基于MIKE11的多閘壩河道流量演進模擬與分析

張世鑫,張 靜

(沈陽農(nóng)業(yè)大學水利學院，遼寧 沈陽 110866)

在河道上設(shè)置多級閘壩可以保證河道的蓄水要求，增加水資源可利用量；保證流域水資源的供需平衡，進而對流域各分區(qū)進行水資源合理優(yōu)化配置，為流域發(fā)展提供必要條件[1-5]。然而，河道設(shè)置多級閘壩，會改變河流的自然連通性，使河道洪水預(yù)報及模擬變得復雜[5-7]。同時多級閘壩聯(lián)合調(diào)度，需要各閘壩處有完備的和滿足精度要求的流量資料，這給水文流量測驗工作也帶來巨大壓力[7-8]。為分析多閘壩設(shè)置對河道流量傳播的影響，同時模擬出各閘壩斷面流量過程，減少水文測驗工作量，進行多閘壩段河道流量演進模擬研究十分必要。目前，流量演進模擬多是采用MIKE模型進行。近年來，國內(nèi)用MIKE 11模型在不同流域進行了有關(guān)河道流量演進規(guī)律的研究:吳天蛟等[9]應(yīng)用MIKE 11軟件建立有區(qū)間入流的三峽庫區(qū)水力學洪水演進模型，得到對應(yīng)的出庫流量、壩前水位的模擬值，預(yù)報精度達到甲級標準;同時，林波[10]的研究表明，MIKE11水動力模型在三峽區(qū)洪水演進中精度較高。在國外2009年，Ehsan Ranaee等[11]以ZOSHK河為例，以HEC-Geo-HMS軟件的輸出信息作為MIKE 11模型的輸入數(shù)據(jù)，研究該河流洪水演算過程。2013年，Mauricio等[12]基于MIKE 11、InfoWorks-RS和HEC-RAS，建立了3個河流一維水動力模型，以比利時Dender河流域為研究對象，對3場歷史洪水的洪峰流量、水位、淹水量和淹沒面積進行預(yù)測。研究表明，MIKE模型在河道流量模擬研究中具有很好的應(yīng)用性。現(xiàn)有研究主要集中于河道流量的演進及洪水淹沒范圍預(yù)測，多是不考慮水工建筑物或僅考慮輸入輸出端水工建筑物影響下的河道條件，對于設(shè)有多級閘壩影響的河道流量演進模擬及分析研究還較少。

蒲河是沈陽市的城市內(nèi)河，隨著蒲河生態(tài)廊道建設(shè)，對蒲河水系連通、水質(zhì)改善、水生態(tài)多樣性提出了更高的要求。蒲河上游有棋盤山水庫，下游有團結(jié)大閘，在棋盤山水庫與團結(jié)大閘間修建有橡膠壩、攔河閘等攔蓄水工程，在非汛期這些閘壩工程攔蓄徑流形成水面，在汛期閘壩工程均采用自由泄流方式保證度汛安全[13-16]。為保障蒲河生態(tài)廊道水系連通，防洪安全，研究多閘壩條件下河道流量演進規(guī)律是十分必要的，然而對于蒲河棋盤山水庫至團結(jié)大閘間流量演進模擬研究還不多見，對于閘壩工程對河道流量演進的影響也未見分析。因此，本文以蒲河流域棋盤山水庫—團結(jié)大閘段為研究對象，采用MIKE 11 HD模型模擬河道流量演進過程，分析在多閘壩條件下流量傳播時間和衰減特性，為蒲河廊道閘壩調(diào)度提供依據(jù)，也為其他相似的多閘壩河道流量模擬及洪水預(yù)報提供參考。

1 研究區(qū)概況

蒲河發(fā)源于鐵嶺橫道河子想兒山，于棋盤山開發(fā)區(qū)望濱街道古砬子村入境，經(jīng)沈北新區(qū)、于洪區(qū)、新民縣、遼中縣，于遼中縣觀坨鄉(xiāng)黑魚溝村南入渾河，全長205 km，流域面積2 610 km2。蒲河整個河流走向為東北至西南方向，是從山區(qū)到平原的過渡型河流。棋盤山水庫位于蒲河上游，控制面積133 km2，占蒲河流域總面積的6.3%，是一座中型山谷水庫。團結(jié)大閘位于蒲河下游，處于蒲河右岸冷子堡鎮(zhèn)金山堡段，有水面1 667 hm2，平均水深4 m。蒲河上有蒲河支流、江河導水路、九龍河、小渾河排干等支流，在棋盤山水庫至團結(jié)大閘之間河道上建設(shè)攔蓄水建筑物7處，分別為7號閘、6號閘、1號閘、閘上橡膠壩、老什牛橡膠壩、大河泡和團結(jié)大閘。工程分布概化見圖1。

