MIKE11在泄洪閘閘寬比選中的應用
——以江西省某灌區(qū)為例

范營營

（中鐵水利水電規(guī)劃設計集團有限公司，江西 南昌 330029）

江西省某灌區(qū)始建于1958年，設計引水流量3.87 m3/s，設計灌溉面積26.4 km2，分為東西2條干渠。其中，西干渠為傍玉笥山而建，為了保持一定的高水頭，多系沿山體等高線半挖半填而成，截斷佩貝水等多條山洪溝。洪水直接入渠，易造成局部岸坡崩塌淤塞，給渠道運行安全和周邊防洪排澇造成較大壓力。隨著經濟社會發(fā)展和城市建設，渠道下游已開發(fā)為縣城建成區(qū)，該干渠同時承擔縣城的截洪排洪任務，對渠道汛期排洪提出了更高要求[1]。

西干渠沿線水系較發(fā)育，地形復雜，汛期邊山洪水呈集中和分散式多處入渠，并由沿線泄水閘下泄。汛期水流為明渠一維非恒定流，一般采用圣維南方程組進行描述[2]。MIKE11是以圣維南方程組為基礎的一維水動力模擬系統(tǒng)，經過幾十年的改進和發(fā)展，已在河道治理、涉河工程建設項目數(shù)值模擬領域取得很好的應用效果[3]。如丁志良[4]等以瀏陽市南川河為例，利用MIKE11模型進行水力計算，計算結果可為生態(tài)護岸方案提供依據(jù)；張濤[5]以平原河道為例，采用MIKE11一維水動力模型計算水面線，并用驗證站洪水進行模型驗證，結果表明在大流量階段模擬水位與實測水位吻合較好，模型具有較好的適應性；陳杜銳[6]以某城市建成區(qū)河道為例，基于伯努利方程和MIKE11模型，對不同護岸結構的河道水面線分別進行模擬計算，結果表明，在復雜斷面河道水面線計算中，MIKE11模型原理假定、計算結果更為合理。上述MIKE11的應用針對復雜的邊山洪水和調度策略的研究較少，本文利用MIKE 11軟件分析多泄洪閘聯(lián)合泄洪時不同泄洪閘閘寬下的水面線，為工程方案優(yōu)化設計提供依據(jù)。

1 工程概況

本次水系整治工程治理范圍為江西省某灌區(qū)水坑村至工業(yè)園段，對應樁號K0+000—K6+070，設計防洪標準為10 a一遇，擬定工程措施為渠道的清淤和襯砌、渠系附屬建筑物的新建及改造[1]。

水坑村為工程治理起點，此處佩貝水干流與西干渠平交。為解決暴雨期間洪水倒灌進西干渠問題，擬在交叉處上下游各建節(jié)制閘，洪水期間關閉2處閘門，交叉斷面以上洪水由西干渠現(xiàn)狀泄洪閘排入佩貝水，交叉斷面下（樁號K0+150）至本次工程治理終點工業(yè)園（樁號K6+070）之間的邊山洪水通過沿渠的3座泄洪閘排入現(xiàn)有渠系。其中，泄洪閘1為已建工程，位于樁號K2+755處，本次對其進行原址原規(guī)模更新改造；泄洪閘2和泄洪閘3為新建工程，位于樁號K4+780和K5+780處。同時，為控制水流方向，西干渠治理末端樁號K6+070處新建1座工業(yè)園節(jié)制閘，水系及工程布置概化如圖1所示。

圖1 水系及工程布置概化

2 數(shù)學模型

2.1 控制方程及其求解

MIKE11中水動力模塊的控制方程為圣維南方程組，該方程組是由連續(xù)性方程和動量方程組成的雙曲面偏微分方程組：

連續(xù)性方程為：

動量方程為：

式中：Q為流量（m3/s）；q為側向入流（m3/s）；x為距離（m）；A為過水斷面面積（m2）；t為時間（s）；α為動量修正系數(shù)；h為水位（m）；g為重力加速度（m/s2）；C為謝才系數(shù)（m0.5/s）；R為水力半徑（m）。

