Mike 11模型在花涼亭灌區(qū)入渠洪水復(fù)核分析中的應(yīng)用

程遠(yuǎn)

（安徽省水利水電勘測設(shè)計研究總院有限公司，安徽 合肥 230041）

0 前言

MIKE11河流模型的核心是水動力模型，廣泛應(yīng)用于一維非恒定流計算，能方便靈活地模擬復(fù)雜河網(wǎng)水流以及水閘等各類可控水工建筑物。基于MIKE11軟件建立花涼亭灌區(qū)干渠水動力模型，經(jīng)對模型率定、驗證，并對渠道泄洪建筑物的建設(shè)規(guī)模進(jìn)行確定和復(fù)核，為相關(guān)工程的設(shè)計、實施以及決策提供依據(jù)。

1 工程概況

花涼亭灌區(qū)位于花涼亭水庫下游，控制土地面積1 196 km2，設(shè)計總灌溉面積7.06萬hm2，覆蓋太湖、宿松、望江、懷寧4縣25個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（其中太湖縣、宿松縣、望江縣為原國家級貧困縣），總?cè)丝?04.60萬人。灌區(qū)共分為太湖、宿松、望江、懷寧4個分灌區(qū)，由總干渠和太宿、太懷、望江南、北干渠輸水至各分灌區(qū)。

2 灌區(qū)干渠泄洪體系現(xiàn)狀

花涼亭灌區(qū)始建于1958 年，為江淮丘陵灌區(qū)，總干、干渠基本上是沿等高線或接近分水嶺布置。渠道上游有大量坡面來水，來水面積較大的沖溝河道一般已設(shè)有渡槽或倒虹吸、渠下涵等與渠道立體交差建筑物，分散的小面積山丘高地來水一般直接匯入渠道，就近從總干、干渠的泄洪閘排入泄洪河道。灌區(qū)針對入渠洪水，每隔5～10 km設(shè)泄洪閘一處，避免因入渠洪水沒有出路而漫溢決堤，影響工程安全。

花涼亭灌區(qū)排水分段根據(jù)各渠段特征、沿線渡槽超高以及下游泄洪河道過流能力等情況確定，總干渠分為4 個區(qū)段，南干渠分為3個泄洪區(qū)段，北干渠分為3個泄洪區(qū)段進(jìn)行泄洪。

3 模型建立

建立基于MIKE11的一維水動力學(xué)模型，分析計算渠道洪水、輸水情況，為工程設(shè)計提供依據(jù)。

3.1 模型控制方程及計算方法

采用河網(wǎng)一維非恒定流方法，建立花涼亭灌區(qū)總干渠及南、北干渠水動力學(xué)數(shù)學(xué)模型。采用6 點Abbott～I(xiàn)onescu 有限差分格式對圣維南方程組求解，其連續(xù)方程和動量方程見下：

式（1）（2）中：Q、Z、F、V和K分別表示某一時刻t 在某空間位置x斷面的流量（m3/s）、水位（m）、相應(yīng)過水?dāng)嗝娣e（m2）、斷面平均流速（m/s）和流量模數(shù)；B為水面寬度（m）；q為單位河長旁側(cè)入流流量（m3/s·m）；g為重力加速度（9.81 m2/s）。

3.2 計算方案

3.2.1 河網(wǎng)文件和斷面文件

模型計算范圍涵蓋灌區(qū)總干渠及南、北干渠存在入渠洪水的渠段范圍。河網(wǎng)文件采用現(xiàn)狀渠道走向，斷面文件以實測斷面為基礎(chǔ)，進(jìn)行概化后采用。河網(wǎng)模型根據(jù)渠道斷面變化及泄洪分區(qū)等情況共計設(shè)置了267個模型斷面，同時對渠道主要控制建筑物進(jìn)行了模擬設(shè)置，包括節(jié)制閘、泄洪閘在內(nèi)共計35處可控水工建筑物節(jié)點。

