基于MIKE21模型的定州沙河流量與分流比關(guān)系分析

劉 迪

（河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津 300250）

1 項目區(qū)概況

沙河是大清河水系南支潴龍河的一條主要支流，發(fā)源于山西省靈丘縣和繁峙縣。沙河上游北支源出靈邱縣太白衛(wèi)山， 西北支源出繁峙縣五臺山東白坡頭，兩支于河北省阜平縣杜里元匯合，流經(jīng)阜平、曲陽縣至新樂南辛店小吳村入定州市大吳村， 至懷德、子遠、東西張歉村以下分為兩支：北支在邵村、西留春、西王耨、馬阜才等村南；南支在李親顧鎮(zhèn)東、東湖村西、西丁、子位村北，至安國市大李莊南兩支合流。 北支為主流，至大定村出境入安國市境，至安平縣北郭村附近與磁河、孟良河匯合后注入潴龍河，河道全長242km，北郭村以上流域面積5560km2。定州市段主河長26.4km，南支15.2km，西部河寬3.3km，東部河寬300～500m，境內(nèi)流域面積105.7km2。

2 研究內(nèi)容及技術(shù)路線

沙河定州市段長26.4km， 本課題主要以李親顧鎮(zhèn)段5.6km為研究對象， 為保證模型可靠上游延長5km，下游南支延長3.1km，北支延長6.6km，共18km，旨在基于MIKE21 FM水動力模塊進行各種工況下的二維數(shù)值模擬，計算南北支分流比。 如圖1。

圖1 技術(shù)路線

3 河道模型的建立

本次研究以沙河定州段規(guī)劃后河道為例構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。 沙河定州市段長約26.4km，主要為李親顧鎮(zhèn)段5.6km為研究對象，為保證模型可靠上游延長5km，下游南支延長3.1km，北支延長6.6km，共18km。 采用2019年1∶1000實測地形圖，并結(jié)合沙河設(shè)計斷面，作為建模基礎(chǔ)進行轉(zhuǎn)化、提取，將沙河河道堤線作網(wǎng)格剖分邊界，以100m為邊長，形成三角形，模型總面積18.13km2，對分汊口段河道進行了模型加密，內(nèi)部有1561個節(jié)點，2521個非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。網(wǎng)格剖分如圖2，沙河區(qū)域內(nèi)高程模型如圖3。

圖2 沙河區(qū)域網(wǎng)格剖分

圖3 沙河區(qū)域高程模型

上游邊界條件為模型入流。本次模型建設(shè)研究為流量與分流比的關(guān)系，將上游邊界條件分為5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇4種工況。 入流條件選擇恒定流。 下游邊界條件為模型出流。 下游邊界為規(guī)劃南支樁號5+100，北支樁號25+000的設(shè)計水位。

糙率是反映地面阻水程度的參數(shù)， 本次參照以往模型率定成果按經(jīng)驗選取。 現(xiàn)狀灘地糙率取0.045，主槽糙率取0.025。

3.1 模型計算方案

本次研究以規(guī)劃沙河河道為模型， 計算不同流量情況下的分流比關(guān)系。模型采用了共計4種工況進行計算。 如表1。

表1 設(shè)計工況

3.2 模型計算結(jié)果

經(jīng)計算，在不同的行洪流量下，南北支流量及分流比計算結(jié)果計算結(jié)果如表2。

表2 計算成果統(tǒng)計 單位：m3/s

入流源設(shè)置在樁號7+000處，2h后，5年一遇洪水行洪至樁號13+000附近；10年一遇洪水行洪至樁號15+000附近；20年一遇洪水行洪至樁號18+400附近；50年一遇洪水行洪至樁號21+000附近。

5年一遇洪水行洪至模型終點（樁號25+000）歷時5.5h；10年一遇洪水行洪至模型終點歷時4.8h；20年一遇洪水行洪至模型終點歷時3.2h；50年一遇洪水行洪至模型終點歷時2.7h。 從淹沒過程上看，各時段淹沒范圍基本合理；從洪水流場圖上看，各時段流場分布合理，變化趨勢符合水流運動規(guī)律。

4 分流比結(jié)果分析

影響分流比的因素有河寬比、地形、糙率、河道拐角、流量等。本次模型采用沙河定州段規(guī)劃后設(shè)計斷面，控制了河寬、地形、糙率、彎道拐角等因素，單獨分析總流量對分流比產(chǎn)生的影響。

根據(jù)模型計算成果統(tǒng)計表2，南北分支分流比與沙河總流量呈一定的線性關(guān)系， 繪得各個工況流量走勢圖及流量與分流比關(guān)系如圖4、圖5。

圖4 各個工況流量走勢

圖5 流量與分流比關(guān)系

根據(jù)模型計算結(jié)果計算得出南支分流比y與總流量x的關(guān)系如式（1），北支分流比y與總流量x的關(guān)系如式（2）。

5 結(jié)語

（1）沙河定州李親顧鎮(zhèn)段現(xiàn)狀河道分為南北兩支， 現(xiàn)狀分流比為0.4∶0.6。 2013年定州市為發(fā)展需要，規(guī)劃將南北支分汊口下移1.85km，分流比發(fā)生了變化。 地形變化對河流比產(chǎn)生了影響。

（2）本次模型采用沙河定州段規(guī)劃后設(shè)計斷面，控制河寬、地形、糙率、彎道拐角等因素，單獨分析總流量對分流比的影響， 由計算結(jié)果可知南北分支分流比與沙河總流量呈一定線性關(guān)系，南支分流比y與總流量x的關(guān)系式為：y=0.88×10-5x+0.193； 北支分流比y與總流量x的關(guān)系式為：y=-0.88×10-5x+0.807。

（3）規(guī)劃后的沙河分汊口不同流量下的分流比計算結(jié)果， 為以后沙河治理等相關(guān)水利工程設(shè)計提供了技術(shù)依據(jù)。