基于MIKE11軟件的復雜生態河道水面線計算

基于MIKE11軟件的復雜生態河道水面線計算

譚毅源1， 韓宗德2， 李玉梁1

(1.楚雄欣源水利電力勘察設計有限責任公司， 云南 楚雄675000；

2.南水北調中線干線工程建設管理局， 天津300134)

【摘要】針對云南省龍川江元謀段河道治理工程生態治理的理念，采用基于圣維南方程的MIKE11軟件計算水面線，可計算出滿足工程需要的成果。最后通過分析水面線計算成果得到生態河道水面線的特點。

【關鍵詞】MIKE11軟件； 生態河道； 水面線； 計算

中圖分類號：TV131文獻標志碼： A

Calculation of Complex Ecology River Water Surface Line Based

on MIKE11 Software

TAN Yi-yuan1, HAN Zong-de2, LI Yu-liang1

(1.ChuxiongXinyuanHydraulicandElectricPowerSurveyandDesignCo.,Ltd.,Chuxiong675000,China;

2.South-to-NorthWaterDiversionMidlineMainLineProjectConstructionManagementBureau,Tianjin

300134,China)

Abstract：Water surface line is calculated by MIKE11 software based on Saint-Venant Equation aiming at ecological management idea of Yunnan Longchuanjiang Yuanmou Section River Control Project. Achievements for meeting project demand can be calculated. Finally, characteristics of ecological river water surface line can be achieved through analyzing calculation result of water surface line.

Keywords：MIKE11 software; ecological river; water surface line; calculation

河道水面線計算是河道整治工程中的重要內容，河道水面線計算的實質是計算向下游演進的洪水過程的水深最大值，不同的最大值對應不同頻率的洪峰。整個洪水過程屬于非恒定漸變流，滿足圣維南方程組，但常規的河道水面線計算一般采用對應洪峰流量的恒定非均勻漸變流方程，即伯努里方程的分段試算法。在河道較為順直，支流較少，且渠化設計的河道往往能取得滿意的結果。近年來，河道治理理念發生改變，從國家到地方都要求對河道進行生態治理。生態治理的河道縱橫斷面復雜多變，常常要求治導線沿現狀河岸線布置，并保留現有的潭、坑、槽、灘的部位，不允許渠化設計。橫斷面一般采用梯形復式斷面，縱斷面因深潭等會形成逆向坡，采用基于伯努里方程的手算和PC1500等傳統軟件計算水面線就顯得比較困難，尤其在有逆向坡和深潭的位置容易出錯，平面堤腳距變化較大的地方也會計算不當，得不到計算結果，采用MIKE11軟件的非恒定漸變流計算則可以順利計算出滿足工程需要的結果。

1MIKE11軟件計算原理[1]

1.1控制方程組

MIKE11主要適用于河口、河流、灌溉渠道以及其他水體的模擬一維水動力、水質和泥沙運輸。MIKE11是基于垂向積分的物質和動量守恒方程，即一維非恒定流圣維南方程組來模擬河流或河口的水流狀態。軟件計算為非恒定流計算，計算時同時輸入整個洪水過程、水面線成果提取最高水位，即對應的最大流量水面線為計算成果。

無旁側入流方程組的具體形式如下：

(1)

(2)

式中x,t——分別為空間坐標和時間坐標；

Q，h——分別為斷面流量和水位；

A，R——分別為斷面過流面積和水力半徑；

B——河寬；

C——謝才系數；

g——重力加速度；

方程(1)為連續性方程，反映了河道中的水量平衡。方程(2)為運動方程，其中第一項反映某固定點的局部加速度，第二項反映由于流速的空間不均勻引起的對流加速度，前兩場合稱為慣性項；第三項反映了水深的影響，為壓力項；第四項反映了摩阻和底坡的影響。

1.2方程的基本假定

圣維南方程組的基本假定為：流速沿整個過水斷面均勻分布，可用平均值代替。不考慮水流垂直方向的交換和垂直加速度，從而可假設水壓力為靜水壓力分布，即與水深成正比；河床比降小，其傾角的正切與正弦值近似相等；水流為漸變流動，每一小段水面曲線近似水平。

1.3方程離散方法

采用Abbott-Ionescu 六點隱式差分格式求解。該格式在每一個網格點不同時按順序交替計算水位或流量，分別稱為h點和Q點，見圖1。

圖1　網格點水位點和流量點布置

在連續性方程(1)中，Q僅對x求偏導，以水位點h為中心，而動量方程(2)則以流量點Q為中心。

2工程應用實例

采用MIKE11軟件對云南省龍川江元謀段進行計算，先計算天然河道水面線，根據洪水調查結果對河床糙率進行率定，再根據治理后的縱橫斷面和平面布置進行設計水面線推算。

2.1龍川江河道治理工程概況[2]

