基于MIKE 11法對(duì)現(xiàn)狀堤防防洪能力研究

劉躍猛

(海城市河務(wù)管理處，遼寧 海城 114200)

基于MIKE 11法對(duì)現(xiàn)狀堤防防洪能力研究

劉躍猛

(海城市河務(wù)管理處，遼寧 海城 114200)

MIKE11以求解圣維南方程組作為理論基礎(chǔ)，包含了眾多的水文模擬方法，是動(dòng)態(tài)模擬河流和水道水力的世界級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，具有無限的河流模擬能力，它是國際多個(gè)國家模擬河流使用驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)工具，文章對(duì)現(xiàn)狀河堤防防洪能力分析的方式、方法進(jìn)行論述，研究結(jié)果將為MIKE11在河道中現(xiàn)狀防洪等問題提供參考借鑒。

MIKE11；防洪能力；分析；河流模擬；工具

1 研究情況

Mike一維洪水演進(jìn)主要是應(yīng)用海城河河道斷面，建立完整的河網(wǎng)模型，輸入水文資料，確定邊界條件，進(jìn)行海城河水面線的推求。模型結(jié)構(gòu)見圖1。以海城河?xùn)|三道橋至高鐵橋段，以此為例進(jìn)行研究討論。

2 模型建立

2.1 河網(wǎng)文件

生成河網(wǎng)文件有兩種方法，①利用DEM數(shù)據(jù)；②利用BMP地圖進(jìn)行數(shù)字化。海城河河網(wǎng)文件如圖2。

圖1 基本資料與MIKE 11文件關(guān)系圖

2.2 斷面文件

將某年實(shí)測(cè)斷面數(shù)據(jù)(河道各斷面x，z數(shù)據(jù))轉(zhuǎn)換為MIKE 11需要的文檔格式，導(dǎo)入斷面文件，見圖3。

圖3 海城河斷面文件

其中各斷面里程從CAD圖中計(jì)算得出，起始點(diǎn)東三道明水橋，樁號(hào)為22+527。海城河斷面多為復(fù)式斷面，呈階梯型形，主槽多位于河道的中心[2]。本次計(jì)算中，糙率根據(jù)實(shí)地勘測(cè)河道地形及組成確定。自東三道至東外環(huán)橋糙率系數(shù)n主槽選定為0.03，灘地為0.04，東外環(huán)橋至鐵路橋之間，主槽糙率選定為0.025，灘地糙率定為0.065；鐵路橋至高鐵橋，主槽糙率選定為0.03，灘地糙率確定為0.065。

2.3 邊界條件和時(shí)間序列文件

本次模擬區(qū)域下游高鐵橋處，距離河口較遠(yuǎn)，該處水位隨著流量的變化而變化，且無實(shí)時(shí)水文監(jiān)測(cè)資料[3]，下游邊界不宜設(shè)為Z(t)、Q(t)。

2.4 參數(shù)文件

本次計(jì)算中，糙率根據(jù)高分辨率衛(wèi)星圖片和多光譜實(shí)地勘測(cè)河道地形確定[4]。自東三道至東外環(huán)橋主槽糙率系數(shù)n選定為0.035，邊灘糙率定為0.04；東外環(huán)至鐵路橋之間河道經(jīng)過幾次整修已形成較為規(guī)整的堤防，糙率選定為0.025，灘地糙率定為0.065；鐵路橋至高鐵橋，該段內(nèi)邊灘多為樹木和農(nóng)作物，主槽糙率選定為0.03，邊灘糙率系數(shù)選定為0.065[5]。

2.5 模擬文件

模擬文件共有5個(gè)菜單，下面就逐一介紹各個(gè)菜單的設(shè)定。

1)模型菜單。模型類型選擇水動(dòng)力模型，模擬方式選擇非恒定流。

2)輸入菜單。在這里可以引入剛才生成的所有文件：河網(wǎng)文件、斷面文件、邊界文件、HD參數(shù)文件，并且可以隨時(shí)編輯這些文件。

3)模擬菜單。時(shí)間步長的確定經(jīng)常要通過反復(fù)試算調(diào)整，與河床地形與邊界條件密切相關(guān)，我們選擇固定時(shí)間步長為30sec。

