基于MIKE FLOOD模型的漫溢洪水演進(jìn)研究

張 利

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院， 遼寧 沈陽 110003)

基于MIKE FLOOD模型的漫溢洪水演進(jìn)研究

張 利

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院， 遼寧 沈陽 110003)

丹麥水力研究所開發(fā)的MIKE FLOOD模型是在國內(nèi)外大量項(xiàng)目實(shí)踐中發(fā)展起來的，在中國洪水計(jì)算領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文以北沙河為研究對象，搭建了主河道一維和淹沒區(qū)二維的側(cè)向耦合模型，考慮了阻水建筑物及過水涵洞的影響，模擬漫溢洪水的演進(jìn)過程。

MIKE FLOOD； 漫溢； 洪水演進(jìn)

1 引 言

研究區(qū)域?yàn)樯蜿柺刑K家屯區(qū)北沙河唐家臺(tái)至長大鐵路橋，河段長34km，洪水主要來源于上游山區(qū)洪水和區(qū)間平原排水，河道兩岸現(xiàn)狀無堤防。根據(jù)歷史洪水調(diào)查和兩岸地勢分析，大洪水時(shí)，河道兩岸地勢低洼地段均有可能發(fā)生洪水漫溢，需要建立全河段的漫溢洪水模型。

MIKE FLOOD是丹麥水力研究所開發(fā)的一維和二維動(dòng)態(tài)耦合洪水模擬軟件[1]，為河流與洪泛區(qū)、海洋與內(nèi)陸水道(海灣、內(nèi)陸湖)之間提供了有效的動(dòng)態(tài)連接方式，能夠很好地模擬潰堤、漫溢洪水，有很高的靈活性和模擬精度。該軟件已在丹麥、埃及、澳洲等國家和地區(qū)應(yīng)用多年，在國內(nèi)的長江實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)、上海蘇州河治理、淮河流域水質(zhì)管理與應(yīng)用等大型項(xiàng)目中也得到了廣泛應(yīng)用，已納入全國重點(diǎn)地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制項(xiàng)目系列軟件名錄。

2 洪水演進(jìn)模型的建立

2.1 模型基本原理

一維MIKE 11水動(dòng)力學(xué)模型為眀渠非穩(wěn)定流隱式有限差分格式模型，采用圣維南方程組，數(shù)值計(jì)算采用傳統(tǒng)的“追趕法”。離散方法采用六點(diǎn)隱式差分格式(Abbott格式)，在每一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)不同時(shí)計(jì)算水位和流量，按順序交替計(jì)算水位和流量，分別稱為h點(diǎn)和Q點(diǎn)(見圖1)。

圖1 Abott 格式水位點(diǎn)、流量點(diǎn)交替布置

二維模型采用MIKE 21中的FM模塊，為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。模型依據(jù)描述平面水流運(yùn)動(dòng)的二維非恒定流方程組，共包括三個(gè)方程：水流連續(xù)性方程、水流沿x方向的動(dòng)量方程、水流沿y方向的動(dòng)量方程，形式如下:

式中h——水深；

ζ——水面高程；

p、q——x、y方向單寬流量；

C——謝才系數(shù)；

g——重力加速度；

f——風(fēng)摩擦系數(shù)；

V、Vx、Vy——風(fēng)速及在x、y方向分量；

Ω——柯氏力參數(shù)；

Pa——大氣壓強(qiáng)；

ρω——水密度；

S、Six、Siy——源匯項(xiàng)及在x、y方向分量；

τxx、τxy、τyy——有效剪切力分量。

MIKE FLOOD 模型耦合連接一維、二維模塊計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)側(cè)向連接(見圖2)，當(dāng)河道水位高于二維地形高程即開始漫溢，漫溢型式為側(cè)堰。

圖2 MIKEFLOOD側(cè)向連接示意圖

2.2 邊界條件及網(wǎng)格劃分

建立主河道一維模型和淹沒區(qū)二維模型，河道兩側(cè)二維網(wǎng)格采用側(cè)向與一維河道模型連接[2-4]，連接范圍為唐家臺(tái)至長大鐵路橋。

一維模型上邊界取唐家臺(tái)斷面流量過程，區(qū)間入流采用分布式點(diǎn)源方式加入，為消除起點(diǎn)水位對水面線計(jì)算的影響，一維模型下邊界取研究河段下游10km自然斷面的水位流量關(guān)系，中間每隔1～1.5km布置一個(gè)斷面(見圖3)；二維模型閉邊界根據(jù)地形、路網(wǎng)高程值并結(jié)合現(xiàn)場查勘確定，以沈陽四環(huán)快速路、沈丹鐵路及丹阜高速公路為邊界，其他無明顯阻隔的區(qū)域根據(jù)一維水面線計(jì)算結(jié)果與地形高程確定邊界(見圖4)。

