”時開挖的排洪入海河道。新沂河全長146km，沿線北岸有總沭河、新開河匯入，南岸有山東河、路北河（27+600）、柴沂截水溝匯入。新沂河已按50年一遇防洪標準治理，嶂山閘至口頭、口頭至海口段設計流量分別為7500m3/s、7800m3/s。

新沂河發生50年一遇設計洪水和100年一遇標準洪水時，僅選取章頂險工發生潰堤工況進行防洪保護區淹沒情況研究。

2 模型構建

2.1 一維模型

新沂河河道一維非恒定流采用MIKE軟件中MIKE11模塊進行計算。

根據《沂沭泗河東調南下續建工程實施規劃報告》的相關資料，河道計算區域從沭陽樞紐處樁號43+000至燕尾港處樁號143+500。新沂河河道分段糙率為：沭陽樞紐至鹽河段主泓0.02，灘地0.027；鹽河至東友涵洞段主泓為0.0025，灘地0.028；東友涵洞至入海口段主泓0.025，灘地0.033。新沂河該段河道沒有支流。

一維模型上邊界條件為沭陽水文站處50年、100年一遇設計洪水流量過程，下邊界為燕尾港20年一遇設計潮位過程。

在MIKE11計算中一維河道采用基于圣維南方程組的非恒定流方法：

2.2 二維模型

對于模型糙率的選取，依據《水工手冊》糙率取值范圍，結合區域土地利用圖以及近期河道治理工程等對保護區下墊面糙率進行取值。從基礎地理數據中分別提取保護區內道路、水系河流、居民地等SHP圖層要素，利用ArcGIS軟件“相交”工具，分別與保護區網格圖層（SHP）“相交”，確定水田、耕地、林地、居民點（城鄉、工礦、居民點）、道路、空地、河道等下墊面分布范圍，進行保護區內糙率賦值。在MIKE Generator中Mesh Interplote網格糙率插值，并生成糙率文件保護區糙率。

在MIKE21計算中采用二維非恒定流方程組：

（1）連續方程：

2.3 一維、二維耦合模型

防洪保護區二維洪水演進采用MIKE軟件中MIKE21模塊、MIKE11模塊通過MIKEFLOOD的標準連接進行耦合計算。保護區為非閉合邊界，在燕尾港、濱海閘處為開邊界與黃海相連，受黃海潮位影響。

在一維模型中章頂潰口虛擬河道中間位置加入虛擬水閘，閘底板高程與地面平齊，建立閘門開度與水位的正比例關系。當閘前水位達到50年一遇設計水位時，閘門全開且不再放下，模擬堤防潰堤。

2.4 模型建立

2.4.1 計算范圍及網格劃分

項目區投影坐標為“CGCS2000_3_Degree_GK_ZONE_ 40”。從已收集的基礎地理數據“河流水系、行政區劃、道路交通”SHP圖層中，分別提取新沂河右堤、淮沭河東堤、廢黃河左堤等線圖層要素，組合成閉合曲線，構成該項目地理邊界。

新沂河南片防洪保護區總面積約6200km2，最大網格面積不超過0.03km2，最大網格邊長不超過0.2km，重要地區、地形變化較大部分的計算網格要適當加密，從1∶10000的地形圖中提取高程數據，高程范圍0～25m，網格總數206587個，網格節點總數104529個。保護區網格劃分見圖1。

圖1 保護區網格劃分圖

在模型中對保護區內的堤防、高于地面0.5m的道路對洪水演進的影響考慮。在模型中將阻水的堤防與道路進行概化，作為Dike進行設置。根據阻水建筑物的樁號將其位置逐一在地圖上標出，并通過斷面高程提取其高程值之后，可根據高程點進行線性插值，得到阻水建筑特殊通道的高程值。

2.4.2 特殊邊界處理

2.4.2.1 高程處理

在二維模型建立中，高程處理尤為重要，直接影響洪水計算結果。高程不能從DEM中直接讀取，DEM數據已經把道路、堤防等高于0.5m的構筑物處理，不能完全反應保護區地形。為了更好地反應現狀地形，在1∶10000的地形圖中獲取高程點、等高線（線轉點）結合DEM數據，把鐵路、道路、堤防等高于0.5m構筑物上的點刪除，然后再進行地形插值。

