基于MIKE FLOOD的杜家臺分蓄洪區運用調度研究

孟長青　周建中　徐少軍　江焱生　孫懷衛

摘要：運用MIKE平臺建立杜家臺蓄洪區行洪道MIKEll一維河道模型，模擬并分析了紅星垸堤刨毀前后的分洪道行洪能力。同時搭建MIKE21分洪區二維模型，并利用MIKE FLOOD動態耦合一、二維模塊，以此為平臺研究杜家臺分蓄洪區分蓄漢江夏、秋洪水與長江洪水時的調度工況。結果表明：紅星垸堤刨毀后分洪道寬度增加，顯著降低了該處分洪道上游的洪水水位，提高了分洪道分洪能力；漢江低量級來水情況下，杜家臺只需運用南區1～4垸分洪，而高量級來水下杜家臺需運用1～7垸分洪；長江分洪時，處于下游的第6垸分洪能力顯著，最終可解除第7、9垸的風險，只需運用1～6垸。現有防洪工程中第5、6垸分洪速度較慢且分洪量小，而處于最上游的第2垸分洪量大且分洪較快，導致與其相臨的1～4垸洪水超高，危及7、9垸，故7、9垸堤頂亟待加高，同時5、6垸分洪能力需要增強。

關鍵詞：MIKE21；MIKEll；MIKE FLOOD；分洪運用；行洪能力；杜家臺分蓄洪區

1概述

分蓄洪區是我國江河防洪體系中重要的組成部分，在防汛緊急關頭能夠發揮削減洪峰、蓄滯超額洪水的重要作用，是防洪調度的重要手段和有效措施。湖北省杜家臺分蓄洪區是漢江下游和長江中游防洪體系的一部分，1956年4月杜家臺分洪閘建成運用，至1970年黃陵磯閘建成后，形成了由杜家臺分洪閘、洪道、蓄洪區（泛區）、黃陵磯泄洪閘等四部分組成的杜家臺分蓄洪區，見圖1。杜家臺分蓄洪區上接漢江（起點位于杜家臺分洪閘，漢江干堤右岸中心樁號126+200處），下連長江（終點在黃陵磯閘，距長江主河道約5 km），處于通順河水系的下游。獨特的地理位置使其具備分蓄漢江和長江洪水的雙重功能，同時也具備漢江洪水經洪道直接行洪入長江的條件。當漢江分洪而長江水位較低時，漢江洪水可經洪道行洪入長江；當漢江分洪流量有限而長江中水過峰時，可將分入的漢江洪水暫時滯蓄于分洪區內，待長江洪峰過后再泄入長江；當長江發生特大洪水時，分蓄洪區還可容納16億m3長江超額洪水。

對于杜家臺分蓄洪區水動力數學模型的研究已有一些成果，如翁朝暉等建立了一維非恒定流洪水演進水動力數學模型，對杜家臺分洪道的行洪能力進行研究，表明利用分洪道分流行洪“夾水出江”的運用模式是可行的：曹志芳等建立了河網區非恒定水沙數學模型，采用汊點分組方法求解水流方程組，并把所建模型應用于漢江杜家臺分蓄洪區的水沙運動模擬：覃蓮超等建立了一維河網數學模型，模擬杜家臺分蓄洪區洪道、漢江干流仙桃到河口以及長江干流螺山到漢口河段的洪水演進情況；鄭敬偉等利用二維水動力學方法進行洪水淹沒計算，結合杜家臺分蓄洪區土地利用狀況，進行了災情分析和損失評估，根據淹沒水深與到達時問計算結果，疊加必要的基礎信息和輔助信息，制成了完整的洪水風險圖。前人對杜家臺分蓄洪區數學模型的研究主要針對分蓄漢江來水的行洪、分洪建模，而杜家臺兼有分蓄漢江和長江洪水的雙重功能，對于分蓄長江洪水的研究卻少有涉及，隨著杜家臺分蓄洪區續建配套工程的完善，依據規劃設計標準，外包線圍堤按防御周幫分洪最高水位28.15 m設計（前期按防御周幫分洪最高水位26.65 m作為控制運用的條件），杜家臺分別分蓄漢江和長江洪水時能否順利實施調度方案，兩種方案的差異與可能面臨的問題都需進一步研究。此外，受計算機技術限制，前人所建模型比較簡單。而丹麥水力學研究所開發的MIKESHE軟件具有簡單、快速、精確、可視性好等優點，在國內外大型工程中得到廣泛應用。綜合以上因素，筆者運用MIKE平臺分別建立MIKE11行洪道一維河道模型和MIKE21分洪區二維模型，并利用MIKEFLOOD動態耦合一、二維模塊，以此為平臺研究杜家臺分蓄漢江洪水與長江洪水時的不同分洪工況，并對杜家臺分蓄洪區的分洪效果進行研究，以期更好地為運用預案和防洪工程建設提供技術支撐。