2 MIKE11模型構(gòu)建

MIKE11模型的構(gòu)建需要河網(wǎng)文件、斷面文件、邊界文件及參數(shù)文件。

a)河網(wǎng)文件(圖2)。基于ArcGIS的三維數(shù)字高程(DEM)生成計算區(qū)域內(nèi)的流域水系,使概化后的河網(wǎng)輸水能力和調(diào)蓄能力與實際河網(wǎng)相近或基本一致，能反映天然河網(wǎng)的水力特性。

b)斷面文件。為滿足模型精度以及運行穩(wěn)定性要求，研究河道的斷面數(shù)據(jù)主要來自水文站大斷面數(shù)據(jù)。斷面數(shù)據(jù)包括每個斷面的起點距x和河底高程z。通常情況下，收集得到的實測斷面數(shù)據(jù)多為文本格式或者Excel格式，在數(shù)據(jù)過多時直接輸入會因工作量過大導致效率低下并可能出現(xiàn)錯誤，因此需要將斷面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成與模型相對應(yīng)的格式。打開MIKE11中斷面文件并選取Import Raw Data&Recomput導入轉(zhuǎn)化好后的斷面數(shù)據(jù)，進行合理性檢查后即可得到斷面文件。

c)時間序列文件。時間序列文件一般為模型計算所需的實測水位、流量等其他條件，其有固定的格式，后綴帶有.dfso。本文選擇等時間間隔Equidistance Calenda Axis[17-19]。設(shè)置2個時間序列文件，第一個為棋盤山水位流量數(shù)據(jù)，另一個為團結(jié)大閘的實測水位流量數(shù)據(jù)，用以模型的率定和驗證。

d)邊界條件。邊界條件分為2種：外部邊界條件和內(nèi)部邊界條件。外部邊界的河段端點(即自由端點)不與其他河段相連，物質(zhì)流出模型區(qū)域；流入也必然是從模型外部流入，這些地方需要有流量、水位值。而內(nèi)部邊界條件是指從模型內(nèi)部河段某點或者某段河長流入或流出模擬河段的地方。從水文站獲得實測流量數(shù)據(jù)及相應(yīng)的水位資料為建模所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將做好的時間序列文件，用以確定模型的邊界條件。MIEK11模型計算需要知道研究河段起始時刻的流量和水位[20-24]，因此以棋盤山的實測流量、水位數(shù)據(jù)為上游邊界條件。

e)參數(shù)文件。參數(shù)文件包括初始值設(shè)置和河床糙率設(shè)置。河道初始值采用實測流量數(shù)據(jù)。河床糙率是一個綜合性的參數(shù)，本文采用洪水模擬的方法進行該參數(shù)率定。斷面糙率n值分別選取0.015、0.020、0.025、0.030、0.035五個值進行流量模擬，通過模擬結(jié)果可知，當糙率為0.025時模擬流量過程和實際流量過程契合度最高，因此，確定研究河段的糙率為0.025。不同糙率下流量模擬的結(jié)果見表1。

表1 不同糙率下流量的模擬精度

3 模型的驗證

為進一步確定模型的適用性，在確定糙率n=0.025前提下，將下游團結(jié)大閘斷面作為對比斷面，對2017年8月11日至8月27日、2018年8月1日至8月17日流量過程進行模擬，并與實測流量過程進行對比，模擬結(jié)果對比見圖3。

a)2017年8月11日至8月27日過程

經(jīng)計算，2017年8月11日至8月27日、2018年8月1日至8月17日的模擬流量過程與實測流量過程的相關(guān)系數(shù)分別為0.97、0.96均大于0.70；徑流總量相對誤差分別為1.73%、1.64%，在許可誤差范圍內(nèi)；確定性指標分別為 0.98、0.99，都接近于1；Nash-Sutcliffe效率系數(shù)分別為0.98、0.99，也都趨近于1；均方根誤差分別為0.11、0.13，都趨近于0，說明構(gòu)建的模型對研究河道具有良好的適應(yīng)性。

4 模擬與分析

4.1 流量傳播時間分析

基于MIKE軟件構(gòu)建的蒲河棋盤山—團結(jié)大閘河段水動力學洪水演算模型，將研究河段分為棋盤山—7號閘、7號閘—6號閘、6號閘—1號閘、1號閘—閘上橡膠壩、閘上橡膠壩—老什牛橡膠壩、老什牛橡膠壩—大河泡、大河泡—團結(jié)大閘7個區(qū)段，對研究河段的不同區(qū)段不同洪峰流量的傳播時間進行模擬計算，結(jié)果見表2。

