基于MIKE11水動力模型的河道潰堤洪水模擬研究

王麗文

摘 要：本文通過分析MIKE11水動力模型基本理論和計算方法，對太子河干流河道利用該模型進行模擬分析，然后依據洪水、過流能力、水量平衡等實測數據結果對模型的可靠性與適用性進行驗證分析。研究表明：MIKE11水動力學模型能夠較好的反映太子河干流河道潰堤洪水實際狀況，模型表現出較強的適用性與可靠性；本文研究成果對于準確還原和分析洪水發生過程具有重要意義。

關鍵詞：太子河流域；MIKE11模型；河道潰堤；洪水模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.101

1 MIKE11水力學模型

太子河流域屬于溫暖帶濕潤半濕潤氣候區全年降水量充足其中71.2%降雨量集中在6～8月，全長413km流經本溪、遼陽以及鞍山等市。流域上、下游水位及干支流狀況對河道的影響顯著，河道內水位流量變化關系復雜，對河道潰堤洪水演算采用傳統的水文學法已無法滿足相關要求，而利用圣維南方程組可對任意時刻任意河道內的水位、流速和流量等因素進行計算分析[1]。據此，本文通過構建MIKE11模型對太子河防洪保護區的河道潰堤洪水過程利用模型進行模擬分析，然后對模型模擬結果的合理行和可靠行進行了驗證，以期為該區域洪水風險圖編制和制定防洪減災措施提供一定的決策依據和理論支持。

1.1 模型原理

河道水流為均質流態、不可壓縮的基本假定為MIKE11水動力學模型的前提條件，利用一維明渠非恒定流微分方程即圣維南方程組進行模擬分析。圣維南方程組如下所示：

1.2 構建模型

MIKE11水力學模型主要有河網文件、斷面文件、設定邊界條件并形成邊界文件，利用水文計算結果形成時間序列文件、設定時間步長形成模擬文件，實現一維河道及潰口的概化演算。地形地貌結構參數利用分辨率為50m×50m的數字高程圖（DEM）進行處理所得，利用非結構三角網絡進行單元網格劃分[2]。河道潰堤過程可采用MIKE11模型的潰堤模塊進行模擬分析，并分別對潰堤時機、潰口位置以及尺寸進行設置。模型的上游邊界以河流的流量為邊界，且以上游斷面在設定年限內的洪水過程為輸入參數，下游邊界是利用曼寧公式推算出的水位作為邊界，同時應考慮各斷面的頻率峰值，如下所示：

上述公式中：——分別為分洪流量和堰流系數；

——分別為寬度和堰流指數；

——分別為堰上游水位和堰下游水位；

——堰頂高程。

河道左灘地、主河道和右灘地的Manning系數n分別取值為0.02，0.036和0.05，并引入收縮、擴張分別表征河道能量損失；設定河道的擴張系數和收縮系數分別為0.2和0.1；邊界條件是進行河道模擬計算的必要條件，上游1河段的坡降比為0.0006，河道的臨界水深分別為3和4河段的邊界條件；采取混合流態為研究區域的河流流態。

2 河道潰堤洪水模擬研究

選取太子河防洪保護區河道橋潰口為研究對象，利用MIKE11模型對其進行潰堤洪水時間序列計算分析。計算范圍長136.5km，潰口選取歷史潰口處，瞬潰為潰口的發生類型其保證水位為45.6m。利用1：1萬精度的地形度和上述數據資料建立模型分析的斷面和河網文件。選取太子河上游水文站的設計洪水過程作為上游邊界條件大支流邊界劃分為5個區間入流點，并以下游水文站的水位流量關系作為下游邊界條件。主河道的糙率為0.025～0.030，灘地及耕田的糙率為0.041～0.048，植被林地糙率為0.06～0.07，村莊糙率為0.08～1.10，所選糙率均滿足河道潰口的水力性能要求，將該結果直接輸入MIKE11模型。初始水位和流量值分別為25.2m和0并以此構建河道參數文件，本文選取12s作為時間步長。利用MIKE11模型進行模擬分析潰口過程線圖1所示。

本研究選取2015年的實測洪水過程對模型的河道糙率取值合理性進行驗證，并以上游和下游水文站作為MIKE11模型的上、下邊界條件并對河道水位變化過程利用模型進行模擬演化，實測數據與模擬驗證過程和對比。研究表明：河道洪水沿程洪痕、監測站和洪水計算水位與實測水文之間的絕對誤差最大值不高于20cm。結合模擬結果河道洪水實測值與模擬值保持較高的一致性，在驗證的12d洪水過程中僅有個別點其誤差相對較大，其他各點的誤差均滿足相關研究，以此表明所選取的糙率值滿足模型的模擬精度要求。

3 結論

（1）潰口上斷面河道總洪量在不考慮滲漏、蒸發等損失的條件時，其值與潰口下斷面和潰口流入保護區內的流量的和保持一致，根據水量平衡基本理論說明該模型模擬結果較為合理、可靠。

（2）所構建的MIKE11水動力模型能夠較好的對潰口洪水變化過程模擬演化，模擬結果可作為二維洪水演算的邊界條件和決策依據。

（3）河道洪水實測值與模擬值保持較高的一致性，在驗證的12d洪水過程中僅有個別點其誤差相對較大，其他各點的誤差均滿足相關研究，本文所選取的糙率值滿足模型的模擬精度要求。

參考文獻：

[1]秦大庸，王浩，陳敏健等.西北地區水資源合理配置和承載力煙具[M].鄭州：黃河水利出版社，2003：1-20.

[2]吳俊秀，郭清.大凌河流域MIKE BASIN水資源模型[J].水文，

2011，31（01）：70-75.