模擬的起始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻要在邊界條件設(shè)置的時(shí)間之內(nèi)，不然模型無法起算。接下來選擇初始條件設(shè)定。本次計(jì)算中。糙率在斷面文件和參數(shù)文件中均進(jìn)行了設(shè)立[6]。穩(wěn)態(tài)和參數(shù)文件的選擇并不能改變模型模擬的結(jié)果。計(jì)算中，我們采用穩(wěn)態(tài)(steady state)進(jìn)行模擬。

4)計(jì)算結(jié)果菜單。定義輸出結(jié)果文件名和保存頻率。在模擬菜單中計(jì)算時(shí)間步長為30sec，我們不需要這么密的計(jì)算值，0.5h一個(gè)結(jié)果已經(jīng)足夠，那么就可以定義保存頻率為6個(gè)時(shí)間步長，即計(jì)算6個(gè)時(shí)間步長保存一次結(jié)果。這樣可以減小結(jié)果文件大小。

5)開始菜單。進(jìn)入Start菜單，準(zhǔn)備開始計(jì)算。在驗(yàn)證狀態(tài)框內(nèi)都是綠燈時(shí)，就可以按Start鍵開始計(jì)算了；如有紅燈，那么在下面的驗(yàn)證信息框內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的出錯(cuò)信息，按照提示進(jìn)行修改，直到出現(xiàn)綠燈。

計(jì)算運(yùn)行時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)警告信息，但這些問題還不至于影響到模型的運(yùn)行。若是出現(xiàn)錯(cuò)誤信息，則會(huì)停止運(yùn)行。按照錯(cuò)誤信息的提示修改各文件，或是調(diào)節(jié)某個(gè)參數(shù)，直到模型成功運(yùn)行到100%。這樣模型就建立成功，只需要進(jìn)行參數(shù)的率定驗(yàn)證了[7]。

2.6 模型驗(yàn)證

采用2002年海城水文站實(shí)測(cè)水文資料對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)。對(duì)比海城水文站，模型計(jì)算水位值與實(shí)測(cè)水位值見表1及圖4。

表1 實(shí)測(cè)水位與MIKE11模擬水位結(jié)果表

圖4 模擬水位與實(shí)測(cè)水位對(duì)比

分析表1及圖4發(fā)現(xiàn)，模型模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，兩者最大差值為0.41m發(fā)生在洪水漲水期，在洪峰期，模擬值與實(shí)測(cè)值基本一致。計(jì)算實(shí)測(cè)-模擬相關(guān)系數(shù)，達(dá)到0.994，證明模型具有一定的準(zhǔn)確性[8]。

3 模型推求洪水水面線

采用2002年作為典型洪水過程線，以水位-流量作為下游邊界條件根據(jù)，利用mike11建立海城站一維洪水演進(jìn)模型。

3.1 計(jì)算水面線

采用2011年實(shí)測(cè)斷面，2002年典型年設(shè)計(jì)洪水為計(jì)算條件，模擬計(jì)算50a遇洪水水面線。在不靠考慮風(fēng)浪影響的情況下，各頻率設(shè)計(jì)洪水，模型計(jì)算水面線與左右岸堤防關(guān)系，如圖5、6所示，海城河典型地段水面線計(jì)算成果見表2。

圖5 50a一遇洪水水面線與左岸堤防對(duì)比

圖6 50a一遇洪水水面線與右岸堤防對(duì)比

樁號(hào)位置模擬洪水水面線現(xiàn)狀堤頂高程P=2%左岸右岸最深河底高程橋梁底部高程22+527東三道橋374385441316914+728東外環(huán)橋28428729233145+583二臺(tái)子大橋2022522252310+000高速鐵路橋16318751918858