2杜家臺分蓄洪區一、二維耦合模型的建立

2.1研究范圍

杜家臺分蓄洪區的研究范圍：西面以洪道右堤和西圍堤為界，南面以東荊河堤和長江干堤為界，東面以新合堤為界，北面以北圍堤為界，包括洪道以南的13個圍垸、洪道以北的14個圍垸（紅星垸與三羊垸已刨毀）。

杜家臺洪道的研究范圍：以漢江鄢灣彎道處的杜家臺分洪閘為起點，以通順河出口段黃陵磯閘為終點。

2.2杜家臺洪道一維河網搭建

杜家臺洪道斷面設置：杜家臺洪道從杜家臺閘至黃陵磯閘，全長73.85 km。洪道內共設置86個斷面，斷面間距變化范圍為0.6-3.0 km，斷面數據采用2011年實測資料，缺少部分由1998年資料補充。同時靠近黃陵磯閘的沿河垸、周家墩垸、趙家垴垸、香城垸、鴛龍山垸、荒五里垸、黃石畈垸在分洪時即扒開，故全部歸入一維河道處理，不單獨考慮成垸。

2.3杜家臺分蓄洪區二維區域建模

對杜家臺分蓄洪區進行網格剖分，模型形成網格67 483個，其中最小網格面積1 614.86 m2，最大網格面積12 898.41 m2，計算總面積497.344 km2。區域內計算單元圍垸邊界（不含二維邊界部分）采用堰（weirs）模擬：計算單元圍垸內部圍垸邊界采用加高網格地形的方式模擬；阻水道路為漢洪高速，其土基段采用修改局部網格地形的方式模擬，橋梁段若有橋墩，則采用橋墩進行模擬，其他部分不作處理。一、二維耦合邊界為實際爆破口門，模擬方法為虛擬河道加閘門控制開啟，更多MIKE操作細節可參考文獻。

2.4計算方案

2.4.1分蓄漢江洪水時的兩種工況

（1）秋季漢江發生1983年型200 a一遇洪水，杜家臺分洪閘一次性全開，最大分洪流量為5 300 m3/s，當分洪量達到丹江口水庫加高后杜家臺200 a一遇設計分洪量時，關閉杜家臺分洪閘；長江黃陵磯閘開啟，閘外水位采用漢口水位23.15 m對應的黃陵磯水位23.41 m。

（2）夏季洪水、受長江干流頂托影響情況，漢江發生1935年型200 a一遇洪水，杜家臺分洪閘一次性全開，最大分洪流量為5 300 m3/s，當分洪量達到丹江口水庫加高后杜家臺200 a一遇設計分洪量時，關閉杜家臺分洪閘，長江黃陵磯閘關閉。

