MIKE11在復(fù)雜地理環(huán)境中的應(yīng)用
——以寧鄉(xiāng)市城區(qū)河道整治為例

卿 穎，鄭 穎，宋 平

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

寧鄉(xiāng)市城區(qū)河道位于溈水中游，為彎曲分汊河道，左汊主河道長(zhǎng)2.8 km，寬（160～230）m，右汊為人工開(kāi)挖的沙河，全長(zhǎng)2.1 km，寬（30～60）m。河床較左側(cè)主河道高，過(guò)洪能力偏小，在沙河下游出口處建有黃泥湖節(jié)制閘。左側(cè)主河道和沙河之間的南苑洲寬（200～650）m，現(xiàn)狀洲灘高程為（45.0～53.2）m，洲上開(kāi)發(fā)程度較高，洲頭為木材市場(chǎng)，洲中段高層建筑物林立。南苑洲以下刁子潭洲灘淤積，主河槽明顯縮窄，水面寬最窄處僅150 m，河道過(guò)洪能力受限。

2017 年7 月1 日溈水流域發(fā)生了大洪水，是寧鄉(xiāng)歷史上有記錄以來(lái)最大的洪水，溈水干流多處潰堤，洪水泛濫，寧鄉(xiāng)城區(qū)內(nèi)澇嚴(yán)重，大面積被淹。寧鄉(xiāng)城區(qū)沿溈水河兩岸地勢(shì)低平，跨河建筑物、洲灘較多，對(duì)寧鄉(xiāng)城區(qū)防洪造成了很大威脅。

為了減小寧鄉(xiāng)市中心城區(qū)防洪壓力，降低洪水期間水位，并與中心城區(qū)防洪總體規(guī)劃協(xié)調(diào)，本次制定的方案中河道治理工程主要有護(hù)岸加固、建筑物改造、河道疏挖。總體布置如下：結(jié)合河道情況進(jìn)行疏浚及清障，保證行洪通暢；對(duì)當(dāng)沖河段進(jìn)行護(hù)岸護(hù)砌，確保河道的行洪安全；對(duì)跨河攔河建筑物進(jìn)行改造，降低河道建筑物阻水影響。結(jié)合寧鄉(xiāng)市城市規(guī)劃，初擬計(jì)算方案見(jiàn)表1，整治工程布置見(jiàn)圖1。

圖1 整治工程布置圖

表1 初擬計(jì)算方案表

1 MIKE11 模型構(gòu)建

MIKE11 HD 主要用于洪水預(yù)報(bào)、水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度、河渠灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)調(diào)度以及河口風(fēng)暴潮的研究，是目前應(yīng)用最為廣泛的商業(yè)軟件，具有計(jì)算穩(wěn)定、精確度高、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，能方便靈活地對(duì)復(fù)雜河網(wǎng)水流、模擬閘門、水泵等各類水工建筑物進(jìn)行運(yùn)營(yíng)調(diào)度，尤其適合應(yīng)用水工建筑物眾多、控制調(diào)度復(fù)雜的情況[1～2]。本次采用MIKE11 建立寧鄉(xiāng)市城區(qū)河道一維模型，選用恒定流進(jìn)行計(jì)算。模型構(gòu)建內(nèi)容如下。

1.1 河網(wǎng)概化

計(jì)算區(qū)域?yàn)閷庎l(xiāng)市主城區(qū)溈水主河道，總長(zhǎng)7.1 km，共布置31 個(gè)斷面，斷面間距為（100～300）m；分汊河道沙河總長(zhǎng)2.18 km，布置16 個(gè)斷面，斷面間距為（50～200）m。采用MIKE11 建立河網(wǎng)模型，建筑物斷面上下游增加計(jì)算斷面。

1.2 邊界條件確定

上游溜子洲尾為流量邊界，下游金洲大橋?yàn)樗贿吔?，寧鄉(xiāng)水文站下游的平水河入流作為點(diǎn)源輸入。

1.3 建筑物設(shè)置

根據(jù)實(shí)際情況，主河道設(shè)置汽車橋、南門橋、溈豐壩水閘和溈豐壩大橋等建筑物，沙河上設(shè)置沙河大橋、南門橋和黃泥湖水閘等建筑物。橋梁尺寸依據(jù)測(cè)量值，溈豐壩水閘相關(guān)尺寸參考以往工程數(shù)值。由于建筑物上下游水位較少有實(shí)測(cè)資料，建筑物壅水根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（其中橋梁采用鐵科院陸浩公式，溈豐壩水閘采用堰流公式）進(jìn)行計(jì)算[3]，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2、表3。模型中橋梁按照堰和涵組合建筑物的形式進(jìn)行處理，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)模型中預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行試算調(diào)整。

表2 橋梁壅水計(jì)算表

表3 溈豐壩水閘上下游水頭差

1.4 模型率定

采用主城區(qū)河段50 年一遇設(shè)計(jì)洪水成果（表4）對(duì)一維河道模型進(jìn)行率定。按照現(xiàn)狀條件下（南苑洲過(guò)洪，溈豐壩水閘未改建）進(jìn)行率定，得到溜子洲至寧鄉(xiāng)（二）站段糙率為0.044 6～0.024 3，寧鄉(xiāng)（二）站至金洲大橋段糙率為0.024 3～0.023 0，沙河段糙率為0.030。