圣維南方程組是雙曲線型微分方程，可用特征線法和有限差分法進行求解，應用于明渠非恒定流時一般使用有限差分法。為使模型運算結果穩(wěn)定和誤差小，MIKE11采用6點Abbott隱式有限差分格式求方程組的數(shù)值解，求解之前需將圣維南方程組進行離散。

2.2 渠道平面及斷面布置

根據(jù)渠道工程方案，設計渠道走向和現(xiàn)狀一致，水坑村下和工業(yè)園各設置2座節(jié)制閘，模型計算范圍為2座節(jié)制閘之間，對應樁號為K0+150—K6+070，全長5.92 km，計算范圍內共有5座可控建筑物。

根據(jù)項目性質、占有的地形資料和實測水位數(shù)據(jù)，本次泄水閘采用MIKE11中的側向建筑物，計算引擎自動生成一條虛擬側向河道，泄水閘作為虛擬河道的常規(guī)建筑物，軟件通過定義側向河道出流點一個低水位邊界條件，假設泄水閘出流和過流都是自由的。

由于渠道疏浚僅按淤積厚度進行清淤，基本保持原水渠縱坡1/1500[1]，西干渠沿線大部分已發(fā)展為城區(qū)建成區(qū)，渠道岸坡應綜合考慮道路紅線及房屋保護情況，并結合相關規(guī)范和渠道襯護方案，確定為1∶0.5和1∶1.5。

渠道斷面文件以實測1∶2000條帶圖和現(xiàn)狀地形圖為基礎，采用工程整治后的斷面為模型輸入橫斷面，本次模型共設置123個斷面，如圖2所示。

圖2 模型計算范圍及渠道平面

2.3 邊界條件

下節(jié)制閘（樁號K0+150）至工業(yè)園節(jié)制閘（樁號K6+070）區(qū)間邊山洪水主要源于佩貝水支流水系，總集水面積21.3 km2，分5部分匯入西干渠，經調蓄后，由沿渠3座泄洪閘流出。區(qū)間洪水匯入點分別位于樁號K2+245、K4+770，各匯入點洪水過程采用推理公式法由《江西省暴雨洪水查算手冊》（2010版）中相關參數(shù)查算，如圖3所示，匯入點之間來水以坡面徑流形式匯入渠道，其設計洪峰流量利用簡化地區(qū)綜合法估算，具體為選取工程附近下墊面、地形、集水面積等產匯流條件類似的流域，并由上述推理公式法推算其設計洪水，得出集雨面積和洪峰模數(shù)相關關系如圖4所示，查得各小流域的設計洪水流量。

圖3 邊山設計洪水過程示意

圖4 工程附近小流域集雨面積和洪峰模數(shù)經驗關系

模型的邊界條件還包括渠道兩端樁號K0+150和K6+070各設置1座節(jié)制閘，暴雨洪水期間關閉2座節(jié)制閘，模型兩端為閉邊界。

2.4 計算方案

2.4.1 模型參數(shù)方案

模型模擬時間和設計洪水持續(xù)時間對應，計算時間步長為1 min，空間步長最大值為50 m。一般情況下，在模型計算時，應對渠道糙率等進行驗證。由于西干渠缺乏實測水文資料，本次計算的模型斷面為襯砌整治護岸的渠道斷面，其糙率主要考慮工程實施后的渠道情況，渠道混凝土護坡段采用n=0.018、渠底采用n=0.0275。

2.4.2 洪水調度方案

西干渠泄洪閘調度方案根據(jù)渠道的汛期調度方案進行，以“小雨調水、大雨泄水”“大漲提閘、水降壓閘”為原則，汛期渠道管理人員密切關注天氣預報和各泄水閘段渠道水深，不能使渠道水位超過警戒水位，防止漫頂。

根據(jù)江西省某灌區(qū)西干渠度汛調度運行方案，汛前預降渠道水位至70.0 m，調節(jié)閘門開度，使得進出渠道水量平衡，保持渠道水位70.0 m不變，當各閘來水流量大于泄洪閘泄流能力時，閘門全開敞泄洪水。