2.4.2分蓄長江洪水時的一種工況

杜家臺分洪閘關閉，黃陵磯閘開啟，長江發生放大1998年實測洪水至螺山站最大流量70 000 ma/s的洪水。

由于歷史上長江、漢江洪水遭遇概率較小、時間較短，更未出現過同頻率洪水遭遇的惡劣情況，因此計算方案不再考慮兩江洪水遭遇的情況。

2.5調度規則

《杜家臺分蓄洪區運用預案》（2014版）指出：分蓄洪區內各控制運用圍垸破口蓄洪原則為先洪道以南，再洪道以北，后通順河以南。圍垸逐個或同時扒口，不足時再運用洪北垸、銀蓮湖垸、上東城垸，遇特大洪水時，最后運用保豐垸和下東城垸。杜家臺二維分蓄洪區共27垸，有8垸分洪前扒開，與洪道同時分洪，模型計算時各垸依據地形與堤頂高程情況將二維計算范圍內的19個圍垸分為九大垸（圍垸1～9），每個大垸設置一個爆破口門，分洪時依次爆破。

根據《杜家臺分蓄洪區運用預案》（2014版），各垸爆破順序見表1。

2.5.1漢江洪水爆破口門分洪條件

《杜家臺分蓄洪區運用預案》（2014版）指出：當利用洪道調蓄和黃陵磯閘泄洪仍不能控制周幫水位上漲，預計周幫水位將超過控制水位28.15 m時，依照1～9大垸順序依次爆破圍垸。

2.5.2長江洪水爆破口門分洪條件

由于《杜家臺分蓄洪區運用預案》（2014版）未分別對漢江與長江來水進行調度的具體方案，筆者首先依據周幫控制蓄洪水位28.15 m控制1-9垸依次爆破圍垸。而試算結果表明，該方案洪道下游段將出現30 m的超高水位，行洪道洪水將漫堤直接淹沒8、9垸。為此，采用了更為合理的調度方案進行長江分洪調度，即監測各垸爆破口門前水位。當水位達到垸堤頂高程以下1.5 m時，爆破垸口門進行分洪。

2.6糙率率定

本研究河網模型采用2005年漢江、杜家臺行洪道各水文（位）站的實測水位、流量資料進行率定；采用2011年漢江、杜家臺行洪道各水文（位）站的實測水位、流量資料進行驗證，糙率取值見表2。本次計算根據水力學手冊的糙率經驗值選取杜家臺分洪區不同土地利用類型的糙率值。若某網格內含有多種地形，則按照各地形糙率的加權平均值確定該網格的糙率。

3計算結果分析

3.1紅星垸堤創毀前后行洪道行洪能力測試

行洪道原紅星垸堤段斷面狹窄、嚴重阻水，已于2011年刨毀。筆者首先模擬1 500 m3/s恒定流量人流情況紅星垸堤扒開前后行洪道過水能力（未扒開稱為窄斷面，扒開稱為寬斷面），黃陵磯閘下邊界為漢口水位25.00 m對應的黃陵磯閘外江水位23.41 m。如圖2所示，從零時刻起算，初始時刻分洪道前段水位有波動，6 h 3 min寬斷面洪道水流推進至洪道末端，而窄斷面在5 h 56 min水流推進至洪道末端，6 h前兩方案水位過程接近。12 h時洪水繼續向下游演進，此時里程2 000-3 000 m處，窄斷面水位比寬斷面水位最大高出1 m，而其前后兩端水位接近。至24 h行洪道水位繼續上升，里程0至27 788 m處水位差從小到大遞增。48-144 h行洪道水位變化不大，這是因洪道內水流過程趨于穩定所致。此外，24 h 4 min窄斷面洪道里程73 803 m處水位到達23.41 m。而24 h48 min寬斷面洪道里程73 803 m處水位到達23.41 m，兩方案在對應時刻打開黃陵磯閘排水入江。紅星垸刨毀后斷面下游水位上升較窄斷面時慢，故黃陵磯開閘較晚，但其過閘流量過程線線型與窄斷面時相近。