2.4.2.2 線狀工程及地物的阻水處理

在模型中對保護區內的堤防、高于地面0.5m的道路對洪水演進的影響考慮。在模型中將阻水的堤防與道路進行概化，作為Dike進行設置。根據阻水建筑物的樁號將其位置逐一在地圖上標出，并通過斷面高程提取其高程值之后，可根據高程點進行線性插值，得到阻水建筑特殊通道的高程值。

2.4.2.3 河流處理

對寬度較大河流（灌河、鹽河、南六塘河、北六塘河、柴米河等），進行網格加密特殊處理，設置其網格屬性為水面型網格，賦值對應的糙率，內部寬度較窄的溝渠因受地形數據影響將作概化處理。

對于河流的地形處理，在河道范圍內單獨劃分網格，命名為河道網格。河道網格只在河道高程點范圍內插值，不與地面高程點插值，因此不會造成網格間高程突變，提高計算精度和模型穩定性。

3 研究結果分析

此次選取新沂河50年一遇設計洪水及100年一遇超標準洪水時，章頂險工處發生潰堤，研究保護區洪水演進情況。模型計算時間步長為5s，計算時間為30d。新沂河發生標準洪水情況下（50年一遇）章頂潰口潰堤保護區淹沒最大水深分布圖、前鋒到達時間圖分別見圖2（a）、圖2（b），不同水深下的淹沒面積見表1。新沂河發生超標準洪水情況下（100年一遇）章頂潰口潰堤保護區淹沒最大水深分布圖、前鋒到達時間圖分別見圖2（c）、圖2（d），不同水深下的淹沒面積見表2。

表1 標準洪水下不同淹沒水深下的淹沒面積表

表2 不同淹沒水深下的淹沒面積表

圖2 （a） 標準洪水下，前鋒到達時間分布圖

圖2 （b） 標準洪水下，最大水深分布圖

圖2 （c） 超標準洪水下，前鋒到達時間分布圖

圖2 （d） 超標準洪水下，最大水深分布圖

根據最大水深分布圖看出，新沂河發生50年、100年一遇洪水時，章頂潰口淹沒范圍在新沂河右堤以南，灌河以北，柴南河下游地區。淹沒區涉及的鄉鎮有沭陽縣城、李恒鎮、湯溝鎮、孟興鎮、李集鄉、沂濤鎮、張店鎮、北陳樓鎮、田樓鎮、堆溝港鎮等。阻水明顯的構筑物有G204、G205、陳沭公路、鄭郯公路、京滬高速公路、長深高速公路、沿海高速公路等。洪水主要在新沂河與柴米河、灌河之間的區域演進，受限于新沂河堤防、柴米河堤防、灌河堤防。洪水漫過沂南河進入柴米河流域，從沂南河進入鹽河、柴米河、灌河，一部分洪水在柴南河與柴米河交匯處漫過河道，沿柴南河兩岸進行演進；另一部分洪水進入鹽河，由于鹽河右堤（義澤河至新沂河段）堤頂高程約為6m，洪水會漫過堤防，洪水在灌河以北地區演進；一部分洪水從小潮河閘引河進入灌河，受灌河潮位頂托。根據現場調查和保護區西高東低地形，洪水演進符合實際情況。

4 結論

通過MIKE軟件構建水動力模型，可以直觀展示潰堤過程及洪水在保護區內演進過程。

從潰堤研究結果分析，當新沂河發生50年一遇、100年一遇洪水情況下，保護區呈現不同的淹沒情況，超標準洪水淹沒面積是標準洪水淹沒面積的1.55倍，超過3m以上水深的淹沒面積更大，淹沒情況更加嚴重；洪水風險主要集中在新沂河右堤與灌河左堤之間區域、北六塘河與南六塘河之間區域。因此，在防洪搶險時對可能發生潰決的險工險段要特別重視，在制定保護區的相關規劃時也應考慮洪水風險的影響。

新沂河堤防目前防洪標準為50年一遇、100年一遇洪水時淹沒影響較為嚴重，對區域經濟發展影響較大。因此，建議盡快研究提高沂沭泗河東調南下工程防洪標準，以減輕外河洪水對防洪保護區的威脅