基于MIKE 11模型的某海島地區(qū)洪水演進模擬

劉俊萍，鄭施涵，吳正中，賀露露，韓 偉，陳偉毅

(1.浙江工業(yè)大學 土木工程學院，浙江 杭州 310023;2.中鐵二院華東勘察設(shè)計有限責任公司，浙江 杭州 310000)

現(xiàn)階段我國城市河道主要以防洪為中心，同時兼顧地區(qū)供水、景觀和生態(tài)[1-3]。然而近年來，隨著城鎮(zhèn)化的迅速發(fā)展，部分河道出現(xiàn)被兩側(cè)障礙物完全阻塞的情況，許多跨河建筑物如橋梁、閘門等年久失修，造成河岸坍塌現(xiàn)象嚴重，給城市的防洪安全帶來了極大的挑戰(zhàn)[4-6]。同時，在全球氣候異常的影響下，多地頻繁發(fā)生極端天氣現(xiàn)象，尤其在夏季暴雨時節(jié)，很多城市都出現(xiàn)了不同程度的洪澇災(zāi)害[7]，不僅影響了城市的正常運行，同時還造成了極大的財產(chǎn)損失[8-9]。因此，從宏觀上對城市洪水進行演進模擬[10-12]，并在此基礎(chǔ)上推動城市河道防洪規(guī)劃研究[13-16]，從而科學地降低城市洪澇災(zāi)害損失顯得尤為必要。國務(wù)院于2011年正式批準設(shè)立浙江舟山群島新區(qū)，同時確立建設(shè)舟山海上花園城市的目標，使得作為舟山群島第五大島的朱家尖自身雨水排澇要求顯著提高，因此其部分河道迫切需要重新進行規(guī)劃調(diào)整以達到防洪減災(zāi)目標。

朱家尖流域?qū)儆诘湫偷暮u流域，流域面積小，其中近七成是山區(qū)。島內(nèi)河流源短流急，匯流歷時較短，洪水易暴漲暴落。若暴雨遭遇高潮位，則河道下泄洪水受潮水頂托影響，無法敞泄，導致洪澇災(zāi)害更加嚴重。目前主要存在兩大問題：一是流域內(nèi)河道管理缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，區(qū)域內(nèi)河道非汛期來水量不大，很多小河道和斷頭河平時水位較低或基本無水，造成河道日益萎縮，且河道內(nèi)水流動性較差，河道淤積現(xiàn)象明顯；二是區(qū)域內(nèi)主要排水河道基本未能構(gòu)成整體性網(wǎng)絡(luò)，且大部分支流短小，相互交錯縱橫，斷頭河較多，嚴重影響行洪安全。筆者以浙江省舟山市朱家尖島為研究對象，通過MIKE 11軟件搭建河網(wǎng)模型，模擬不同閘門調(diào)度規(guī)則以及河網(wǎng)結(jié)構(gòu)的洪水演進過程，比較分析不同閘門調(diào)度規(guī)則與河網(wǎng)結(jié)構(gòu)對河道內(nèi)洪水水位變化的影響，以此對各模型的模擬效果作出評價，從而為朱家尖地區(qū)防洪評價提供參考。

1 研究區(qū)域概況

朱家尖島位于東海海域，舟山群島東南部，是舟山群島中的第五大島，處在北緯29°50′～29°27′，東經(jīng)122°19′～122°26′范圍內(nèi)。其陸域面積為74 km2(包括72 km2的朱家尖本島及其附屬小島)。全島整體呈南北向狹長型，南北長約26 km，北部東西最寬處約9 km，最窄處約1.2 km。島內(nèi)共有大小河道49 條，河流總長82.04 km，蓄水容積148.16 萬m3，水域面積1.3 km2。朱家尖島地理位置如圖1所示。

圖1 朱家尖島地理位置示意圖

2 MIKE 11簡介

MIKE 11是丹麥DHI公司開發(fā)的一款成熟的商業(yè)類型軟件，可用于綜合模擬一維河道洪水演進，涵蓋河網(wǎng)、斷面和邊界條件等因素，也可同時考慮橋、涵洞和水閘等水工建筑物的影響。目前，MIKE 11軟件在洪水預(yù)報、水資源利用和河道防洪等方面均得到了實際的應(yīng)用。

