MIKE21模型在輸電線路改造工程防洪影響評價中的應用

王麗君

(河北省保定水文勘測研究中心，河北 保定 071000)

1 工程概況

獻縣張城35 kV 3372輸電線路改造工程，位于河北省滄州市獻縣，是獻縣城西35 kV變電站的主供電源之一。始建于2004年，部分線路沿用1990年獻縣110 kV變電站至張村的35 kV線路。因線路運營期限過長,部分線路桿基老化嚴重,甚至產生了橫向裂縫;桿塔金具腐蝕嚴重,部分金具出現了傾斜,該線路已不能滿足目前城西 35 kV 變電站安全運行要求，因此亟需加以更新。

本次輸電線路改造工程起于獻縣張村35 kV變電站35 kV出線間隔，止于35 kV城西站35 kV進線間隔，兩端均占用原間隔。本次線路工程長14.8 km，包括新建塔基77基和舊線改造塔基32基；拆除舊線16.1 km，拆除桿塔159基。沿線經過區域屬海河流域子牙河水系及黑龍港運東地區，線路跨越獻縣泛區，并同時跨越賈莊河、滹沱河行洪道、滏陽新河、北排河及引黃輸水渠道新開渠。

2 數學模型建立

2.1 模型范圍及地形剖分

(1)計算范圍。 根據目前的洪水調度原則，滹沱河河道整體設防標準為50年一遇，北大堤為100年一遇，當滹沱河遇超過50年一遇洪水時，利用南大堤分洪口門向滹滏區間分洪，以確保北大堤安全。本次模型的上游邊界條件為滹沱河、滏陽新河、滏陽河3個河道入流口及留楚排干、天平溝等平原瀝水，南邊界為石黃高速公路，北部邊界為滹沱河北大堤，東邊界為滏陽新河右堤，西邊界為滹沱河北中山水文站，模型出口為獻縣樞紐，模型計算區域南北長度約36 km，東西長度81 km左右，模型區面積約2205.43 km2[1-2]。

(2)模型的網格剖分。MIKE21FM二維水動力模型可使用不規則網格，但針對二維非恒定流動的計算需要高,需通過網格地形點形式描述地形情況，并且在重要的區域和變量變化梯度較大的局部區域設定較細的網格單元，在物理變量變化較平緩或非主要區域設置較稀少的網格[3]，本模型網格單元最大面積不大于3萬m2，按局部區域加密處理，最小網格面積20 m2左右，在計算范圍內網格劃分共計117 071個，計算節點59 100個。

2.2 邊界條件

(1)模型的上游邊界條件。 模型的最上游邊界條件為模型上游邊界的洪水入流，分為滹沱河、滏陽新河、滏陽河三個河流的洪水入流和東程干、羅屯以及故城村東三座分洪口門出流口[4-5]。

(2)模型下游邊界條件。 模型的下游邊界為模型的出流邊界，即為獻縣樞紐，邊界條件按獻縣樞紐的水位泄量關系考慮。獻縣樞紐水位泄量關系見表1、表2。

表1 獻縣樞紐水位泄量關系

表2 子牙河節制閘水位～泄量關系

(3)特殊邊界的處理。 模型的中邊界條件為泛區內滹沱河行洪道兩側堤埝和高速公路的過水橋涵、互通公路橋等以及泛區上游京九鐵路、大廣高速和滹沱河南大堤。

2.3 模型參數的確定

本次模型中的主要參數選取按照地形、地貌特點，以及根據南水北調中線工程及以往的洪水模擬的經驗，糙率分區參數如表3所示。

表3 糙率分區

2.4 計算方案的擬定

本次分析了現狀、規劃工程條件下的50年一遇、100年一遇兩種標準洪水，結合建設項目工程前、后，共組成8個方案。

3 防洪影響模擬計算分析

3.1 現狀防洪工程下洪水模擬分析

(1)模型成果分析。獻縣泛區上游段舊南堤段沒有達到50年一遇洪水的防洪標準，從洪水對獻縣泛區產生的最大風險角度考慮，舊南堤在模型中以瞬間潰決進行概化。從模擬結果來看，當滹沱河發生50年一遇標準洪水時，一部分洪水將從舊南堤處由上游直接進入南泛區，另一部分洪水沿河道進入獻縣泛區行洪道后從大齊分洪口門上游左埝處，率先從左埝漫溢進入北泛區，北泛區漫溢口附近流速在0.20～0.35 m/s之間，之后沿地形地勢向下游流動；整個泛區內部流速在0.05～0.35 m/s之間。

當滹沱河發生100年一遇標準洪水，本次根據洪水實際的演進發展情況，從上到下依次啟用南大堤的東乘干、羅屯、故城村東分洪口門。從最大風險的角度考慮，上游舊南堤仍按瞬間潰決考慮，洪水一部分通過分洪口門分洪進入滹滏區間，另一部分將通過肅衡公路橋進入獻縣泛區南泛區，泛區內部流速0.05～0.48 m/s；順著河道進入獻縣泛區行洪道的洪水從大齊分洪口門上游彎道處由左埝進入北泛區，泛區內部流速在0.05～0.45 m/s之間。

(2)流勢流態分析。從洪水模擬結果看，輸電線路附近水流方向基本為西東方向，新建線路工程為東西走向，舊線改造段為南北走向?，F狀防洪工程下工程修建前后河道的流勢流態沒有發生大的改變。