2.4.3 閘寬比選方案

本次防洪工程優(yōu)化方案即在渠道橫縱斷面、邊山洪水、閘門調度方案確定的情況下，計算新建泄洪閘不同閘孔規(guī)模組合下的渠道最高水位水面線。樁號K2+755處泄洪閘閘寬受承泄區(qū)用地要求的影響，目前無加寬余地，仍采用現(xiàn)狀閘寬，僅對其進行除險加固處理。本次比選主要分析樁號K4+870和K5+870處泄洪閘的2、4、6 m的閘寬組合下的渠道最高水位。

3 結果分析

3.1 渠道最高水位分析

基于上述邊界條件和計算方案對渠道最高水位進行模擬計算，并選取關鍵防洪節(jié)點最高水位和實測地形進行對比分析，各工況下成果詳見表1。

表1 不同閘寬組合下關鍵節(jié)點的渠道最高水位

由計算結果可知，隨著閘孔尺寸的加大，泄洪閘泄洪能力增大，西干渠各斷面的水位均有所降低。渠道各斷面水位降低幅度不同，距離閘址越遠，水位變化程度越小，越靠近泄洪閘水位影響越明顯。隨著泄洪閘尺寸繼續(xù)加寬，對渠道水位降低的影響越小，水位下降幅度呈逐漸減小趨勢，渠道水位的降低同時受區(qū)間洪水過程和入渠點不同、渠道自身過流能力等綜合影響。因此，在不考慮承泄區(qū)過流能力的前提下，泄洪閘閘寬并非越大越好，閘寬組合須與渠道斷面相匹配。

本次計算結果中，推薦采用樁號K4+870閘寬為6 m、K5+870閘寬4 m的組合，在考慮0.2 m超高的情況下，現(xiàn)狀渠頂高程基本不加高，在滿足防洪安全的前提下，兼顧了經濟效益，方案較為合理，渠道沿線水面線如圖5所示。

圖5 西干渠計算范圍內水面線成果

3.2 水量平衡分析

為分析模擬時段內渠道計算范圍內的水量平衡，汛期設計洪水來臨前，渠道預泄水位至70 m，渠道計算范圍水量50020 m3，設計洪水結束時水量為68634 m3，渠道蓄水量為18614 m3，邊山來水量（側向入流）為5476117 m3，泄水閘排出水量為5457503 m3。由此可見，模擬時段內邊山洪水流入渠道的水量減去由泄水閘流出渠道的水量等于時段內渠道蓄水量，詳見表2。

表2 計算范圍內渠道水量平衡計算（推薦方案）104 m3

各泄水閘最大泄洪流量如下：樁號K2+755泄洪閘3.63 m3/s，K4+870泄洪閘14.4 m3/s，K5+870泄洪閘16.3 m3/s，總泄洪流量34.33 m3/s。設計情況入渠洪水洪峰流量為63.96 m3/s，經渠道調蓄后，出渠洪水峰值較入渠洪水峰值降低約42.3%。由此可見，對于引洪入渠口沿程分布且峰高量少的山丘區(qū)洪水，截洪溝設計需充分考慮溝槽的調蓄作用，避免截洪溝規(guī)模過大。

4 結論

（1）本研究以江西省某工程為例，利用河道斷面數(shù)據(jù)和實測地形資料，基于MIKE 11水動力模型建立了西干渠一維明渠洪水水面線模擬系統(tǒng)，較好地模擬了截洪溝洪水演進及多泄洪閘聯(lián)合泄洪時渠道水面線，克服了傳統(tǒng)水力計算方法的不足，為防洪方案比選提供參考。

（2）從水量平衡、削峰滯洪、最高水位等方面綜合分析模型的計算結果，在滿足現(xiàn)狀堤頂高程基本不加高的原則要求下，選定了泄洪閘推薦方案，兼顧了經濟效益，方案較為合理。