基于MIKE軟件的韓莊運河、中運河洪水演進的研究

黃渝桂周立霞章 鵬王小剛

（1.中水淮河規劃設計研究有限公司 合肥 230000 2.蘇州市吳中區城南水利管理服務站蘇州 215000）

基于MIKE軟件的韓莊運河、中運河洪水演進的研究

黃渝桂1周立霞1章 鵬1王小剛2

（1.中水淮河規劃設計研究有限公司 合肥 230000 2.蘇州市吳中區城南水利管理服務站蘇州 215000）

韓莊運河、中運河是南四湖洪水南下的重要通道，其防治洪水、尤其對運河北岸澇災意義重大。本文根據河道的洪水特點，使用一維數值模型模擬的流體動力學方程，采用MIKE11軟件建立洪水演進模型，分析河道在各種頻率的設計洪水的現狀排洪能力。

南四湖 水動力數值模型 MIKE11

1 區域概況

南四湖莊出口包括韓莊運河、伊家河、老運河三部分。伊家河在韓莊運河南側，長36km，在樁號35+000處匯入韓莊運河。老運河在韓莊運河北側，長3.8km，在樁號3+900處匯入韓莊運河。

韓莊運河已按50年一遇防洪標準治理，韓莊閘下至老運河口、老運河口至嶧城大沙河、嶧城大沙河口至伊家河口、伊家河口至省界段的設計流量分別為4100m3/s、4600m3/s、5000m3/s、5400m3/s，堤防頂寬8.0m，超高2.0m，由于韓莊運河挖河棄土在左堤外側堆放，韓莊運河左堤臺兒莊閘以上段超高超寬。

中運河已按50年一遇防洪標準治理，省界至邳蒼分洪道入口的設計流量為5600m3/s，堤防頂寬8.0m，超高2.0m。

2 韓莊運河、中運河一維水動力模型建立

2.1MIKE11模型簡介

MIKE軟件由DHI（DanishHydraulicInstitute）公司開發的，能夠模擬很多水流問題，包括MIKE11、MIKE21、MIKEFLOOD等模塊。MIKE模塊基于圣維南方程和能量方程進行河道水動力模擬和結構物計算，采用隱式差分格式求解。MIKE11模塊模擬的基本目的是提供河道各個斷面、各個時刻的水位和流量等水文要素信息，并模擬水工建筑物調度、蓄滯洪區運用、潰口等對河網水文條件的影響。一維圣維南方程組采用Abbott-Ionescu六點隱式有限差分格式求解。該格式在每一個網格點不同時計算水位和流量，而是按順序交替計算水位或流量，分別稱為h點和Q點。Abbott-Ionescu格式具有穩定性好、計算精度高的特點。

2.2控制方程

河道采用基于圣維南方程組的一維非恒定流方法。

2.2.1連續方程

2.2.2動力方程

式中：A—河道過水面積；Q—流量；u—側向來流在河道方向的流速；t—時間；x—沿水流方向的水平坐標；q—河道的側向流速；a—動力修正系數；g—重力加速度；y—水位；Sf—摩阻坡度，其計算方法如下；

在河道交匯處通過水量平衡關系連接各河段：

式中：L（m）—連接到節點m的河段數；M—節點總數；Qmn+1—n+1時段流入節點m的外加流量；時段流出節點m的流量；V—河段交匯點需水量。

2.3韓莊運河、中運河河網概化及斷面處理

2.3.1河網概化

根據《韓莊運河、中運河及駱馬湖堤防工程總體初步設計報告》的相關資料，計算區域從南四湖湖口處的韓莊樞紐樁號1+000處至灘上集處樁號72+245。該段河道支流主要有嶧城大沙河、伊家河、陶溝河，河道上建有萬年閘、臺兒莊閘等水工建筑物。河網概化圖見圖1。

