基于MIKE軟件的青龍河洪水演進(jìn)數(shù)值模擬

潘薪宇，張洪雨

(哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱 150001)

科技成果

基于MIKE軟件的青龍河洪水演進(jìn)數(shù)值模擬

潘薪宇，張洪雨

(哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱 150001)

青龍蓮花河位于三江平原東北部，流域面積2825km2，其中低洼面積為1007km2，其防洪治洪水、澇災(zāi)意義重大。文章根據(jù)河道的防洪和洪水波傳播的不同特點(diǎn)，使用一維數(shù)值模擬的流體動(dòng)力學(xué)方程，建立洪水演進(jìn)數(shù)值模型，分析了改造工程后河道在各種頻率的設(shè)計(jì)洪水下的排洪能力。

水動(dòng)力；數(shù)值模擬； MIKE11；MIKE VIEW；泄流能力

1 區(qū)域概況

青龍蓮花河流域位于三江平原的東北部，總面積2825km2。河流流域中山丘區(qū)面積大約為126km2，平原區(qū)的面積為1692km2，低洼地的面積為1007km2。

2 青龍河一維水動(dòng)力模型建立

2.1 MIKE11模型簡(jiǎn)介

由丹麥的水力學(xué)研究所生產(chǎn)的MIKE一系列軟件，這種軟件通常能夠模擬很多水流問(wèn)題，MIKE11屬于一維模型應(yīng)用軟件，能夠解決河流、河岸、多河流體系等環(huán)境問(wèn)題 。在模型運(yùn)行之前，主要設(shè)置時(shí)間序列文件，然后還有模型功能設(shè)置文件、河流網(wǎng)絡(luò)文件、河網(wǎng)斷面文件、邊界參數(shù)文件等。在模型正常運(yùn)算之后，需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)圖形分析，對(duì)于輸出的模型結(jié)果需要使用特殊的軟件模塊進(jìn)行操作分析。這款獨(dú)特的工具就是MIKE VIEW。

2.2 青龍河下游部分河網(wǎng)概化

根據(jù)青龍河河道整頓工程所提供的相關(guān)資料，一維水動(dòng)力數(shù)值模擬區(qū)域從北干總渠樁號(hào)24+570m處至青龍河道結(jié)尾處樁號(hào)54+010m處，這一處主要為青龍河支流蓮花河，包括青三干，青四干，青五干，青六干支流，河道上建有節(jié)制閘等水工建筑物。

本次研究的目標(biāo)蓮花青龍河規(guī)劃是青龍山灌區(qū)引黑龍江水灌溉工程的主要組成部分。其中青龍河灌渠是該工程的主要引水干渠。該設(shè)計(jì)引水干渠是在原有青龍河河槽的基礎(chǔ)上開(kāi)挖而成。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)劃方案，該引水干渠沿程存在多個(gè)引水支渠，以對(duì)灌渠內(nèi)各分區(qū)進(jìn)行水資源的合理配置。根據(jù)青龍河河道整頓工程的設(shè)計(jì)方案，青龍河總干渠上的若干引水支渠數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 青龍河總干渠沿程引水支渠資料匯總表

在MIKE11模型中對(duì)各個(gè)引水支渠進(jìn)行概化處理，使用模型中的點(diǎn)源來(lái)模擬各個(gè)支渠的取水狀況。

本文主要進(jìn)行青龍河下游洪水演進(jìn)數(shù)值模擬，下游幾個(gè)支流由于缺少支流斷面數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)化為點(diǎn)源匯入河道。

2.3 青龍河斷面概化

根據(jù)原始的所有青龍河斷面資料也就是原始CAD圖形，測(cè)量計(jì)算出各個(gè)斷面數(shù)據(jù)總計(jì)模型概化了61個(gè)河流斷面。斷面數(shù)據(jù)是通過(guò)現(xiàn)有CAD圖紙測(cè)量計(jì)算得到的。所有斷面數(shù)據(jù)都是工程開(kāi)挖河道過(guò)后得到的斷面數(shù)據(jù)，本文主要研究開(kāi)挖河道之后洪水對(duì)下游區(qū)域的主要影響[1]。

2.4 模型設(shè)置參數(shù)

2.4.1 模型邊界條件

上游邊界條件根據(jù)實(shí)測(cè)條件直接輸入。青龍河尾端為單向流動(dòng)邊界，根據(jù)測(cè)量所得的下游端點(diǎn)斷面數(shù)據(jù)通過(guò)曼寧公式計(jì)算能夠得到的水位～流量值做成曲線同見(jiàn)圖1。

