MIKE11水動力模型在河道防洪規劃中的應用

黃志龍

(寧波市鄞州區水利水電勘測設計院，浙江 寧波 315000)

0 引言

據相關研究，MIKE模型已被普遍的運用于蓄滯洪區危險性預測、城市防洪分析、河道及湖泊水位模擬、水庫庫區洪水演進、暴雨洪水災害風險分析、蓄滯洪區洪水演進數值模擬等許多項目實例中[1]。寧波市鄞州區為進行軌道交通地產開發，需對地塊涉及河道進行水域調整及河道整治，共涉及河道5條，其中骨干河道1條，這些河道在區域輸水、防洪排澇中起到不可替代作用。為驗證區域防洪工程規劃的可行性，通過MIKE11建立數學模型就洪水影響分工況分析驗證。

1 區域背景

鄞州區邱隘鎮前殷地塊整治河道位于鄞州中心城區中部融合區域，屬奉化江流域，鄞東南平原水系。鄞州區全區面積814 km2，山區面積293 km2，占總面積的36.0%；平原面積475 km2，占58.3%；水域面積46 km2，占5.7%。奉化江流域東、西、南三面環山，北面臨姚江及甬江，地勢三面高，中間低，流域總面積2378 km2。奉化江及其主流剡江、支流縣江、東江和鄞江自南向北穿平原而過，河網水系見圖1。

圖1 河網水系分布圖

2 洪水分析模型

2.1 基本原理

采用MIKE11軟件的水動力模塊模擬流域水動力情況。MIKE11軟件廣泛地應用于河口、河網的水位、流量、水量模擬。

2.1.1 水流方程

洪流演進計算的平原河網河段縱橫交叉，河網類型屬濱海河網，河流下游直接與杭州灣相連，河網水流呈不恒定狀態，河網中各河段水位、流量、流速和過水斷面隨時間、地點不斷變化，洪水排放又受河口潮汐頂托影響，在外海潮汐和上游洪水的相互作用下，使水流運動更趨復雜。

采用一維非恒定流方法來描述水流在明渠中運動，其基本方程圣維南偏微分方程組為：

式中：q為河道旁側入流，m3/s；BT為當量河寬，m；Z為斷面水位，m；Q為流量，m3/s；K為流量模數。

2.1.2 節點方程

在一個河網中，河道與河道相互交叉連結，其連接點成為節點，每個節點均要滿足兩個銜接條件，即水量連接條件和動力連接條件。

流量銜接條件：即每一節點的流量必須滿足水量平衡原理，即每一時刻進入節點的流量和等于節點蓄水量的變化：

式中：Qi中下標i為交匯于某一節點所有河道的編號，ω為節點的蓄水量。

節點可以具有調蓄功能，其連續方程形式為：

式中：St為t時刻節點水礦山機械設備廠面積，m2；H為節點水位，m；∑Qt為節點流量和，m3/s。

節點方程的差分形式為：

對于無調蓄能力的節點：

動力銜接條件：某一節點上，各連接河道斷面上水位和流量與節點平均水位之間必須符合實際的動力銜接條件，要求滿足Bernoulli方程。若節點無調蓄作用，則動力銜接條件簡化為：

Hi=H

式中：Hi為與節點相連的河道斷面水位，m；H為節點水位，m。

整個河網為若干河道和節點的組合，河網水量的控制方程即為每一河道的控制方程與每一節點銜接條件及初邊值條件聯立所得的微分方程組。數值求解河網水量微分方程組，則可以求出每一河道指定斷面處以及節點上的水位、流量等水力變量。

2.2 河網概化

一維河網水動力模型主要分為4大部分：干流區、海西河網、鄞州河網和江北鎮海河網。海西河網西至沿山干河，北至姚江，東至奉化江，南至鄞江、奉化江；鄞州河網西至東江、奉化江，北至甬江，東、南至東部山區；江北鎮海河網西至慈江大閘，東至澥浦、新泓口出?？冢现烈?。計算區域內的河道被概化為489個河段，3726個河道斷面，139個概化湖泊，見圖2。

圖2 河網概化圖

2.3 區域防洪規劃

根據防洪排澇規劃，要求治澇布局上應充分利用緊靠甬江，地勢較高具有高水高排的有利條件，采取疏通骨干河道，擴大排水口閘門規模的工程措施，因勢利導增加主排水方向，使向奉化江排水為主轉變為向奉化江與甬江排泄相結合。河道布局上擬定鄞州平原采用六縱四橫的輸水排水系統：南北向六縱排水系統為甬新河排水系統、沿山干河排水系統、小浹江排水系統、印洪碶河排水系統、新(老)楊木碶排水系統、大東江—陳郞橋江排水系統；東西向四橫輸水排水系統為前塘河排水系統、中塘河輸水系統、后塘河輸水系統和張家碶—楝樹港排水系統。