3.2 漫溢險(xiǎn)情分析

根據(jù)所繪制的河道行洪水面線，結(jié)合各個(gè)斷面的左右岸堤防，可以確定河道的堤防淹沒情況。遭遇50a一遇洪水時(shí)，15+605斷面至11+611斷面，除11+864斷面右岸沒有被淹沒外，其余斷面左右岸均有不同程度的漫堤；22+369、21+279、18+832、16+476、10+113、5+677和4+123斷面的右岸也出現(xiàn)漫堤情況。遭遇20a一遇洪水時(shí)，14+663斷面至11+611斷面右岸漫堤，其中14+568和13+539斷面輕微淹沒；左岸漫堤的斷面有18+832、12+539、14+663和11+968斷面，13+539、5+677和4+123斷面輕微淹沒。發(fā)生10a一遇洪水時(shí)，14+663斷面和12+539至11+611斷面右岸有漫堤情況；左岸淹沒的斷面有18+832、12+539和11+968斷面。

建立洪水演進(jìn)模型對(duì)規(guī)劃堤防進(jìn)行防洪能力評(píng)價(jià)分析。在考慮風(fēng)浪情況下，城區(qū)段分別采用100a一遇和50a一遇設(shè)計(jì)洪水水面線，與堤防進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果顯示原規(guī)劃堤防共有12處斷面是由于左岸堤防過低發(fā)生漫溢情況；有1處斷面是由于右岸堤防過低，發(fā)生漫溢險(xiǎn)情、樁號(hào)為12+347和11+968斷面兩岸均發(fā)生了漫堤。

由于項(xiàng)目段主要位于在市區(qū)內(nèi)，兩岸用地都較為緊張，河道拓寬成本較高，難以實(shí)現(xiàn)。在河道重新規(guī)劃過程中，主要采用加筑堤防，拓寬、清淤主槽增大河道過流能力等方式達(dá)到防洪要求。

綜上所述，12+539至11+611斷面右岸為主要漫堤線，應(yīng)采取加高堤防或拓寬河道等規(guī)劃措施。

3.3 橋梁的壅水分析

50a一遇橋梁壅水分析見圖7。

圖7 50a一遇洪水橋梁壅水分析

圖7中藍(lán)線為在有橋梁情況下，50a一遇設(shè)計(jì)洪水演進(jìn)水面線；粉線為為有橋梁情況下，50a一遇設(shè)計(jì)洪水演進(jìn)水面線。由于橋梁的壅水作用，整體上水位模擬結(jié)果包含橋梁的模型略高于未包含橋梁的模型。

3.4 典型河段流場(chǎng)分析

河道走勢(shì)的變化，會(huì)導(dǎo)致水流方向的改變。而對(duì)于河流走勢(shì)發(fā)生較大的堤段，由于水流的沖刷作用，往往會(huì)導(dǎo)致漫堤、甚至潰堤的可能。利用MIKE Zero中的Result Viewer工具，可以將模擬時(shí)間段河道內(nèi)的流場(chǎng)變化呈現(xiàn)出來。以下示意圖分別是遭遇50年一遇的洪水時(shí)，典型斷面及河道轉(zhuǎn)彎處的流場(chǎng)分布情況[9]。15+605斷面流場(chǎng)分布見圖8。

圖8 15+605斷面流場(chǎng)分布

4 結(jié) 論

本文總結(jié)了采用一維數(shù)值模型對(duì)河道內(nèi)洪水演進(jìn)進(jìn)行數(shù)值模擬，并取得了較好的效果。研究思路初步涵蓋各種防洪影響情況，具有普遍借鑒意義，但一維模型難以考慮河道的局部特征，并且不能模擬河道流場(chǎng)變化規(guī)律，因此，往往需要二維模型進(jìn)行對(duì)比計(jì)算[10]。

在對(duì)河道一維洪水?dāng)?shù)值模擬中，也充分證明mike11模型在該區(qū)域洪水演進(jìn)模擬中具有切實(shí)的可行性，為規(guī)劃斷面的一維模擬提供了依據(jù)。可以看出，一維模型建模簡單，可以隨時(shí)根據(jù)河道斷面更新數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行修改，同時(shí)模擬時(shí)間較短[11]。

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1007-7596(2016)11-0025-04

2016-10-20

劉躍猛(1981-)，男，遼寧海城人，助理工程師，研究方向?yàn)楹拥乐卫砼c管理、水利工程施工、水利工程管理等。

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