(3)水位分析。輸電線路工程位于獻縣泛區下游，地勢平坦，起伏不大。地面高程在10.90～13.73 m之間，現狀工程下50年一遇、100年一遇標準洪水時水位變化均不大，水位分別在 16.87～17.00 m之間、17.16～17.30 m之間，現狀防洪工程條件下工程前后對河道洪水位的影響很小。

(4)流速分析。從洪水模擬結果看，50年一遇洪水時流速在0.08～0.44 m/s之間；100年一遇洪水時，流速在0.09～0.54 m/s之間。工程前后流速基本沒有變化。部分塔基分別跨越滹沱河行洪道、滏陽新河位置流速較大，其余蓄滯洪區內流速均較小。現狀防洪工程條件下工程前后對河道洪水流速的影響很小。

(5)壅水分析。從洪水模擬結果看，工程后塔基在蓄滯洪區內壅水甚小，50年一遇洪水，所有蓄滯洪區內塔基的總壅水高度僅為0.005 m，100年一遇洪水，總壅水高度為0.002 m，基本沒有壅水。

因此，從現狀防洪工程條件下的輸電線路工程前后模擬結果可以看出，工程條件下洪水淹沒分布情況和洪水流速矢量圖與工程前基本一致，工程前、后基本沒有壅水，流速基本不變。擬建輸電線路對獻縣泛區的滯洪形勢和洪水流勢影響很小?，F狀防洪工程條件下工程前50年一遇、100年一遇標準洪水流速矢量圖見圖1，工程后50年一遇、100年一遇標準洪水流速矢量圖見圖2。

圖1 現狀防洪工程條件下工程前洪水流速矢量圖

圖2 現狀防洪工程條件下工程后洪水流速矢量圖

3.2 規劃工程下洪水模擬分析

(1)模型成果分析。從模擬結果來看，當滹沱河發生50年一遇標準洪水時，南北泛區先后啟用，超標準洪水由大齊分洪口門進入北泛區，口門附近流速在0.65～0.95 m/s之間，北泛區內部流速在0.05～0.95 m/s之間；接著洪水由右埝分洪口門進入南泛區，口門附近流速在0.15～0.40 m/s之間，南泛區內部流速0.05～0.40 m/s之間；

當滹沱河發生100年一遇標準洪水時，根據洪水實際的演進發展情況，超過設計水位即從上到下依次啟用南大堤分洪口門，洪水漫溢過上游舊南堤時仍按潰決考慮。越過舊南堤的洪水一部分由羅屯分洪口門分洪進入滹滏區間，另一部分將通過肅衡公路進入獻縣泛區南泛區，泛區內部流速0.06～0.48 m/s；順著河道進入獻縣泛區行洪道的洪水在大齊分洪口門上游彎道處即由左埝進入北泛區，泛區內部流速在0.05～0.45 m/s之間。

(2)流勢流態分析。 從洪水模擬結果看，規劃防洪工程下輸電線路工程修建前后河道的流勢流態沒有發生大的改變與現狀工程下基本一致。規劃防洪工程條件下工程前后對河道流勢流態基本沒有影響。

(3)水位分析。 從洪水模擬結果看，規劃防洪工程下，輸電線路工程修建前后遇50年一遇、100年一遇標準洪水時水位、水深的變化均不大，水位分別在16.87～17.00 m之間、17.15～17.27 m之間。規劃防洪工程條件下工程前后對河道洪水位的影響很小。

(4)流速分析。 對比工程前后模型區內流速成果可知，規劃比現狀工程下，整個泛區內的流速略有增大，從50年一遇流速成果看，跨越滹沱河行洪道、滏陽新河，流速為0.44 m/s、0.45 m/s，其他位置流速均較小，在0.08～0.32 m/s之間；100年一遇洪水時，部分塔基跨越滹沱河行洪道、滏陽新河位置流速較大，為0.45 m/s、0.53 m/s，線路其他塔基位置流速在0.10～0.36 m/s之間，規劃防洪工程條件下工程修建后，河道流速變化較小，工程修建對于河道行洪影響不大。

(5)壅水分析 從模型模擬測算結果看出，工程修建后，各塔基在蓄滯洪區過水斷面所占面積甚小，按偏不利情況考慮，在塔基的迎水方向的兩個樁基之間不過水時，塔基的阻水面積為117 m2，100年一遇洪水條件下，滹沱河南北大堤之間過水斷面約為2萬m2，塔基的阻水面積不足整個過水斷面面積的1%，因此規劃防洪工程條件下工程修建后基本沒有壅水。

規劃防洪工程條件下工程前50年一遇、100年一遇標準洪水流速矢量圖見圖3，工程后50年一遇、100年一遇標準洪水流速矢量圖見圖4。

圖3 規劃防洪工程條件下工程前洪水流速矢量圖

圖4 規劃防洪工程條件下工程后洪水流速矢量圖

4 結 論

(1)獻縣張城35 kV3372線路改造工程沿線經過獻縣泛區，產生洪水影響，對其進行洪水影響評價是必要的。

(2)現狀及規劃兩種防洪工程條件下，輸電線路改造工程不會影響獻縣泛區的行洪、緩洪運用，也不會對滯洪區內大的流勢、流態造成影響。

(3)運用經驗證明，本次輸電線路改造設計中使用MIKE 21數學模型，分析不同工況下防洪影響評估的相關問題結果可信，方法分析合理。為建設項目對蓄滯洪區影響提供了可靠數據支撐，為蓄滯洪區安全運行提供了保障。