圖3 一維模型控制斷面位置示意圖

圖4 二維模型邊界示意圖

二維模型網(wǎng)格剖分以二維計(jì)算范圍作為邊界約束，以道路、河流等作為內(nèi)部約束，以北沙河邊灘為界將網(wǎng)格劃分為左、右岸兩部分，并沿主要阻水道路進(jìn)行網(wǎng)格剖分。模型區(qū)域面積251.4km2，平均網(wǎng)格面積0.0064km2，總計(jì)39117個(gè)不規(guī)則三角形網(wǎng)格。不規(guī)則網(wǎng)格對復(fù)雜地形的適應(yīng)性好，網(wǎng)格的邊可以沿著阻水建筑物，地形概化接近實(shí)際(見圖5)。

圖5 二維模型網(wǎng)格及主要道路示意圖

2.3 特殊問題處理

對洪水分析有較大影響的跨河橋梁、攔河建筑物在洪水計(jì)算中作為計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理。阻水道路、過水涵洞等建筑物在二維地形模型中按照實(shí)際高程概化處理。

2.4 參數(shù)選取

河道參數(shù)率定比較困難，河段內(nèi)沒有洪痕和水文站實(shí)測流量過程線，主要參考已有規(guī)劃成果并結(jié)合現(xiàn)場查勘和專家咨詢確定。經(jīng)分析，北沙河陳相屯以上為單一U形河槽，糙率取0.025～0.032，陳相屯以下河道為復(fù)式河槽，主河槽糙率取0.03，灘地取0.08～0.1。

二維模型糙率以土地利用類型圖層為基礎(chǔ)，參考省內(nèi)已有成果，按照樹叢、居民地、農(nóng)田等不同類型，賦予網(wǎng)格相應(yīng)的糙率，其中居民地取0.07～0.12，樹叢取0.065，旱田取0.06，水田取0.05，空地取0.035。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 洪水演進(jìn)過程

北沙河河段河道兩岸地勢較高，現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)20年一遇，超標(biāo)準(zhǔn)洪水50年一遇。經(jīng)計(jì)算，20年一遇洪水時(shí)，洪水漫溢范圍較小，僅集中在沿河500m范圍內(nèi)的部分村莊。故主要介紹50年一遇洪水結(jié)果，模擬時(shí)長為72h(見圖6)。

圖6 不同時(shí)刻漫溢演進(jìn)過程示意圖

3.2 合理性分析

以50年一遇洪水成果為例，長大鐵路橋上游左岸淹沒范圍最大，淹沒面積2.1km2，最大水深2.62m，洪水漫溢后，沿長大鐵路橋流向南側(cè)低洼地帶，在長大鐵路橋與蘇長線公路交叉處，水流沿公路穿過長大鐵路橋，繼續(xù)向西南低洼地區(qū)漫延。一方面淹沒情況與預(yù)案比較吻合，另一方面，模型在蘇長線與長大鐵路橋交叉涵洞的洪水演進(jìn)過程比較符合實(shí)際情況(見圖7、圖8)。

圖7 防洪預(yù)案風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域與模型計(jì)算對比

圖8 長大鐵路橋與蘇長線公路交叉涵洞與模型概化

4 結(jié) 語

針對缺乏實(shí)測資料的北沙河河道，利用MIKE FLOOD一維、二維耦合漫溢洪水模型，河道兩岸均以側(cè)堰型式實(shí)現(xiàn)34km的大尺度耦合連接，成功模擬計(jì)算了漫溢洪水演進(jìn)過程。經(jīng)過多方面對比分析，保證了模擬結(jié)果的科學(xué)性。研究成果可為河道防汛、土地利用規(guī)劃等提供技術(shù)依據(jù)，也可為其他河道漫溢模型搭建提供參考。

[1] 劉冀,李偉,張弛,等.碧流河水庫下游河道行洪能力及洪水淹沒模擬[J].中國農(nóng)村水利水電,2008(2):22-25.

[2] 王智勇,陳永燦,朱德軍,等.一維—二維水動(dòng)力耦合的河湖系統(tǒng)整體水動(dòng)力模型[J].水科學(xué)進(jìn)展,2011,22(4):516-522.

[3] 張防修,韓龍喜,王明,等.主槽一維和灘地二維側(cè)向耦合洪水演進(jìn)模型[J].水科學(xué)進(jìn)展,2014,25(4):560-566.

[4] 賴錫軍,汪德爟.非恒定流的一維、二維耦合數(shù)值模擬[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào),2002,6(2):48-51

Research on overflowing flood routing based on MIKE FLOOD model

ZHANG Li

(LiaoningResearchInstituteofWaterResourcesandHydropower,Shenyang110003,China)

MIKE FLOOD model developed by Danish Water Resources Institute is developed in a lot of domestic and foreign projects. It is applied widely in the field of flood calculation in China. In the paper, Beisha River is adopted as a research object to establish a lateral coupling model of main river channel one-dimension and submerged area two-dimension. The influence of water-resistant building and water culvert are considered for simulating the overflowing flood routing process.

MIKE FLOOD; overflowing; flood routing

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.02.013

TV122

A

1005-4774(2017)02- 0050- 05