2.1 控制方程

MIKE 11水動力學模型研究某一流域內(nèi)河道的非連續(xù)性水流運動規(guī)律，模型結(jié)果可具體描述河道水流運動的基本特征，模型的控制方程是一維圣維南方程組。其中質(zhì)量守恒方程式和動量守恒方程式分別為

(1)

(2)

式中：x為距離坐標；g為重力加速度；t為時間坐標；A為過水斷面面積；R為水力半徑；C為謝才系數(shù)；Q為流量；q為旁側(cè)入流量。

2.2 數(shù)值離散

利用有限差分法可對圣維南方程中的動量方程和方程進行離散，計算網(wǎng)格由流量點Q和水位點h組成，并在同一時間步長下分別對流量點和水位點進行計算，其計算網(wǎng)格示意圖如圖2所示。

圖2 河道斷面計算網(wǎng)格示意圖

將蓄存寬度bs引入連續(xù)性方程中，則有

(3)

連續(xù)性方程轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

(4)

由式(4)可知：連續(xù)性方程僅與流量Q和x有關(guān)，進而可得到以h點為中心的六點隱式為

(5)

3 模型構(gòu)建

根據(jù)朱家尖海島流域現(xiàn)狀河網(wǎng)，建立MIKE 11模型，通過模擬分析現(xiàn)狀河網(wǎng)存在的問題，并提出相應(yīng)的河道改建與疏浚、拓寬方案，對現(xiàn)狀河網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行調(diào)整(簡稱“調(diào)整河網(wǎng)”)。流域出海口處設(shè)有擋潮閘，可抵擋潮水入侵，同時對流域內(nèi)河道水位進行調(diào)控。

為探究不同閘門調(diào)度規(guī)則對流域防洪排澇產(chǎn)生的影響，提出以下兩種調(diào)度規(guī)則：

1)調(diào)度規(guī)則1：在排澇期，當閘上水位高于0 m時，若閘上水位高于閘下水位時，閘門開啟，否則閘門關(guān)閉。

2)調(diào)度規(guī)則2：在排澇期，當閘上水位高于1.55 m時，若閘上水位高于閘下水位時，閘門開啟，否則閘門關(guān)閉。

通過組合不同的工況條件，建立現(xiàn)狀河網(wǎng)+調(diào)度規(guī)則1、現(xiàn)狀河網(wǎng)+調(diào)度規(guī)則2、調(diào)整河網(wǎng)+調(diào)度規(guī)則1共3種模型。其中，模型1和模型2用于比較現(xiàn)狀河網(wǎng)條件下，不同閘門調(diào)度規(guī)則的洪水演進過程；模型1和模型3用于比較相同的調(diào)度規(guī)則下現(xiàn)狀和調(diào)整后河網(wǎng)條件對河道行洪的影響。

3.1 河網(wǎng)概化

朱家尖島流域主要分為3 大流域，即石榴江流域、四丈河流域以及南河流域。另有獨立入海的4 個小流域，分別為位于島嶼北部的北站畈流域和群英畈流域、位于島嶼東北部的老佃房流域和位于西南部分散的西岙流域。研究中涉及到的朱家尖島流域如圖3所示。

圖3 朱家尖島流域示意圖

石榴江流域包括石榴江北和石榴江南兩個小流域，流域面積為12.04 km2，兩流域之間通過引河相連，主要行洪排澇河道是石榴江北和石榴江南；四丈河流域的主要行洪排澇河道是四丈河，其流域面積為9.46 km2；南河流域的主要行洪河道是南河，流域面積為9.12 km2。石榴江南、石榴江北、四丈河和南河各有一個出海口，出海口處均置有擋潮閘，分別為新北塘閘、釣魚礁閘、反帝2號閘和反帝3號閘(圖3)。

研究范圍屬于海島型流域，流域內(nèi)河流縱橫交錯，連結(jié)成網(wǎng)。若將所有河道都概化在模型中，那么勢必費時費力且加重計算負擔，同時還考慮到部分河道調(diào)蓄作用很小或根據(jù)實際調(diào)查已基本不作輸水用途，其河道概化與否對流域整體水位流量的影響可忽略不計。因此在朱家尖島流域的河網(wǎng)概化過程中，以骨干河道為基礎(chǔ)，基本體現(xiàn)天然河網(wǎng)的水力特性為原則，對相應(yīng)的河道進行合理概化，使概化后的河網(wǎng)盡量與天然河網(wǎng)的水力情況相類似。