圖1 下游邊界終點(diǎn)Q～H關(guān)系圖

2.4.2 糙率設(shè)定

由于青龍河河道整頓工程中規(guī)定青龍河引水干渠里程為24+570m至54+010m的糙率M=40。作為模型驗(yàn)證，此次測(cè)試中模型各個(gè)里程段的河道糙率設(shè)置為M=40，已驗(yàn)證模型符合設(shè)計(jì)要求的各個(gè)水力要素。

2.5 模型驗(yàn)證

建立青龍河總干渠MIKE11一維水動(dòng)力模型，初始條件設(shè)置為水深0.1m，模擬的時(shí)間步長(zhǎng)為30s。模型糙率按照上文中所示設(shè)置。模型的運(yùn)算時(shí)間為1個(gè)月。當(dāng)模型運(yùn)算時(shí)間為209h，模型中各項(xiàng)水利要素趨于穩(wěn)定。提取這時(shí)刻的運(yùn)算結(jié)果作為模型的驗(yàn)證數(shù)據(jù)。模型的模擬得到每個(gè)斷面的水位過(guò)程曲線。如圖2所示。

圖2 青龍河沿程設(shè)計(jì)水位演示

對(duì)模擬的水深結(jié)果進(jìn)行分析研究，整個(gè)趨勢(shì)與青龍河河道整頓工程中設(shè)計(jì)方案的水面線基本吻合，如表2設(shè)計(jì)水深與模擬平均水深比較所示。

表2 設(shè)計(jì)水深與模擬平均水深比較

對(duì)模擬的流量結(jié)果進(jìn)行分析研究，整個(gè)趨勢(shì)與青龍河河道整頓工程中設(shè)計(jì)方案的流量完全吻合，設(shè)計(jì)流量與模擬平均流量比較，見(jiàn)表3。

表3 設(shè)計(jì)流量與模擬平均流量比較

對(duì)模擬的流速結(jié)果進(jìn)行分析研究，整個(gè)趨勢(shì)與青龍河河道整頓工程中設(shè)計(jì)方案的流速基本吻合，設(shè)計(jì)流速與模擬平均流速比較見(jiàn)表4。

表4 設(shè)計(jì)流速與模擬平均流速比較

從模型總體驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看，在斷面改造過(guò)后、設(shè)計(jì)糙率M=40的情況下，模型的流量、水深及流速模擬結(jié)果接近青龍河河道整頓工程的設(shè)計(jì)值。說(shuō)明使用模型對(duì)河道開(kāi)挖后的防洪能力分析具有現(xiàn)實(shí)意義。

3 蓮花青龍河不同工況下的防洪能力分析

模型模擬了3種工況下洪水演進(jìn)過(guò)程，下面對(duì)演進(jìn)結(jié)果進(jìn)行分析。在青龍河主干渠及青三干、青四干、青五干、青六干、青七干分別同時(shí)遭遇50a，20a和10a一遇的洪水時(shí)，建立相應(yīng)的洪水入流邊界。詳見(jiàn)表5。

表4 青龍河干渠在3種頻率設(shè)計(jì)洪水下水位達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)水深匯總表

從表5中可以看出青龍河在經(jīng)歷頻率P=2%的洪水時(shí)各個(gè)斷面的水深部分高出設(shè)計(jì)水深，模擬水深高于設(shè)計(jì)水深較明顯的情況出現(xiàn)在49180m至51570m的樁號(hào)段，模擬水深高出設(shè)計(jì)水深0.57m。各個(gè)河流段的模擬水深平均超出設(shè)計(jì)水深約0.4m。在經(jīng)歷3個(gè)頻率的洪水時(shí)各個(gè)斷面的水深部分低于設(shè)計(jì)水深，但部分河段還是出現(xiàn)洪水漫堤的狀況。在經(jīng)歷頻率P=10%的洪水時(shí)各個(gè)斷面的水深部分低于設(shè)計(jì)水深。基本沒(méi)出現(xiàn)漫堤現(xiàn)象。

