MIKE耦合模型在內河航道水面線計算中的應用

摘 要：【目的】在航道水面線計算過程中，常常會有水閘等水工建筑物對水產生不可忽略的阻礙作用。為研究含有水工建筑物的耦合模型在航道水面線計算中的適用性及準確性，以汝河為例，建立數學模型對河道典型工況進行研究。【方法】通過實測河道橫斷面，創新性地建立閘位處地形的一、二維河道耦合模型，并在模型率定后進行水面線計算分析。【結果】分析閘位處的流場分布情況可知，模擬結果能夠體現水閘結構對過閘水流的阻礙作用，從而影響閘前閘后的水位變化。【結論】一、二維河道耦合模型結果率定和適用性較好，該方法的應用為含有水工建筑物的水面線計算提供了參考。

關鍵詞：水面線；水工建筑物；一、二維耦合模型

中圖分類號：U617 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）17-0037-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.17.008

Application of MIKE Coupled Modeling in Water Surface Profiles

Calculation of Inland Waterway

ZHANG Huijie 1 ZHOU Ang 2

（1.Henan Zhongong Design & Research Group Co.， Ltd.， Zhengzhou 451460， China; 2.North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046， China）

Abstract： [Purposes] During the process of deducing water surface profiles in inland waterways， hydraulic structures such as sluices often significantly impede water flow. This study aims to investigate the applicability and accuracy of one-and two-dimensional coupling models incorporating hydraulic structures in solving water surface profile calculations for inland waterways. Using the Ru River as a case study， mathematical models are established to examine typical channel conditions. [Methods] Measured cross-sections of the river and innovative terrain modeling at sluice locations are utilized to develop one-and two-dimensional coupling models of the river channel. After calibrating the models， water surface profile calculations are performed for analysis. [Findings] Analysis of the flow field distribution at sluice locations indicates that the simulation results accurately reflect the obstructive effects of hydraulic structures on water flow through the sluices， thereby affecting water level changes upstream and downstream of the sluices.[Conclusions] The results of the one-and two-dimensional coupling models demonstrate satisfactory calibration and applicability. The application of this method provides reference for computing water surface profiles containing hydraulic structures.

Keywords： water suffer profiles; hydraulic structures; one-and two-dimensional coupling models

0 引言

水面線的計算在水利行業各方面均有所體現，例如內河航道最高通航水位、最低通航水位，防洪影響評價，水閘、船閘設計，以及河道整治等方面。因此，水面線計算方法的科學性與結果的準確性至關重要。

近些年來，隨著計算機技術的迅速發展，與水利相關的商業軟件層出不窮，并且在水面線計算過程中得到了廣泛應用。相關學者運用HEC-RAS軟件分別建立了分叉河段［1］、平原—山丘復合型河道［2］及黃河［3］等不同河道特征的一維模型進行水面線計算，發現HEC-RAS軟件模擬分叉河段適用性較好，平原、山丘劃分開的一維模型結果更準確。劉璐等［4］利用MIKE11軟件構建小清河河道模型，分析了末端起推潮位對水面線計算的影響；劉晗等［5］利用MIKE11軟件建立水動力與坡面降雨徑流耦合模型，以模擬河道洪水演進過程；初祁等［6］采用MIKE11與MIKE21耦合模型建立城市暴雨模型，分析了城市淹沒特性以及洪澇危害情況。通過上述分析可知MIKE軟件的應用更廣泛，適用性更強。

在以往的研究中，計算水面線大多通過建立一維模型進行模擬，但是內河航道中的船閘、水閘、橋墩等水工建筑物會產生壅水，過水斷面收縮產生局部水頭損失，口門區產生回水等現象影響著水面線的分布。基于以上分析，MIKE11與MIKE21耦合模型廣泛應用于城市暴雨模擬，本研究以汝河河塢大閘區域為例，創新性地將內河航道水閘等區域構建成二維模型，其余部分構建為一維模型，二者耦合進行水面線計算。這種建模方式既能夠精準體現船閘、水閘等水工建筑物的特性，又能夠提高計算效率和計算結果的準確性。本研究以汝河河塢大閘區域為例，采用MIKE耦合模型計算汝河的各特征流量水面線，為航道特征水面線的計算提供科學依據。