現(xiàn)狀河網(wǎng)概化以石榴江南、石榴江北、四丈河以及南河為4大干流，其余河道均以支流的形式匯入干流。概化后，朱家尖島現(xiàn)狀河網(wǎng)共含23 條河流，其分布如圖4所示。

圖4 朱家尖島現(xiàn)狀河網(wǎng)概化示意圖

3.2 斷面設(shè)置

根據(jù)實測河道斷面高程繪制河道斷面圖。設(shè)置石榴江北-2、石榴江南-5、四丈河-3和南河-3為觀察斷面，其位置圖及斷面圖分別如圖3，5所示(圖中單位以m計)。現(xiàn)狀河網(wǎng)和調(diào)整河網(wǎng)分別設(shè)置120，146 個斷面。

圖5 河道斷面圖

3.3 邊界條件及其他參數(shù)設(shè)置

文中模型上邊界采用降雨徑流模型計算所得到的流量過程，下邊界采用實測潮位數(shù)據(jù)。

為了使模型能夠平穩(wěn)啟動，模型內(nèi)河道初始水位設(shè)為0 m，河床糙率n值取0.03，模擬時長共43 h，時間步長為1 s。

4 計算結(jié)果對比分析

4.1 模型驗證

采用現(xiàn)狀河網(wǎng)，4 個擋潮閘的閘門均采用調(diào)度規(guī)則1進行調(diào)度。上邊界采用朱家尖流域2009年汛期7月8日至7月15日的降水徑流資料，下邊界采用同時段的潮位資料，對模型進行驗證。取4 處典型河道斷面，即對石榴江北-2、石榴江南-5、四丈河-3和南河-3(圖3)進行計算。結(jié)果表明：這4 處斷面最高水位的計算值與實測值的相對誤差為2.6%～4.4%，模型是可靠的。

4.2 不同調(diào)度規(guī)則對流域防洪排澇的影響

采用上述經(jīng)驗證的模型，對其上邊界采用1994年10月10日至10月12日的降雨徑流資料，下邊界采用實測潮位資料，根據(jù)入海口處4 個閘門調(diào)度規(guī)則的不同分為兩個模型，即對模型1采用調(diào)度規(guī)則1，對模型2采用調(diào)度規(guī)則2。

石榴江北、石榴江南、四丈河及南河這4 條河流作為現(xiàn)狀河網(wǎng)的排澇主干河道，當發(fā)生暴雨時，其河道水位的高低變化會對海島地區(qū)的受災(zāi)產(chǎn)生較大的影響。根據(jù)模型運行結(jié)果選取石榴江北、石榴江南、四丈河以及南河上的石榴江北-2、石榴江南-5、四丈河-3以及南河-3這4 處靠近城區(qū)的代表性斷面，利用MIKE VIEW查看模型1和模型2在閘門調(diào)度規(guī)則1以及閘門調(diào)度規(guī)則2下典型斷面水位的數(shù)值變化，以此來分析不同閘門調(diào)度方式下河道水位隨時間變化的具體情況。這4 處代表性斷面水位隨時間的變化如圖6所示。

圖6 現(xiàn)狀河網(wǎng)不同調(diào)度規(guī)則下水位變化過程

由圖6(a，b)可知：石榴江北和石榴江南的兩處斷面在采取調(diào)度規(guī)則1時，24 h后河道內(nèi)水位分別到達峰值0.9，1 m，隨后水位快速下降至0 m。當采取調(diào)度規(guī)則2時，28 h后水位均到達峰值1.2 m，明顯高于調(diào)度規(guī)則1的模擬值，隨后水位緩慢下降至1 m。由圖6(c，d)可知：四丈河和南河的兩處斷面在采取調(diào)度規(guī)則1和調(diào)度規(guī)則2時，均在24 h時水位到達峰值，其值分別為1.2，1.4 m。到達峰值之后，調(diào)度規(guī)則2情況下，水位呈現(xiàn)緩慢下降至1 m；調(diào)度規(guī)則1情況下，水位快速下降至0 m。