為反映不同量級來水情況下的寬、窄斷面行洪能力，筆者模擬了流量3 000 m3/s與4 500 m3/s時的行洪情況，結果顯示大流量下行洪道水位分布同1500m3/s流量下類似，最終水位穩定后里程27 788 m處以上寬、窄斷面行洪道內水位差從大到小遞減。此外，洪水量級越大，水位差越大，而27 788 m處以下水位相差較小。在下游水位到達23.41 m的時間上，隨著洪水量級增大，寬斷面比窄斷面依次慢44、33、30 min（篇幅所限，不再展示3 000 m3/s與4 500 m3/s流量行洪過程）。

3.2漢江來水方案測試

3.2.1秋季1983年型200 a一遇洪水

秋季1983年型200 a一遇洪水方案下各垸分洪過程見圖3。從零時刻算起，12 h時圍垸1閘前水位高于閘后水位，故爆破該圍垸閘門，人流量穩步上升。28 h 14 min周幫水位達到控制水位28.15 m，此時爆破圍垸2閘門，因圍垸2口門在行洪道上游，分洪能力顯著，故周幫水位迅速下降，此時圍垸1流量有所下降。45 h 24 min黃陵磯閘前水位到達23.41 m，打開黃陵磯閘排水入江，其流量過程見圖3（流量為正即圍垸入流，為負即出流）。48 h時，圍垸2裝滿水且水漫堤進入圍垸4，圍垸1裝滿漫入圍垸4。72 h時，圍垸1、2繼續分洪，圍垸1水漫堤進入圍垸3，此時圍垸1-4皆被洪水淹沒。各垸分洪水深過程見圖4～圖7。分洪前初始水深見圖4，圍垸5、7有明顯的積水，圍垸4、6有少量的積水。分洪后20 h，圍垸1入口（張沉湖）最大水深已超過0.95 m（見圖5），蓄水能力顯著。分洪后28 h 20 min，圍垸2入口處洪水向南邊低洼處積聚，而圍垸1水深已超過2.4 m（見圖6）。此后，圍垸2迅速蓄滿漫過垸堤淹沒圍垸4，且向圍垸1、3演進。78 h時分洪結束，各圍垸最終淹沒水深見圖7。

3.2.2夏季1935年型200 a一遇洪水

各圍垸分洪過程見圖8。從零時刻算起，6 h30 min圍垸1閘前水位高于閘后水位，故爆破該圍垸1閘門，人流量穩步上升；31 h 1 min，周幫水位達到控制水位28.15 m，此時爆破圍垸2閘門，由于圍垸2口門在行洪道上游，分洪能力顯著，因此周幫水位迅速下降。79 h 38 min，圍垸1-4水位全境達到27.00 m，而與圍垸3相鄰的圍垸7、9有被漫堤的危險，故此時打開圍垸5、6的閘門分洪。圍垸5、6打開后，圍垸1出現倒流后又入流的周期性過程。圍垸2人流仍為正，導致1-4垸水位繼續升高，81 h其全境水位到達27.60 m，有漫過垸堤進入7、9垸的危險，為保護圍垸9的安全，此時扒開圍垸7分洪。圍垸7分洪能力顯著，最終使得南片圍垸水位降低，解除了圍垸9被淹沒的危險。138 h分洪結束，各圍垸最終淹沒水深見圖9。

3.3長江來水方案測試

各圍垸分洪過程見圖10。從零時刻算起，1 h時圍垸1閘前水位高于閘后水位，故爆破該圍垸1閘門，人流量穩步上升；41 h時，圍垸1水流漫堤將圍垸3、4全部淹沒并漫入圍垸2。50 h 2 min圍垸5閘前水位達到堤頂以下1.5 m，此時爆破圍垸5閘門。58 h圍垸6閘前水位達到堤頂以下1.5 m，此時爆破圍垸6閘門。由圖10看出，圍垸5遠離黃陵磯閘入口，人流量較小，而圍垸6開始時人流迅猛且影響行洪道水位變化，水位變化又影響其流量過程。而在圍垸5、6開啟后，圍垸1流量出現入水退水的多次反復。110 h 30min分洪結束，各圍垸最終淹沒水深見圖11。

