MIKE11水動力模型在鹽城市黃河故道治理中的應(yīng)用

呂 軍，王 霞，張麗媛

(鹽城市水利勘測設(shè)計研究院，江蘇 鹽城 224001)

河道規(guī)模論證水面線計算傳統(tǒng)方法一般采用對應(yīng)洪峰流量的恒定非均勻漸變流方程，在河道較為順直、支流較少且渠化設(shè)計的河道往往能取得滿意的結(jié)果。鹽城市黃河故道為一條兼具行洪、排澇、灌溉等功能的流域性河道，沿線支流、攔河建筑物較多，河道排澇行洪過程與上游水位、下游潮位以及沿線水利工程運行關(guān)系密切，傳統(tǒng)的計算方法難以準確模擬河道的排澇過程。

MIKE系列軟件具有計算穩(wěn)定、精度高、可靠性強等特點。其中MIKE11河流模型的核心是水動力模型(HD模型)，廣泛應(yīng)用于一維非恒定流計算，能方便靈活地模擬復(fù)雜河網(wǎng)水流、閘門、水泵等各類水工建筑物。

本文基于MIKE11軟件建立鹽城市黃河故道水動力模型，對模型進行率定、驗證，并對河道的整治標(biāo)準進行確定和復(fù)核，為相關(guān)工程的設(shè)計、實施以及決策提供依據(jù)。

1 黃河故道概況

黃河故道是黃河侵泗奪淮形成的一條高水河道，西起河南省蘭考東壩頭，流經(jīng)豫、魯、皖、蘇四省，至江蘇省濱海縣套子口入黃海。黃河故道沿線地勢高亢，是淮河與沂沭泗水系的分水嶺，是一條明顯高于兩岸的“懸河”，威脅沿線城市和兩岸地區(qū)的防洪安全。

鹽城境內(nèi)黃河故道地涵以下至老閘之間段河道過水?dāng)嗝妾M窄，兩岸堤防高程嚴重不足，無法滿足分泄淮河流域及區(qū)域洪水的重任，亟需實施黃河故道治理，以提高流域及區(qū)域防洪排澇標(biāo)準。

2 模型建立

2.1 基本原理

河流數(shù)學(xué)模型是研究水體隨時間和空間運動的重要手段之一，采用非恒定流計算方法能較好的反映黃河故道洪水排澇實際情況，本工程計算采用一維非恒定水動力學(xué)模型，對黃河故道地區(qū)進行模型計算。

2.2 模型參數(shù)

黃河故道河網(wǎng)包括黃河故道干河以及灘地上的排澇支河，干河總長162.9km，支河總長約18.7km，河網(wǎng)模型示意圖如圖1所示。

圖1 河網(wǎng)模型示意圖

模型相關(guān)參數(shù)設(shè)置包括：

(1)采用淮陰等9個雨量站雨量資料，將流域分為五個雨區(qū)。計算得，黃河故道地區(qū)10、20年一遇3d設(shè)計降雨分別為217.8、264.4mm，凈雨分別為138.5、196.5mm。

(2)堤防間泓灘地澇水根據(jù)設(shè)計凈雨推求流量過程自排入黃河故道干河，入河網(wǎng)模型計算。

(3)渠北抽排流量、黃河故道分洪流量根據(jù)實際分洪點和泵站位置在模型流量邊界文件中設(shè)置。

(4)黃河故道穿通榆河地涵在模型中根據(jù)實際涵洞底、頂高程、涵洞凈寬等數(shù)據(jù)進行設(shè)置；楊莊閘、古黃河節(jié)制閘、濱海擋潮閘3座建筑物按設(shè)計資料設(shè)定底板高程、閘孔規(guī)模等參數(shù)。

(5)黃河故道斷面均為實測斷面，潮型采用中山河閘下海口設(shè)計潮型。

(6)計算時當(dāng)內(nèi)河水位高于閘下潮位時開閘排水，當(dāng)內(nèi)河水位低于閘下潮位時關(guān)閘，計算步長為15s。

2.3 模型率定與驗證

采用黃河故道地區(qū)2010年6月1日—7月31日資料對模型進行率定。資料分為兩個時間段，6月1日—6月25日為灌溉期，以上游楊莊閘實測水位過程和下游濱海新閘實測流量過程為邊界，主要通過計算關(guān)灘站的節(jié)點水位、流量過程與對應(yīng)的實測水位、流量過程比較進行；6月26日—7月31日為排澇期，以上游楊莊閘和下游濱海新閘實測流量過程為邊界，主要通過計算濱海新閘的節(jié)點水位過程與對應(yīng)的實測水位過程的比較進行。

2.3.1率定參數(shù)

模型計算的主要參數(shù)為河道糙率。根據(jù)相關(guān)規(guī)范及已建水動力模型的驗證率定，河道糙率干河楊莊閘—童營為0.030、童營—中山河閘地涵下故道和支河為0.025。

2.3.2驗證結(jié)果

模型驗證分灌溉與排澇兩個時期，驗證成果見表1及圖2—4所示。由表1、圖2—3可見，灌溉期關(guān)灘站水位、流量過程線基本吻合，水位相對誤差在0%～2.04%，流量相對誤差在0%～14.7%。

