基于Mike11一維河道潰決模型的暗渠洪水風險分析

趙蕾蕾 張玉杰

（河南省水利勘測設計研究有限公司）

1 研究區域概況

1.1 自然地理

輝縣東河屬海河流域漳衛河水系百泉河支流，衛河（共產主義渠）二級支流，發源于輝縣太行山南麓方山，流經窯村出山，南下經雷莊、大官莊，至輝縣市東南入百泉河，于新鄉縣北注入衛河，干流長12.50 km。輝縣東河流至大官莊村東與總干渠相交，交叉斷面以上集水面積17.10 km2，干流長7.50 km，干流平均坡降為21.50‰，流域形狀似帶狀，地勢北高南低，由北向西南傾斜。流域內為山丘區，山區河段為峽谷，局部基巖裸露，交叉處河床由壤土組成。輝縣東河為季節性河流，平時河床干涸，河道內種植農作物，兩岸樹木較少。

1.2 區域地物

總干渠運行以來，輝縣東河下游邊界條件發生了較大變化，主要有四個變化：①由于輝縣縣城快速發展，河道兩側已發展為城市，導致輝縣東河下游河道束窄，行洪斷面減小。②輝縣東河暗渠交叉斷面下游約500 m 處輝常路上阻水涵洞拆除后，修建輝常路橋，橋下為3 孔7 m×6 m 的橋孔。③位于總干渠上輝縣東河暗渠下游的楊莊溝渡槽改變下游原行洪通道，在楊莊溝排水渡槽出口海漫段下游的溝道右岸，開槽設置進水口，經由總干渠右岸永久占地線以外往北，在輝常路處轉向西，沿輝常路往西排水，在輝常路橋處入輝縣東河。④輝縣東河暗渠交叉斷面下游700 m處，幸福橋兩孔橋孔阻水。

1.3 風險分析

①輝縣東河暗渠交叉斷面輝縣東河水位超過設計值較大，洪水漫溢進入總干渠，威脅到總干渠安全；②楊莊溝洪水將于輝常路處匯入輝縣東河。在遭遇洪水時，若輝縣東河水位高，楊莊溝洪水出流不暢，甚至輝縣東河洪水會倒灌楊莊溝排水渡槽，進而威脅總干渠安全。

為了保證總干渠安全，發生洪水時，輝縣東河暗渠交叉斷面水位不能超過設計值，同時輝常路處水位不能超過楊莊溝涵洞頂高程。

文章采用Mike11 一維水動力模型模擬在現狀地形、地物條件下的輝縣東河洪水潰決演進過程，分析洪水對總干渠及輝縣東河上下游城區可能產生的風險，提供相應的工程措施建議，保證總干渠的安全，也為中線工程汛期應急搶險提供決策支撐。

2 模型分析

2.1 模型原理

MIKE 11 水動力學模型的微分方程是一維明渠非恒定流方程，即圣維南（Saint-Venant）方程組。具體形式為：

式（1）和（2）中：t 為時間坐標；x 為河道沿程坐標；Q 為流量；Z 為水位；A 為過水斷面的面積；B 為水面寬度；K 為流量模數；g為重力加速度；q為旁側入流流量。

式（3）中：n為河道糙率系數；R為水力半徑。

MIKE 11采用六點Abbott-Ionescu 有限差分格式對圣維南方程組進行離散，離散后的方程組用追趕法求解。該離散格式在每一個網格點并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，如圖1所示。

圖1 六點有限差分格式水位點、流量點交替布置示意圖

2.2 模型構建

2.2.1 河道斷面

利用無人機測量了輝縣東河附近地形及河道斷面，利用航測資料，每隔100 m提取一個斷面，構建斷面文件，生成了計算范圍0+000（上游）～2+500（下游）內共26個斷面，其中輝縣東河暗渠位于1+000 斷面，該斷面數據采用總干渠設計斷面值。輝常路橋位于1+500斷面，幸福橋位于斷面1+700斷面。