龍川江為金沙江南岸一級支流，發源于南華縣天子廟坡，水流由西向東，經沙橋、南華、楚雄又折向北，經智明后進入峽谷，蜿蜒曲折行進近100多km，于元謀鳳儀村附近出峽谷，穿元謀壩區，經龍泉、苴林、新江，于江邊匯入金沙江，全長245km，河道平均坡降4.8‰。此次河道治理工程共治理河道長度6.05km，新建河堤7.915km。

2.2天然河道水面線計算

天然河道水面線直接采用Arc GIS將橫斷面提取出來，然后導入MIKE11進行計算，再由水文調查結果比對計算結果，同時率定糙率。率定結果為：河床糙率0.032，生態格濱護坡糙率0.032，連鎖式護坡植草部分0.029，綜合糙率加權平均公式為n=(n1x1+n2x2)/(x1+x2)。根據計算結果顯示，2年一遇洪水位水面線計算采用糙率為0.032，20年一遇和10年一遇水位采用糙率為0.031。水面線計算成果見圖2。

圖2　設計水面線計算成果

從圖2可看出：河道上段雖然水面線受河道內耕地影響，水面線較高，但兩岸現有元雙公路擋墻較高，滿足防洪要求，河段中段為縣城城區段，兩岸河堤較低，危及縣城安全。河段末端摩訶鐵路橋位置水面比降逐漸變緩，趨近水平，該段兩側都有突出的小山脊，為卡脖子段，治理措施以擴寬為主，受鐵路橋限制，斷面以矩形為宜。

2.3縱橫斷面設計

治理段振興壩0+000m至永武高速路1號橋1+840m, 設計底坡i=0.00345～0.003，河道兩岸為元雙二級公路，其公路擋墻堤頂經洪水過流復核，已能滿足20年一遇洪水標準，結構形式為下部矩形、上部梯形的復式斷面，該段只需作局部河段的清淤除障。永武高速路1號橋1+840m至摩訶鐵路橋6+050m段,設計底坡i=0.003～0.0225，屬于元謀縣城防護段，結合城市防洪及城市發展規劃，為營造人與自然和諧，增添親水氛圍，經分析比較后采用下部梯形、上部梯形的復式斷面，部分河段下部設置梯形主河槽，底寬30m，邊坡系數m=2.0，上部也為梯形斷面，部分河段設置深潭、淺灘。該治理河段涉及6座橋梁樁號，分別為：0+600m、1+500m、1+800m、2+050m、3+960m、6+050m，其中有四級公路拱橋、二級公路橋、高速公路橋、鐵路橋，橋墩寬度在河床橫斷面寬度中占的比例很小，僅為3%～7%左右，為簡化計算，計算時設計斷面凈寬扣除橋墩寬度即可。縱斷面上2+300～3+700m為主槽和兩岸河灘結合的復式斷面，底寬多為75～80m，4+300～5+100m為深潭，5+200～5+400m為親水寬淺灘，最寬處達180m。

2.4設計水面線計算成果

根據設計斷面計算得出的水面線成果見圖2。

從水面曲線計算成果來看，兩年一遇洪水時，即小流量時，河床邊界突變對水面線影響較大，深槽起點部位水面跌落明顯，逆向坡部位水面比降變緩，但沒有出現下游水面比上游水面高的不合理現象。設計流量時河道邊界突變對水面線的影響較小，水面線基本平行于河灘。末端受摩訶鐵路橋斷面控制，斷面漸變為矩形，河床底寬減小，基礎也受鐵路橋墩基礎影響，不能深挖。雖然該處已做擴寬處理，但水面線仍然有比降減緩現象，但已不至于對上游水深造成明顯頂托現象，且河道整治后已新建河堤，元謀縣城已達到20年一遇防洪標準。

3結語

河道水面線計算結果正確與否直接影響河道整治的規模、堤線布置、工程量和投資等，是河道治理中最為重要的計算內容，而生態河道的縱橫斷面多變也給河道水面線的計算帶來困難，采用基于圣維南方程的MIKE11軟件，不但成果準確還可以動態顯示水位上升過程，可為同類工程提供借鑒。

根據設計水面計算結果得到生態河道水面線的特點：小流量時河床邊界突變對水面線影響較大，深槽起點部位水面跌落明顯，逆向坡部位水面比降變緩，設計流量時河道邊界突變對水面線的影響較小，水面線基本平行于河灘。

參考文獻

[1]陳雪冬，邱勇. 基于HEC-RAS和MIKE11的山區天然河道水面線數值仿真[J]. 人民珠江,2014(3):36.

[2]譚毅源. 云南省楚雄州龍川江元謀縣重點段河道治理工程初步設計報告 [R].2014.