表4 50 年一遇設(shè)計(jì)洪水

2 模擬計(jì)算成果與分析

2.1 分流情況分析

在50 年一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下，主城區(qū)河段上游總來(lái)水流量為5 470 m3/s，溈水河道與沙河分流量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。由表5 看出，方案1～6 主城區(qū)河道分流量均占79%以上；整治方案實(shí)施后（方案2～5），與未實(shí)施整治工程（方案1）相比，溈水河道過(guò)流量均有增大。溈豐壩水閘改建后（方案2）主河道過(guò)流略有增多；河道疏挖和汽車橋改造后（方案4），與方案2 相比，主河道過(guò)流增加較多；南門橋改造后（方案5），與方案4 相較，主河道分流略有增加。沙河拓寬后（方案6），沙河過(guò)流增大，與方案1 相比，過(guò)流量增加了274.2 m3/s。

表5 各方案溈水主河道和沙河分流量

2.2 水面線成果分析

在50 年一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下，各方案河道沿程水面線成果見(jiàn)表6，由表6 可知：

表6 河道沿程水位表 m

1）方案1（南苑洲不過(guò)洪）。南垸洲已被寧鄉(xiāng)市列為規(guī)劃開(kāi)發(fā)區(qū)域，為不過(guò)洪區(qū)域。根據(jù)計(jì)算成果，汽車橋至木材市場(chǎng)水位差0.39 m，汽車橋壅水0.32 m，南門橋壅水0.22 m，溈豐壩水閘上下游水位差達(dá)0.88 m。

2）方案2（方案1+溈豐壩水閘改建）。與方案1 相比，改建后，自溈豐壩水閘上游至溜子洲尾河段水位沿程均有降低，其中水閘上游水位降低值最大為0.30 m，溜子洲尾河段水位降低值最小為0.08 m，結(jié)果說(shuō)明方案2 影響集中于水閘上游附近區(qū)域。

3）方案3（方案2+南門橋以下疏挖）。與方案2 相比，疏挖工程以上河段水位均有降低；沙河和城區(qū)主河道匯流點(diǎn)下游水位降低值最大為0.63 m；城區(qū)主河道水位降低值大都在0.30 m 以上，說(shuō)明南門橋以下疏挖降低城區(qū)主河道水位效果顯著。

4）方案4（方案3+南門橋以上疏挖）。與方案3 相比，南門橋以上疏挖河段水位均有下降，其中木材市場(chǎng)水位降低值最大為0.52 m，汽車橋上游水位降低值均在0.20 m 以上?？梢?jiàn)，南門橋以上疏挖對(duì)城區(qū)河段水位降低具有明顯作用。

5）方案5（方案4+南門橋改造）。南門橋在50 年一遇洪水條件下，阻水率超過(guò)8%，超過(guò)《湖南省涉河橋梁水利技術(shù)規(guī)定（暫行）》中控制指標(biāo)，制定相應(yīng)方案進(jìn)行改造。改造后與方案4 相比，水位降低最大值位于南門橋上游，最大降低值為0.11 m，南門橋以上河段水位降低在0.07 m 左右，結(jié)果說(shuō)明南門橋改造對(duì)上游河道水位降低有一定的效果。

6）方案6（方案2+沙河拓寬）。與方案2 相比，主城區(qū)左汊河道至溜子洲尾沿程水位均有降低，溈豐壩水閘上游河段水位降低值在0.12 m 以上，江心公園河段水位降低值最大為0.29 m?？梢?jiàn)，拓寬沙河對(duì)降低左汊主河道水位有一定效果，但涉及的占地多，工程量大，對(duì)兩岸居民生活影響很大。

綜合考慮水位降低效果、影響范圍、實(shí)施必要性以及方案實(shí)施難度，本次主城區(qū)河段整治方案建議選用方案5，工程主要包括溈豐壩水閘改建、南門橋以下疏挖、南門橋以上疏挖和南門橋改造。整治工程完全實(shí)施后，與原規(guī)劃方案（方案1）相比，木材市場(chǎng)河段水位降低值最大達(dá)1.12 m，南門橋以上河段水位降低值均在0.60 m 以上。

3 結(jié) 論

1）本文通過(guò)MIKE11 建立了寧鄉(xiāng)市城區(qū)河道一維模型，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行模型建筑物參數(shù)設(shè)置，設(shè)置多種計(jì)算方案對(duì)河道整治效果進(jìn)行量化和比較分析，研究成果可為寧鄉(xiāng)市河道整治方案的擬定提供決策依據(jù)。

2）根據(jù)分流量計(jì)算結(jié)果分析，隨著整治措施

（方案1～5）逐項(xiàng)增加，城區(qū)主河道的過(guò)流量也逐漸增加，更利于主河道的河勢(shì)穩(wěn)定。根據(jù)水面線成果分析，溈豐壩水閘改建后，水閘上游水位最大降低0.30 m；南門橋以下疏挖后，城區(qū)主河道水位降低值均增加0.30 m 以上；南門橋以上疏挖后，汽車橋上游水位降低值增加0.20 m 以上，木材市場(chǎng)水位降低值最大增加0.52 m；南門橋改造后，南門橋以上河段水位降低值增加0.06 m 以上，降低值最大增加0.11 m。

3）綜合考慮水位降低效果、影響范圍、實(shí)施必要性以及方案實(shí)施難度，本次主城區(qū)河段整治工程主要包括溈豐壩水閘改建、南門橋以下疏挖、南門橋以上疏挖和南門橋改造。工程實(shí)施后，河道水位降低效果好，能夠較大程度減輕寧鄉(xiāng)市城區(qū)的防洪壓力。為保障主城區(qū)兩岸的交通，建議可先期完成溈豐壩水閘改建、南門橋以下疏挖，再實(shí)施南門橋以上疏挖工程，最后進(jìn)行南門橋改造工程。