2.2.2 河道建筑物概化

河道上共有兩個建筑物，分別為改建后的輝常路橋（3 孔7 m×6 m 的橋孔）和幸福橋（共一孔半，其中半孔不過水，單孔為城門洞型10 m×3 m）。模型設置上將兩座橋梁概化為涵洞與寬頂堰的組合建筑物，水位低的時候，水流過涵，水位過高時，變為涵洞的有壓流，同時出現堰流，模型會根據水位自動調整采用堰流公式或者有壓流公式進行計算。

考慮到洪水實際演進情況，在輝常路橋和幸福橋處洪水會大量集中漫溢，所以在模型中，這兩處均設置潰口，進行潰口潰決模擬，當水位超過橋面高程時，洪水沿橋面向周圍漫溢，隨周圍地勢繼續演進。

2.2.3 邊界條件

模擬采用輝縣東河遭遇5、10、20、50 和200 a 一遇共5 個洪水量級。模型共設置3 個邊界條件，上邊界0+000 處為5 個頻率對應的洪峰流量，下邊界2+500 處為該斷面的水位流量關系，最后一個為輝常路橋處楊莊溝渡槽入流輝縣東河，該入流作為點源在輝常路橋處加入。

2.2.4 參數選取與模型驗證

一維模型中涉及到的參數主要為河道糙率，根據查勘情況，結合設計階段輝縣東河糙率值，初步選取糙率值，通過模型計算不斷調試，最終確定輝縣東河主槽糙率為0.03、灘地糙率為0.06。

模型驗證與總干渠設計標準和校核標準一致，選取50 a和200 a 一遇兩個工況，同時河道沿程不漫溢，河道建筑物也與設計階段一樣，通過模型計算出輝縣東河沿程水面線，并選取輝縣東河暗渠處洪水位與總干渠設計值對比分析，對比結果見表1。結果顯示，模型計算結果均高于總干渠設計值，差值較小，均不超過0.20 m，精度滿足要求，說明模型是可靠的。

表1 模型計算結果與總干渠設計結果對比情況表

2.2.5 洪水方案

采用最不利洪水組合，輝縣東河上游洪水頻率對應相同頻率楊莊溝涵洞入流組合，計算中有5、10、20、50 和200 a 一遇共5個頻率洪水組合。

3 模擬結果

通過模型計算，得到了現狀地形及行洪邊界條件下5 中工況輝縣東河沿程水面線。經過計算結果分析，①總干渠交叉斷面處50 a 和200 a 一遇水位均低于總干渠設計階段水位成果，對總干渠安全。②只有在5 a 一遇時輝常路橋處水位低于楊莊溝涵洞頂高程106.00 m，輝縣東河洪水不會倒灌入楊莊溝，洪水頻率高于5 a 一遇就可能倒灌楊莊溝，威脅總干渠的安全。所以現狀邊界條件對總干渠存在很大的風險。

從計算結果來看，幸福橋處水位落差接近1 m，明顯是幸福橋的阻水作用推高了上游水位，如果將幸福橋拆除，輝常路橋處水位就會降低很多，也許可以滿足總干渠防洪要求。為了尋求更合理的方案，排出總干渠的防洪安全隱患，將上述模型調整，拆除幸福橋，模擬計算5個工況下水面線。

從調整后結果分析，幸福橋拆除后，輝常路橋處的水位降低明顯，200 a 一遇洪水時，輝常路橋水位為105.38 m，低于楊莊溝涵洞頂高程106.00 m，不會威脅到楊莊溝的安全，同時總干渠處水位也明顯降低，50 a 和200 a 一遇洪水時，總干渠處水位分別低于設計結果1.74 m和1.81 m，總干渠也是安全的。

4 結論

①為了分析輝縣東河暗渠下游邊界條件改變后，洪水對總干渠的風險，文章基于Mike11 軟件，以輝縣東河為研究對象，建立輝縣東河一維河道潰決水動力模型，模擬計算了輝縣東河在現狀邊界條件下的洪水潰決演進過程，得到了5種工況下輝縣東河沿程水面線。②通過模擬計算結果來看，現狀邊界條件改變后，洪水對總干渠的安全有很大威脅，風險很大。經過調整下游邊界，模擬得出，拆除幸福橋以后，總干渠的洪水風險基本消除。為了保證總干渠安全，建議拆除幸福橋。