圖1 河網概化圖

在MIKE11模型中對各個支流進行概化處理即按點源的方式模擬。

2.3.2斷面處理

韓莊運河斷面從《韓莊運河、中運河及駱馬湖堤防工程》竣工圖獲取，斷面間距為500m，萬年閘、臺兒莊閘附近500m之內河道斷面取100m一個斷面，進行斷面局部加密。

2.4模型設置參數

2.4.1模型邊界條件

模型上邊界條件為南四湖韓莊樞紐下泄流量過程及區間支流匯入，下邊界為灘上集水位與流量關系，見圖2。

圖2 灘上集水位與流量關系圖

圖3 韓莊運河、中運河河道萬年閘閘下處水位模擬結果與實測水位對比圖

2.4.2糙率選取

一維河網模型糙率的選擇參照《沂沭泗河東調南下續建工程實施規劃（修訂）》中的設計糙率資料。韓莊運河主槽糙率：15k以上為0.026，15k～臺兒莊閘（樁號36+152）為0.025，臺兒莊閘下～省界（樁號42+708）為0.0225。灘面糙率：臺兒莊閘上為0.04，臺兒莊閘下～省界為0.033。

中運河設計糙率：主槽0.0225；淺槽0.025；灘地0.033。

2.5模型驗證

模型選取2003實際洪水進行驗證，上邊界為2003年韓莊樞紐泄流流量過程，下邊界為灘上集的水位與流量關系，驗證萬年閘閘下水位。

根據模型計算2003年發生洪水時，韓莊運河、中運河河道萬年閘閘下處水位模擬結果與實測水位對比圖見圖3，水位對比表1。

表1 2003年洪水韓莊運河、中運河河道萬年閘閘下水位模擬結果表（單位：m）

根據水力學模型驗證要求：驗證結果與實際洪水的最大水位誤差（實測水位與計算水位之差絕對值的最大值）≤20cm，滿足模型精度。

3 不同設計洪水下防洪能力分析

韓莊運河、中運河及駱馬湖工程已經實施完成，堤防標準達到50年一遇設計標準，因此本次模型模擬兩種工況下洪水演進過程（南四湖遭遇50年、100年一遇洪水韓莊樞紐下泄洪水時，韓莊運河、中運河洪水演進過程）。南四湖遭遇50年、100年一遇設計洪水韓莊樞紐下泄洪水，韓莊運河、中運河各節點水位成果表，見表2。

表2 設計洪水下韓莊運河、中運河各節點水位成果表（單位：m）

圖4 韓莊運河、中運河在100年一遇設計洪水下最高水位圖

根據表2可以看出韓莊運河、中運河在P=2%的洪水條件下，堤防超高（堤防高程與洪水位的高差）基本上都達到2m，滿足堤防超高要求。因此，在南四湖遭遇50年一遇的洪水時韓莊運河、中運河按設計流量下泄洪水時，堤防不會發生危險。在P=1%的洪水條件下，堤防超高均在1.5m以下，不滿足堤防超高要求。因此，南四湖遭遇50年一遇的洪水時韓莊運河、中運河按設計流量下泄洪水時，堤防可能會發生危險。

根據圖4看出，在南四湖發生100年一遇洪水時，韓莊運河右堤樁號43+038～43+500、57+695～60+695和左堤樁號54+901～56+695低于設計水位，堤防會發生漫溢。

4 結論

本文通過對韓莊運河、中運河建立MIKE11水動力模型，分別對50年、100年一遇設計洪水進行洪水演進模擬，計算出各個斷面的水位、流量，校核現狀堤防的防洪能力。根據計算結果，南四湖發生50年一遇設計洪水時韓莊樞紐下泄洪水，韓莊運河、中運河能夠安全下泄洪水；當南四湖發生100年一遇設計洪水時韓莊樞紐下泄洪水，韓莊運河、中運河堤防超高不夠，且局部堤防段會發生漫溢。因此建議在堤防漫溢處加固堤防，在南四湖發生超標準洪水時，盡量減少人民財產損失■