1 研究區域概況

1.1 河流概況

汝河是洪汝河在班臺閘以上劃分的南支部分，河流長度223 km，流域面積7 390 km2。汝河流經河南省駐馬店市的泌陽、遂平、汝南、上蔡、正陽、平輿、新蔡等縣和驛城區，在新蔡縣班臺閘與小洪河匯流后入大洪河［7］。

汝河在板橋水庫以上、支流臻頭河薄山水庫以上為山區，最高峰五峰山海拔為872 m，蠟燭子山海拔為844 m，千年嶺海拔為729 m，山地坡面比降為1/10。板橋、薄山至宿鴨湖區間是由山區向平原過渡地帶，山區、丘陵區和平原區分別占區間面積的25%、40%和35%，丘陵地區地面比降在1/100左右，平原地區一般為1/800～1/300。宿鴨湖以上汝河板橋以下河底比降為1/1 500～1/1000，向下逐漸變緩，下段為1/6 000～1/3 000，接近宿鴨湖長約10 km河段河底比降接近于零。臻頭河薄山以下比降為1/1 800～1/1 200，到下段逐漸變為1/10 000～1/2 500。宿鴨湖以下地勢更為平坦。

1.2 航道現狀

汝河位于淮河北岸，深入大別山革命老區腹地，一直以來都是豫南地區重要的水路運輸通道，航運歷史悠久。在20世紀50年代，汝河航道可以通航至西平、遂平，并與京廣鐵路實現水陸轉運；直至20世紀80年代，汝河航道仍然是河南省通往華東地區的一條重要的水運通道；在20世紀90年代中后期，由于船舶大型化發展以及河道綜合治理時對水資源的綜合利用重視不足，致使航道通航能力不足。

1.3 工程概況

本文選取汝河匯合口為研究河段下游，樁號為K91+855；上游起點為曹埠，樁號為K69+300。研究河段長度為22.56 km，其中K5+000～K6+000為河塢大閘所在地，河塢大閘按20 a一遇洪水標準設計，50 a一遇洪水標準校核。河塢大閘的節制閘為8孔，每孔凈寬10 m，閘室總寬96.06 m。節制閘20 a一遇設計流量為2 300 m3/s，50 a一遇設計流量為3 200 m3/s。

河塢大閘是控泄工程，影響著航道的過流能力以及沿程水面線分布。因此，在計算水面線時水閘是不可忽略的節點建筑物。

2 研究區域與方法

本研究對2018年測量的相鄰斷面間距為100 m河道斷面建立一維數值模型。其中K5+000～K6+000為河塢節制閘所在地，根據實測地形建立節制閘的二維模型，如圖1所示。將一、二維模型標準連接后進行耦合設置，如圖2所示。

其中一維模型的計算公式具體為連續方程見式（1），動量方程見式（2）［8］。

[?A?t+?Q?x=q] （1）

[?Q?t+??xQ2A+gA???x+gQC2QAR=0] （2）

以上式中：A為河道過水面積；Q為流量；t為時間；x為與水流方向一致的橫坐標；q為河道的側向來流量；g為重力加速度；h為水位。

二維模型的計算公式具體見式（3）至式（5）［9］。

[???t+??u?x+??v?y=?S] （3）

[??u?t+??u2?x+??vu?y=fv??g??η?x??ρ0?Pa?x?g?22ρ0?ρ?x+τsxρ0?τbxρ0?1ρ?Sxx?x+?Sxy?x+??x?Txx+??x?Txy+?usS] （4）

[??v?t+??uv?x+??v2?y=?fu??g??η?y??ρ0?Pa?y?g?22ρ0?ρ?y+τsyρ0?τbyρ0?1ρ0?Syx?y+?Syy?x+??x?Txy+??y?Tyy+?vsS] （5）