表2 不同區(qū)段洪峰傳達時間計算結(jié)果

由表2計算結(jié)果可知，棋盤山—7號閘、7號閘—6號閘、6號閘—1號閘、1號閘—閘上橡膠壩、閘上橡膠壩—老什牛橡膠壩、老什牛橡膠壩—大河泡、大河泡—團結(jié)大閘7個區(qū)段的洪峰流量與傳達時間之間呈現(xiàn)出比較顯著的冪函數(shù)關(guān)系，從而可以得到不同區(qū)段洪峰流量與傳播時間的擬合關(guān)系曲線，見圖4。各斷面函數(shù)冪指數(shù)均為負值，表明洪峰流量越大，洪峰傳達時間越短，這符合一般經(jīng)驗規(guī)律[25-28]。在相同洪峰流量下，區(qū)段之間的距離越遠，洪峰傳達的時間越長。

圖4 各區(qū)段洪峰傳達時間對比

4.2 流量傳播衰減變化分析

通過衰減率及每千米衰減率2個指標分析河道流量傳播衰減變化，指標計算公式如下：

(1)

(2)

式中Wi、Wj——各段模型計算流量，m3/s；Li-j——各區(qū)段距離，km。

利用構(gòu)建好的MIKE11模型，計算了2016年7月15—31日和2017年7月15—31日各區(qū)段洪水過程的河段流量沿程衰減變化。結(jié)果見表3。由表3可知 2016年7月15日—2016年7月31日、2017年7月15日—2017年7月31日各區(qū)段流量衰減率基本相同；在2016年7月15日—2016年7月31日、2017年7月15日—2017年7月31閘上橡膠壩—老什牛橡膠壩區(qū)段流量衰減率均為7個區(qū)段每千米流量衰減率的最高值，為0.52%；7號閘—6號閘區(qū)段每千米流量衰減率均為7個區(qū)段每千米流量衰減率的最小值，為0.16%。

表3 各區(qū)段流量衰減率計算結(jié)果

通過現(xiàn)場查勘可知，7號閘—6號閘區(qū)段位于沈北新區(qū)段，河道渠系化，河道斷面規(guī)整，而閘上橡膠壩—老什牛橡膠壩區(qū)段位于遼中縣，天然河道寬而植被多，河流蒸發(fā)滲漏損失大。不同河道特性導致各區(qū)段不同程度流量的衰減，進而對流量演進產(chǎn)生影響。

5 結(jié)論

多閘壩河段因為閘壩的影響，流量傳播規(guī)律復雜，給河道流量預(yù)報及水量調(diào)度帶來困難。本文以蒲河棋盤山水庫—團結(jié)大閘段河道為研究對象，將河段分為棋盤山—7號閘、7號閘—6號閘、6號閘—1號閘、1號閘—閘上橡膠壩、閘上橡膠壩—老什牛橡膠壩、老什牛橡膠壩—大河泡、大河泡—團結(jié)大閘7個區(qū)段，研究不同區(qū)段洪峰流量傳播時間及流量傳播衰減變化，主要結(jié)論如下。

a)構(gòu)建多閘壩河道水動力模擬模型，經(jīng)參數(shù)率定，模型在河道具有較好的適用性。

b)棋盤山水庫—團結(jié)大閘段各閘壩區(qū)間流量衰減率為2.17%～2.33%；區(qū)段里程越遠，流量傳播時間越長，流量損失越大；但每千米衰減率與河道特性、河道兩岸植被相關(guān)，受人工渠化影響，7號閘—6號閘段每千米流量衰減率最小，而閘上橡膠壩—老什牛橡膠壩區(qū)段每千米流量衰減率最大。

c)基于水動力學洪水演進模型，模擬出各閘壩區(qū)間流量傳播時間模型，得出洪峰流量與傳播時間之間呈現(xiàn)出比較顯著的冪函數(shù)關(guān)系，洪峰流量越大，洪峰傳達時間越短。

d)以蒲河流域多閘壩河段為研究對象，分析了多閘壩條件下河道流量的演進模擬及傳播規(guī)律，為蒲河生態(tài)廊道建設(shè)維系水系連通及河道防洪策略制定提供依據(jù)。本文研究方法也可為其他相似的多閘壩地區(qū)流量模擬及洪水預(yù)報提供重要的參考價值。