3.4對比分析

（1）紅星垸堤狹窄段使得洪道里程27 788 m以上水位壅高，而對27 788 m以下段水位影響不大，并且洪量越大，水位壅高越顯著，洪水漫堤入垸的危險性越高。而窄斷面情況下，下游水位升高較寬斷面時更快，可提前打開黃陵磯閘排水入江，但其時間不超過1 h。總體來說，相同來水下紅星垸堤刨毀后寬斷面洪道水位上升較慢，洪道可以蓄滯更多的洪水，可減少各圍垸受災損失。

（2）區域內蓄水量滿足水量平衡是檢驗計算結果準確性的基本保證，為此需要對區域內水量是否平衡進行檢驗。針對3套模擬方案，表3列出了每套方案的洪水方案實際入洪量、黃陵磯閘排水量（針對漢江來水方案）、行洪道蓄水量以及分洪區蓄水量，并列出了模擬蓄水值的相對誤差。由表3可知，模擬值與實際入洪量接近，計算可知模擬值相對誤差均在±1%以內，滿足水量平衡要求。漢江洪水方案與長江洪水方案的洪水計算結果能夠為洪水風險分析提供參考（1983年200 a一遇洪水方案簡稱83_200，1935年200 a一遇洪水方案簡稱35_200，長江來水70 000 m3/s方案簡稱長江7萬）。

（3）漢江秋季洪水來水較夏季小，且黃陵磯閘外水位低，洪水可通過黃陵磯閘排水入江，減輕杜家臺分蓄洪區分洪壓力，減少受災損失。夏季低量級來水情況下，杜家臺分蓄洪區只需運用南區1-4垸分洪，而夏季高量級來水下杜家臺分蓄洪區需運用1-7垸分洪，夏季方案分洪時5、6垸雖未裝滿，但2垸入水較大，導致1-4垸水位上升較快，3垸洪水將要漫堤淹沒與其相接的7、9垸，故爆破7垸以保護第9垸。而長江分洪時，洪水總量大于35_200方案的，而第6垸處于下游，分洪能力顯著，最終可解除7、9垸的風險，只需運用1-6垸。同時，35_200淹沒范圍明顯大于83-200淹沒范圍，因而相應的蓄洪量、最高水位也較大。長江7萬雖比35_200少運用一個垸，但其最大水深皆比35_200的高。不同方案下各垸最大水深、淹沒面積、蓄洪量見表4。

4結語

（1）本研究搭建了MIKE11杜家臺分蓄洪區行洪道一維河道模型，并計算分析了紅星垸堤刨毀后對行洪道行洪能力的影響，結果顯示：紅星垸堤刨毀后對應斷面以上段的洪水水位顯著降低，保護了該段相接處各垸的安全。

（2）搭建了MIKE21杜家臺分蓄洪區二維模型，并利用MIKE FLOOD動態耦合一、二維模塊，分析了漢江夏季與秋季來水以及長江來水方案下的不同分洪工況。通過模型計算，模擬洪水演進過程，利用可控建筑物監測并動態控制各垸的爆破過程，為滯洪區的防洪及減災提供了決策依據。

（3）統計并分析了不同洪水方案下各垸的受災情況，結果顯示：現有分洪區基礎設施下，分洪夏季200 a一遇洪水時，5、6垸分洪較慢且能力較弱，而處于最上游的2垸分洪能力較強，導致與其相臨的1-4垸洪水危及7、9垸，故7、9垸堤頂亟待加高，同時5、6垸分洪能力需要加強（可加大爆破口門的寬度）。