MIKE21計(jì)算 件在北京 湖合眾健康谷的應(yīng)用

張建濤 楊 揚(yáng) 劉軍梅 薛三平

（北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 北京 100048）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益強(qiáng)大，數(shù)值模擬相比較物理模型試驗(yàn)，在研究實(shí)際工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中常見的多方案比選、參數(shù)率定等問題時(shí)表現(xiàn)出較大優(yōu)勢(shì)，漸己成為研究流體力學(xué)強(qiáng)有力的手段。

本文利用ArcGIS、MIKE21等軟件，建立了北京青龍湖合眾健康谷項(xiàng)目洪水淹沒數(shù)值模型，模擬計(jì)算了崇青水庫不同工況下泄洪水對(duì)該項(xiàng)目的淹沒影響。

1 MIKE21計(jì)算 件概

MIKE21計(jì)算軟件采用中心有限體積法離散求解連續(xù)性方程、動(dòng)力方程。

連續(xù)性方程

式中，t是時(shí)間；x，y，z是笛卡兒坐標(biāo)系；η是地面高程；d是地面淹水深；h=η+d是淹水高程；u，v，w分別是x，y，z方向上的流速；f是柯氏力參數(shù)；g是重力加速度；ρ是水的密度；Pa是大氣壓力；S是流量值。

圖1 北京 湖合眾健康谷與崇 水庫的位置示意圖

2 北京 湖合眾健康谷概 11

北京青龍湖合眾健康谷地處房山區(qū)青龍湖鎮(zhèn)，崇青水庫青龍頭副壩的背水面，刺猬河的右岸，以崇青水庫預(yù)留的非常溢洪道洪水通道為界分南、北兩區(qū)，總面積為33.47hm2，位置示意圖見圖1。

崇青水庫為中型水庫，防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇洪水設(shè)計(jì)、1000年一遇洪水校核，當(dāng)水庫發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水（75.8洪水）、洪水位達(dá)到77.15m時(shí)，啟用非常溢洪道泄洪以保大壩安全。因此，北京青龍湖合眾健康谷項(xiàng)目不但要承擔(dān)崇青水庫下游刺猬河洪水漫溢的淹沒風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)又受崇青水庫非常溢洪道下泄洪水的影響。

3 MIKE21計(jì)算 件在北京 湖合眾健康谷的應(yīng)用

本研究采用ArcGIS、MIKE21軟件，建立北京青龍湖合眾健康谷項(xiàng)目洪水淹沒數(shù)值模型，按刺猬河治理情況、崇青水庫不同重現(xiàn)期下泄洪水組合 8種計(jì)算工況，模擬崇青水庫不同工況下泄洪水對(duì)北京青龍湖合眾健康谷的淹沒影響。

3.1 數(shù)據(jù)處理

（1）模擬范圍

二維地形數(shù)據(jù)是流域地形、水流淹沒識(shí)別的重要原始資料，經(jīng)過模型試算，綜合考慮洪水淹沒影響范圍及計(jì)算時(shí)間等因素合理確定模擬范圍。根據(jù)模擬范圍1:10000地形圖及北京青龍湖合眾健康谷1：2000地形圖，提取高程點(diǎn)，使用Mesh Generator進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換編輯，疊加耦合生成Mesh圖，見圖2。

圖2 刺猬河崇 水庫以下段二維泛區(qū)mesh圖

（2）邊界條件

當(dāng)崇青水庫發(fā)生小于 1000年一遇洪水時(shí)，上游入流邊界為溢洪道的下泄洪水過程；當(dāng)崇青水庫發(fā)生“75.8”超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，上游入流邊界分別為溢洪道、非常溢洪道的下泄洪水過程。

崇青水庫以下地勢(shì)變化較大，水流速度較快，通過模擬計(jì)算表明，下游邊界對(duì)北京青龍湖合眾健康谷項(xiàng)目淹沒區(qū)的洪水沒有阻擋作用。

（3）糙率

二維淹沒模擬區(qū)域內(nèi)遍布村莊、道路、耕地、樹林等，根據(jù)地物特征綜合確定糙率。

3.2 模擬工況

根據(jù)刺猬河崇青水庫以下河道治理情況、不同重現(xiàn)期下泄洪水以及河道漫溢方式，共組合了8種計(jì)算工況，詳見表1。

3.3 模擬結(jié)果及分析

通過建立的二維洪水淹沒MIKE21模型，模擬了不同工況的北京青龍湖合眾健康谷洪水淹沒。工況1洪水淹沒圖見圖3（其他工況同略）。各工況淹沒面積、淹沒水深、流速等參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表2。

圖3 工況1洪水淹沒圖

表1 北京 湖合眾健康谷 目洪水淹沒分析計(jì)算工況

表2 北京 湖合眾健康谷 目洪水淹沒統(tǒng)計(jì)表

分析洪水淹沒圖及統(tǒng)計(jì)表中數(shù)據(jù)可以得出：

（1）當(dāng)崇青水庫發(fā)生校核標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)洪水時(shí)，隨著重現(xiàn)期的提高，北京青龍湖合眾健康谷最大淹沒面積、最大淹沒水深、最大流速均呈遞增趨勢(shì)。

（2）與現(xiàn)狀河道相比，刺猬河按規(guī)劃治理后，北京青龍湖合眾健康谷受淹面積、最大淹沒水深、淹沒區(qū)最大流速均有所減少，其中 20年一遇洪水不受淹，主要原因是河道按規(guī)劃治理后，過流能力變大，從而減輕對(duì)青龍湖合眾健康谷的淹沒影響。

（3）當(dāng)崇青水庫發(fā)生“75.8”超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，首先正常溢洪道下泄，當(dāng)水庫水位漲至 77.15m時(shí)下泄流量達(dá)到最大為 730m3/s，此時(shí)啟用非常溢洪道泄洪，非常溢洪道下泄流量最大為1720m3/s。

一方面，由于崇青水庫溢洪道下泄洪水流量較大，刺猬河潰堤后，導(dǎo)致北京青龍湖合眾健康谷東部靠近刺猬河河道部分受淹；另一方面，當(dāng)崇青水庫水位上漲至 77.15m時(shí)需啟用非常溢洪道，由于下泄洪水巨大，導(dǎo)致非常溢洪道泄洪通道兩側(cè)受淹嚴(yán)重。該工況北京青龍湖合眾健康谷的淹沒面積、淹沒水深、流速均達(dá)到最大值，洪水淹沒范圍可作為洪水淹沒風(fēng)險(xiǎn)圖的依據(jù)。

4 結(jié)論

本文以北京青龍湖合眾健康谷洪水淹沒影響分析為背景，詳細(xì)介紹了采用MIKE21計(jì)算軟件解決工程問題的思路和方法，模擬結(jié)果表明該模型在北京青龍湖合眾健康谷具有較好的適應(yīng)性，其洪水淹沒范圍可作為洪水淹沒風(fēng)險(xiǎn)圖的依據(jù)。