通過比較分析可知：當采取調(diào)度規(guī)則2時，在模擬時間內(nèi)不同河流的斷面水位均高于采取調(diào)度規(guī)則1時的水位。因此通過改變閘門調(diào)度規(guī)則可有效調(diào)節(jié)河道水位，使其在不同條件下滿足不同的需求，如在枯水期可適當提高河道水位以提升河道美觀度。

4.3 改善河道條件對流域防洪排澇的影響

為提升朱家尖島流域防洪排澇能力，對流域內(nèi)現(xiàn)狀河網(wǎng)中阻礙行洪的河道斷面采取拓寬和疏浚等相應(yīng)的改善河道條件的治理措施。調(diào)整河網(wǎng)主要涉及石榴江、四丈河及南河3 個流域。其中石榴江流域作為朱家尖島綜合發(fā)展的重要區(qū)域，其河網(wǎng)改造將成為本次河網(wǎng)調(diào)整的重點內(nèi)容，保持石榴江北河道寬度55 m不變，對水深不足的進行清淤，將石榴江南現(xiàn)狀河道寬度為35 m左右的河道拓寬至55 m；四丈河流域是朱家尖鎮(zhèn)區(qū)所在區(qū)塊，根據(jù)規(guī)劃鎮(zhèn)區(qū)范圍以現(xiàn)有規(guī)模稍作擴張，同時對部分河道進行改道處理；南河流域以發(fā)展農(nóng)業(yè)為主，目前流域內(nèi)河網(wǎng)水系縱橫交錯，存在卡口和淤積現(xiàn)象，因此本次調(diào)整以清淤為主，局部拓寬使水系更為暢通。經(jīng)統(tǒng)計，調(diào)整河網(wǎng)共概化河流33 條，調(diào)整后的河網(wǎng)概化示意圖如圖7所示。

圖7 朱家尖島調(diào)整河網(wǎng)概化示意圖

在模型1的基礎(chǔ)上，采用上述改善的河道條件，建立模型3，其典型斷面計算結(jié)果如圖8所示。

圖8 現(xiàn)狀河網(wǎng)(模型1)和調(diào)整后河網(wǎng)(模型3)水位變化過程

由圖8(a，b)可知：在現(xiàn)狀條件下，石榴江北和石榴江南兩處斷面的水位分別在24,26 h可到達峰值0.9,1 m，隨后水位逐漸下降。經(jīng)過河道調(diào)整后，石榴江北和石榴江南兩處斷面的水位峰值分別為0.6,0.7 m，降低幅度較大，且絕大部分模擬時間點上的水位降幅較明顯。由圖8(c)可知：24 h后，四丈河的斷面水位到達峰值1.2 m，經(jīng)過河道調(diào)整其值降低了0.2 m，且在到達峰值以后水位快速下降。由圖8(d)可知：24 h后，南河的斷面水位到達峰值1.2 m，通過調(diào)整河道能使該峰值明顯下降至0.8 m。

通過比較分析模型1和模型3的結(jié)果，拓寬、清淤等措施后的河網(wǎng)對河道水位的降低有明顯的作用。在模擬時間段內(nèi)，經(jīng)過河道調(diào)整后的4 處具有代表性的斷面水位均低于現(xiàn)狀水位，且總體降幅明顯，對河道行洪能力有較大的改善。

5 結(jié) 論

為綜合比較不同邊界條件下朱家尖海島地區(qū)河道洪水演進情況，構(gòu)建3 個MIKE 11模型進行洪水數(shù)值模擬，揭示洪水演進在時空上的變化。經(jīng)過比較分析，得出以下結(jié)論：1)在洪水期和枯水期，在滿足防洪排澇的要求下，可靈活采取不同的閘門調(diào)度方式，發(fā)揮河道調(diào)蓄功能，在提高雨洪資源利用率的同時，結(jié)合河道生態(tài)治理，提升河道兩岸景觀效果；2)通過調(diào)整河網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如采取河道疏浚、拓寬和提高河底高程等措施，可有效降低河道水位，提高防洪減災(zāi)應(yīng)急能力。