2.4 防洪排澇分析計算

2.4.1 計算工況

考慮現狀及規劃工程，將計算工況分為三種：工況1，現狀；工況2，現狀+地塊規劃；工況3，水利規劃+城市規劃。針對鄞州區平原防洪排澇的重要性和客觀需要，工況1為當前鄞東南平原實際情況設置，工況2按照鄞州平原現狀和項目區規劃實施的情況設置，工況3按照鄞東南平原河網規劃和城市規劃實施設置。

2.4.2 分析計算

(1)工況1：現狀

在現狀城市建設下墊面情況下，根據鄞東南平原水利建設完成現狀，包括沿江防洪工程、平原河道整治工程、平原排澇閘站工程等，利用驗證后的模型，對項目區及其周邊平原排澇能力進行分析。根據前述水利計算方法，項目區地塊及其周邊現狀水利計算成果見表1。

表1 現狀條件下項目區河道水位

根據表1可知，與區域開發建設進程相比，水利建設步伐仍顯滯后，區域地坪不斷抬高，平原區調蓄面積不斷縮小，也給平原區的行洪排澇帶來壓力。一方面平原區部分河道，特別是農田區和老鎮區河道，現狀規模仍與規劃要求存在一定差距，平原河網行洪仍然受阻；另一方面受到外海潮位的頂托，沿江水閘排水量有限，也限制了平原區排澇能力。因此，現狀條件下，鄞東南平原遭遇大暴雨后，除鄞州中心區以及新建區外，其它地勢較低地區仍有不同程度的受淹。

現狀條件下，項目區周邊已建設區域地勢相對較高，基本可以滿足50 a一遇防洪標準；項目區東側老鎮區及農田區附近地勢較低，當遭遇10 a一遇洪水時，則有不同程度受淹，如田鄭村附近，遭遇10 a一遇洪水時，最大淹沒水深超過0.5 m，受淹時間超過10 h。

(2)工況2：現狀+地塊規劃

現狀下墊面條件下，地塊按照其規劃建設后，利用驗證后的模型，對項目區及其周邊區域的排澇能力進行分析計算。地塊建設后水利計算成果見表2。

表2 現狀+規劃地塊條件下項目區河道水位

根據表2可知，在現狀條件下，隨著項目區地塊的開發建設，地塊地坪整體抬高，區域調蓄空間進一步縮小，項目區周邊澇水位均有一定的抬升，最大抬升高度約7 cm。地塊開發建設后，地塊西側鄞州中心區、南側潘火街道住宅區，北側東部新城核心區等區域地坪高程均在3.00 m以上，基本可防50 a一遇的澇水。地塊建成后，原地塊內低洼區域可蓄澇水向周圍排出，地塊周圍西側、南側及北側區域部分河道水位略有抬升，由于其地坪較高，區域防洪排澇基本不受大的影響；而其東側地勢較低地區，則有不同程度的受淹，地塊東側邱隘鎮田鄭村及方莊文化公園附近，受到澇水轉移的影響，淹沒時間有所增加，增加約6 h～9 h。

(3)工況3：水利規劃+城市規劃

鄞東南平原按照《甬江流域防洪治澇規劃》和《寧波市鄞州區河網水系規劃》的總體要求實施，并結合《寧波市城市總體規劃》和《寧波市鄞州區潘火地段控制性詳細規劃前殷區塊調整論證報告》等城市發展規劃，分析項目區地塊及其周邊防洪排澇能力。

根據前述水利計算方法，項目區地塊及其周邊規劃條件下計算成果見表3。

表3 水利規劃+城市規劃工條件下項目區河道水位

根據計算結果可知，規劃條件下，隨著項目區及其周邊地塊的建設，區域內河道河面寬度均拓寬至規劃河面寬，河底高程均開挖至規劃高程，增加了區域河道蓄水能力，增強了區域河道行洪排澇能力，區域防洪排澇體系建設更加完善，區域澇水位均有不同程度的降低。

3 結語

本文基于圣維南方程，結合區域河網水系特征，建立了片區一維水動力模型，根據防洪規劃和工程節點布置進行了三種工況下的水動力數值模擬，獲得了區域現狀和不同規劃條件下的洪水水位計淹沒情況。由結果可知，MIKE11水動力模型在防洪規劃及河道整治中具有較好的應用價值，值得相關研究在應用深度和廣度方面繼續推進。