MIKE11可以計(jì)算出的青龍河水面線結(jié)果并可以動(dòng)態(tài)演示。圖3為青龍河干渠在3個(gè)頻率工況下水位達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)水面線展示圖。可以看出頻率P=2%時(shí)青龍河干渠右岸在洪水水位達(dá)到最高時(shí)刻25250～27015m、30230～39500m、40990～41980m處出現(xiàn)漫堤現(xiàn)象，青龍河干渠左岸在洪水水位達(dá)到最高時(shí)刻2457026620m、28110～30230m處出現(xiàn)漫堤現(xiàn)象。

在P=5%時(shí)青龍河干渠右岸在洪水水位達(dá)到最高時(shí)刻26150m、31650～32170m、35730m處出現(xiàn)漫堤現(xiàn)象，青龍河干渠左岸在洪水水位達(dá)到最高時(shí)刻24570～25250m、26150m、29670m處出現(xiàn)漫堤現(xiàn)象。但漫堤情況比P=2%工況的漫堤有明顯改善。在P=10%時(shí)青龍河干渠右岸在洪水水位達(dá)到最高時(shí)刻基本沒(méi)有出現(xiàn)漫堤現(xiàn)象。

圖3 青龍河干渠在3種頻率的設(shè)計(jì)洪水下最高水位圖

從圖3的分析中可以看出在河道里程處35730m的斷面的右岸高程明顯比水位要低，這個(gè)位置在整條河道中防洪能力相對(duì)較弱，本文將提取這一斷面的水位變化結(jié)果作為防洪能力分析。

圖4顯示在P=2%時(shí)岸堤高程最低35730m的斷面水位大部分時(shí)間都在左岸岸堤高程以下，在模擬的4393h的時(shí)間段內(nèi)，有576h的水位比右岸岸堤高程高。最高水位達(dá)到53.85m，比右岸岸堤高程52.27m高出1.58m。遭遇P=5%的設(shè)計(jì)洪水時(shí)，在模擬的4393h的時(shí)間段內(nèi)，有332h的水位比右岸岸堤高程高。最高水位達(dá)到53.18m，比右岸岸堤高程52.27m高出0.91m。青龍河斷面35730m的防洪形勢(shì)任然比較嚴(yán)峻，建議在此河段加高右岸岸堤。在遭遇P=10%的設(shè)計(jì)洪水時(shí)，岸堤高程最低35730m的斷面水位全部時(shí)間都在左岸岸堤高程以下。在P=10%下的青龍河斷面35730m不存在漫堤現(xiàn)象。

圖4 青龍河樁號(hào)35730m處的水位變化曲線圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)青龍河主干渠下游建立了MIKE11數(shù)值模型，分別對(duì)頻率P=2%，5%，10%的情況下進(jìn)行洪水演進(jìn)數(shù)值模擬，得到在這3種工況下各個(gè)斷面的流量，水位等水文信息，驗(yàn)證在對(duì)河道進(jìn)行開(kāi)挖改造后洪水來(lái)臨時(shí)是否能應(yīng)對(duì)極端洪水災(zāi)害。

水動(dòng)力模型對(duì)于河道的斷面資料完整度的要求比較高，而在本工程中有些斷面的設(shè)計(jì)值并不是完全合理，如35730m處右岸較低，造成水面的溢流。一維水動(dòng)力模型在調(diào)節(jié)參數(shù)時(shí)主要需要調(diào)節(jié)的是河床糙率系數(shù)，而在實(shí)際的調(diào)節(jié)過(guò)程中，河床糙率系數(shù)對(duì)模型計(jì)算結(jié)果的精確度的影響不是很敏感，猜測(cè)這可能是由于斷面資料不全，并且在計(jì)算中也都忽略了蒸發(fā)、滲漏等自然因素的影響。

根據(jù)驗(yàn)證，在10a一遇的工況下，河道完全沒(méi)有漫堤現(xiàn)象，而對(duì)于更加極端的洪水，大部分情況下，對(duì)于某些斷面右岸都有明顯的漫堤現(xiàn)象，所以建議要在上文中提到的幾個(gè)斷面加高右堤保證洪水順利通過(guò)。在青龍河主干渠及青三干、青四干、青五干、青六干、青七干均遭遇極端洪水時(shí)，35730m處都會(huì)有漫堤現(xiàn)象，建議在此河段加高右岸岸堤。

[1]周雪漪.計(jì)算水力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1994.

1007-7596(2014)01-0001-03

2014-01-15

潘薪宇(1988-)，女，黑龍江綏化人，在讀研究生；張洪雨(1957-)，男，黑龍江齊齊哈爾人，教授，博導(dǎo)，曾獲中船總科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)，黑龍江省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。

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