由表1、圖4可見，排澇期濱海新閘水位過程線基本吻合，相對誤差在0%～6.88%，最高水位相對誤差為0.92%。

上述結(jié)果總體上是合理的，所建立的計算模型符合流域洪水演進的特性，該模型的率定參數(shù)符合要求，模型可用于本次各方案的洪水演進計算。

表1 水位、流量驗證成果

圖2 灌溉期關(guān)灘站水位驗證結(jié)果

圖3 灌溉期關(guān)灘站流量驗證結(jié)果

圖4 排澇期濱海新閘水位驗證結(jié)果

3 現(xiàn)狀工況復(fù)核

現(xiàn)狀工況復(fù)核成果見表2。其中現(xiàn)狀排澇能力復(fù)核采用故道10年一遇降雨遭遇渠北抽排工況疊加，渠北抽排流量311m3/s。根據(jù)模型計算成果，現(xiàn)狀工情下地涵、中山河閘最大日均過閘流量分別為322m3/s、469m3/s，地涵下水位為▽7.0m，高于地涵下控制水位▽6.0m，同時高于現(xiàn)狀地涵下兩側(cè)灘面平均高程約2.0m。

現(xiàn)狀防洪能力復(fù)核，采用故道10年一遇降雨遭遇渠北抽排和楊莊閘分洪工況疊加，渠北抽排流量311m3/s，楊莊閘分洪流量200m3/s。根據(jù)模型計算成果，現(xiàn)狀工情下地涵、中山河閘日均過閘流量分別為479、575m3/s，低于其設(shè)計排澇能力標(biāo)準，地涵下、大有鎮(zhèn)兩節(jié)點水位分別達到7.60、5.99m，均超出了兩處現(xiàn)有已建堤防承受能力。

表2 黃河故道現(xiàn)狀排澇、防洪能力復(fù)核成果表

4 整治規(guī)模

4.1 整治規(guī)模確定

本次黃河故道整治標(biāo)準防洪按故道10年一遇洪水和楊莊閘分洪200m3/s及渠北地區(qū)抽排疊加；除澇按故道10年一遇洪水和渠北地區(qū)抽排疊加。

結(jié)合河道斷面測量圖、現(xiàn)狀河道復(fù)核成果，對不同河道疏浚標(biāo)準進行分析試算。經(jīng)計算，僅對大有鎮(zhèn)以上河道疏浚或者僅對大有鎮(zhèn)以下河道疏浚，都不能滿足河道防洪排澇要求。因此，需要對地涵下段河道進行全線治理。

通過地涵下黃河故道干河不同河段不同標(biāo)準進行多次試算，最終確定黃河故道干河治理標(biāo)準見表3。

根據(jù)計算，按照上述標(biāo)準整治后，整治后河道防洪、排澇沿程水面比降整體趨緩。防洪工況地涵下水位為6.46m，大有鎮(zhèn)節(jié)點水位為5.22m；排澇工況地涵下水位為5.90m，小鬼灘節(jié)點水位為4.90m，基本滿足本次河道整治原則要求。整治前后水位對比如圖5所示。

圖5 黃河故道沿線防洪、排澇水位線對比

表3 鹽城市黃河故道整治標(biāo)準表

4.2 整治規(guī)模復(fù)核

各規(guī)劃工況控制節(jié)點水位線滿足整治的要求，需對流速進行進一步復(fù)核，以不小于1.0m/s(不沖流速)。

整治前，從流速分布看，黃河故道上段河道受斷面約束影響，流速較緩，黃河故道下段斷面逐漸擴大，流速變大。現(xiàn)狀排澇工況流速大于1.0m/s分布范圍主要在新建村支渠上400m～淤黃河下500m，康莊三站上1.7km～站下0.8km，康莊二站下500m～后地龍小閘，老閘下3～5.5km。現(xiàn)狀防洪工況流速大于1.0m/s分布范圍主要在新建村支渠上400m～淤黃河下500m，康莊三站上1.7km～老閘，老閘下2.5km～老閘下8km。

經(jīng)模型驗算，整治后排澇工況下流速大于1.0m/s范圍主要位于地涵上1.2km范圍及老閘下2.8km范圍；防洪工況下流速大于1.0m/s范圍主要位于地涵上1.5km范圍及老閘下2.5km范圍。黃河故道干河治理工程整治前后最大流速分布如圖6所示。整治后黃河故道地涵下河道流速基本滿足工程流速控制要求。

圖6 黃河故道整治后防洪、排澇工況沿線最大流速變化圖

5 結(jié)語

采用MIKE11模型模擬黃河故道行洪排澇過程，結(jié)果顯示：模擬結(jié)果符合現(xiàn)有實測資料；模型運行結(jié)果表明，黃河故道現(xiàn)狀防洪排澇能力不足；通過試算確定河道整治范圍和整治標(biāo)準，整治后規(guī)劃工況各控制節(jié)點水位、流量滿足河道整治的要求。因此，MIKE11水動力模型在黃河故道整治工程中，具有較好的模擬精度，對此類小流域干河治理工程的規(guī)模確定具有較好的應(yīng)用價值。

模型采用了實測資料對模型進行率定，但模型運行結(jié)果受糙率取值、邊界設(shè)定等因素影響較大。建議在工程竣工后，進一步對比模型規(guī)劃工況模擬結(jié)果與實測結(jié)果，對模型的可靠性和準確度進行深入分析。