3.2.2 邊界條件

根據(jù)總干及南、北干渠截洪情況，共沿程設(shè)置流量進(jìn)口邊界69處，出口邊界18處。其中進(jìn)口流量過程采用“84辦法”水文計算成果，各出口采用泄洪閘原設(shè)計規(guī)模，邊界水位采用承泄河道推算的對應(yīng)頻率水位。

3.2.3 時間步長

模型模擬時間采用與入流洪水歷時相對應(yīng)，一般為22 h。考慮模型分析計算時的穩(wěn)定性，時間步長選取1 min。

3.2.4 模型率定

一般情況下，在模型計算中應(yīng)對水位、流速以及流量等進(jìn)行驗證。模型中渠道糙率主要考慮渠道情況，結(jié)合《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》中渠床糙率推薦取值，n取值為0.025，其他邊界條件結(jié)合渠道歷史實測水位及地方管理單位經(jīng)驗進(jìn)行分析率定。

3.2.5 模擬計算

總干渠設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇，其他干渠設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，其設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)條件下各渠段入渠洪水考慮錯峰，其中總干渠望龍沖入渠洪水較大（20年一遇為165 m3/s），洪水入渠采用平交方式，對應(yīng)泄洪閘為龍?zhí)逗购殚l。

模型的重點是對洪水過程進(jìn)行模擬，在調(diào)度運行方式上，充分考慮實際運行管理情況，按進(jìn)出渠道流量平衡方式運用，一般洪水時，考慮運行效益，以渠道現(xiàn)有電站排水為主，輔助調(diào)節(jié)泄洪閘開度，使泄洪閘閘前水位保持灌溉水位基本不變，最高不超過渠道加大流量水位；遭遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)洪水時，根據(jù)水文預(yù)報及灌區(qū)多年調(diào)度經(jīng)驗，渠道各泄洪分區(qū)開閘泄洪，總干渠水深最低控制在約2.00 m ，干渠水深最低控制在1.00～1.50 m，泄洪時泄洪閘全開自由泄洪，進(jìn)行調(diào)算。考慮到汛期與灌溉期可能存在重合，模型模擬調(diào)算初期采用渠道灌溉水位作為起調(diào)水位。

4 計算結(jié)果與分析

4.1 計算結(jié)果

經(jīng)分析計算，在設(shè)計工況下，花涼亭灌區(qū)總干渠及南、北干渠各主要節(jié)點洪水位高于灌溉水位一般在0.20 m 以內(nèi)，局部0.30～0.50 m。根據(jù)歷史情況調(diào)查，灌區(qū)自有運行管理記錄以來，干渠以上未發(fā)生因泄洪能力不足導(dǎo)致渠堤漫水的情況，認(rèn)為總干渠及南、北干渠原設(shè)計泄洪體系能解決設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)入渠洪水問題，泄洪閘原設(shè)計規(guī)模能滿足泄洪要求。見表1。

表1 渠道主要節(jié)點水位成果表

4.2 結(jié)果分析

根據(jù)花涼亭灌區(qū)實測地形資料以及原設(shè)計泄洪閘、節(jié)制閘等渠系建筑物資料，采用Mike11建立了總干渠以及南、北干渠的一維水動力模型，對設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)洪水工況下渠道洪水位分析計算，模擬了渠道分段控制泄洪以及多泄洪閘聯(lián)合泄洪的過程，結(jié)果表明灌區(qū)現(xiàn)狀泄洪體系能滿足下泄設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)入渠洪水的要求，同時也為花涼亭灌區(qū)泄洪閘的規(guī)模復(fù)核提供了依據(jù)。

Mike11 一維水動力模型中可控水工建筑物功能，能模擬多種控制調(diào)度方案的渠道分段泄洪過程，具有較好的模擬精度。模型應(yīng)結(jié)合歷史實測資料以及地方管理單位實際運行經(jīng)驗對糙率等邊界條件參數(shù)率定，這是灌區(qū)渠道河網(wǎng)模型分析工作中的重點和難點。