以上式中：[η]為水位；[?]為靜止水深；[u]、[v]為x、y方向上的分量；[Pa]為大氣壓；[ρ]為水的密度；[ρ0]為參考水密度；[f]為Coriolis力參數；[Sxx]、[Sxy]、[Syx]、[Syy]為輻射應力分量；[Txx]、[Txy]、[Tyx]、[Tyy]為水平黏滯應力；[τsx]、[τsy]、[τbx]、[τby]為有效切應力分量；[S]為源項；（[us]，[vs]）為源匯項流速；[u]、[v]為沿水深平均流速。

3 模型設置及率定

3.1 模型設置

班臺站5 a一遇除澇水位為33.39 m，曹埠除澇流量為1 550 m3/s；20 a一遇防洪水位為35.69 m，曹埠20 a一遇洪水流量為2 290 m3/s。本研究將除澇流量對應的工況作為模型率定工況，其對應的水位作為率定水位，見表1。

3.2 模型率定

本研究將耦合模型計算的除澇流量對應水面線與實際水面線進行對比，得出模型主槽糙率為0.025，灘地糙率為0.035。率定值與設計值最大差值為0.05 m，模擬結果可靠，模型水面線率定成果如圖3所示，通過河塢大閘二維局部流場如圖4所示。由圖4可知，上游水流經過河塢大閘閘墩時過水斷面收縮，閘墩處流速增大；當經過閘室到達下游時過水斷面增大，左、右岸形成回流。

4 工況設置及結果分析

4.1 工況設置

河塢大閘按20 a一遇洪水標準設計，因此在該河段新設計的水工建筑物的防洪標準為20 a，因此本次計算的工況為20 a一遇洪水上游流量為2 290 m3/s，20 a一遇洪水下游水位為35.69 m。

4.2 結果分析

本文計算了5 a一遇和20 a一遇洪水的河段水面線，如圖5所示。通過對比分析可知，20 a一遇洪水的河段水面線與5 a一遇洪水的河段水面線基本平行，沿程相同位置處水位相差約2.3 m，進一步證明MIKE軟件一、二維模型耦合計算的可行性與準確性。

5 結論

①MIKE軟件一、二維耦合模型通過率定后，能夠較為準確地進行航道的水面線計算并且具有較為廣泛的適用性。

②水流流經閘墩時，過水斷面收縮流速增大；流經閘墩下游時過水斷面增大，流速減小，產生回流。表明該耦合模型能夠準確體現水閘等水工建筑物對水流的阻水等影響。

③模擬結果可以為河段內的水工建筑物設計提供水位參考，使得建設標準與航道相適應，且行洪不受影響。

參考文獻：

［1］楊雯，陳婷婷，孫利敏.HEC-RAS模型在分汊河道設計最低通航水位推求中的應用［J］.水運工程，2023（S1）：91-94，155.

［2］宋永嘉，王達樺.HEC-RAS模型在小流域山丘、平原復合型河道水面線推求應用與研究［J］.中國農村水利水電，2020（3）：146-149.

［3］吳凌波，祁永升.黃河蘭州城區段航道設計通航水位分析［J］.水運工程，2023（9）：119-125.

［4］劉璐，李一鳴，張濤.起推潮位對小清河水面線計算的影響分析［J］.山東水利，2023（3）：71-73.

［5］劉晗，王坤，候云寒，等.基于MIKE11的山丘區小流域洪水演進模擬與分析［J］.中國農村水利水電，2019（1）：63-69，82.

［6］初祁，彭定志，徐宗學，等.基于MIKE 11和MIKE 21的城市暴雨洪澇災害風險分析［J］.北京師范大學學報（自然科學版），2014，50（5）：446-451.

［7］劉祎茹.建設汝河橡膠壩打造遂平新區濱河城市［J］.河南水利與南水北調，2013（15）：48-49.

［8］蔣楠，高成.基于MIKE和HEC-RAS模型模擬錦江水面線比較研究［J］.中國農村水利水電，2019（4）：26-30.

［9］于子鋮，韓會玲，趙進勇，等.MIKE21與HEC-RAS在水面線推求中的應用［J］.河北水利電力學院學報，2019（4）：1-7.

收稿日期：2024-02-20

作者簡介：張會杰（1994—），男，碩士，助理工程師，研究方向：內河航道一、二維水動力數值模擬。