基于MIKE11的水動(dòng)力模型在甌江干流梯級(jí)水庫(kù)防洪調(diào)度中的應(yīng)用

張映輝,陳煥寶,汪小陽(yáng),董 敏

(1.麗水市水利局,浙江 麗水 323000;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;3.麗水市水文站,浙江 麗水 323000)

甌江流域是浙江省第二大河。隨著甌江流域在建水庫(kù)工程的進(jìn)一步完善,灘坑、五里亭和外雄等水庫(kù)相繼蓄水驗(yàn)收,甌江干流工情發(fā)生了變化,為優(yōu)化分析流域梯級(jí)水庫(kù)防洪聯(lián)合調(diào)度方案,需構(gòu)建新的甌江流域水動(dòng)力模型。MIKE11軟件廣泛應(yīng)用于模擬河道流量、水位等,其中與防洪密切相關(guān)的是HD模塊。MIKE11軟件能較好地模擬堰壩、水閘、橋梁等建筑物,因此在國(guó)內(nèi)外的水動(dòng)力模型中已得到廣泛應(yīng)用。本文以甌江干流為例構(gòu)建河道模型,闡述MIKE11軟件在甌江梯級(jí)水庫(kù)防洪調(diào)度研究中的應(yīng)用。

1 流域概況[1]

甌江主流發(fā)源于龍泉市與慶元縣交界的百山祖西北麓鍋冒尖,自西南向東北流,至麗水折向東南流,貫穿整個(gè)浙南山區(qū),經(jīng)溫州注入東海,流域面積18 100 km2,干流長(zhǎng)384 km,為浙江省第二大河流。

流域內(nèi)洪水主要原因是暴雨,梅雨暴雨和臺(tái)風(fēng)雨暴都會(huì)形成流域性大洪水。上游龍泉溪、松蔭溪等洪水大多由梅雨暴雨形成。青田以下的下游地區(qū)則以臺(tái)風(fēng)期暴雨造成的洪澇為主。中游洪水由梅雨與臺(tái)風(fēng)雨交替形成,由于臺(tái)風(fēng)暴雨強(qiáng)度大,在量級(jí)上以臺(tái)風(fēng)雨形成的洪水較大。

近年來(lái),隨著甌江干流水利樞紐的開(kāi)發(fā)與建設(shè),形成緊水灘、石塘、玉溪、開(kāi)潭、五里亭和外雄等梯級(jí)水庫(kù),原來(lái)單庫(kù)分散調(diào)度的方式已不再適用梯級(jí)庫(kù)群的發(fā)展,不利于防洪防汛工作的開(kāi)展。因此有必要在考慮緊水灘水庫(kù)的蓄泄變化情況下,根據(jù)各水庫(kù)之間的位置、庫(kù)容大小的差別、洪水地區(qū)組成與時(shí)間分配,通過(guò)采取削峰錯(cuò)峰,優(yōu)化梯級(jí)聯(lián)合調(diào)度方案,減小下游水庫(kù)最大泄量,達(dá)到保證甌江干流防洪安全,充分發(fā)揮梯級(jí)庫(kù)群的防洪效益。

2 模型構(gòu)建[2-3]

結(jié)合甌江干流流域地形、地勢(shì)、河勢(shì)等情況,綜合考慮水庫(kù)調(diào)蓄及調(diào)度,采用MIKE11軟件中的水動(dòng)力 (HD)模塊建立基于梯級(jí)水庫(kù)洪水調(diào)度的甌江干流河道水力計(jì)算整體模型。

模型河道總長(zhǎng)109 km,共采用70個(gè)計(jì)算斷面。上邊界為玉溪電站下泄流量,下邊界為青田縣圩仁水文站水位流量關(guān)系,內(nèi)邊界為區(qū)間洪水,作為旁側(cè)入流參與河道的水力計(jì)算。共有旁側(cè)入流8個(gè),分別為:松蔭溪、宣平溪、太平港、好溪、禎埠溪、海口溪、船寮溪、小溪。模型中考慮開(kāi)潭水庫(kù)、五里亭水庫(kù)、外雄水庫(kù)3座梯級(jí)水庫(kù)的水閘調(diào)度。

河道植被、坡降、河床質(zhì)、河道斷面形式、河道上的建筑物等都會(huì)對(duì)河道洪水演進(jìn)產(chǎn)生影響,因此河道的概化以及參數(shù)的選定會(huì)影響洪流演進(jìn)計(jì)算成果。在此次模型率定計(jì)算過(guò)程中,根據(jù)行洪河道河床情況,河道的糙率取值范圍為0.03～0.05。甌江干流河道水力計(jì)算概化見(jiàn)圖1。

圖1 甌江干流河道概化圖

3 模型驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)洪水演進(jìn)計(jì)算模型的準(zhǔn)確性并確定模型的有關(guān)參數(shù),需選擇實(shí)測(cè)洪水進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。截止2009年,甌江干流玉溪電站—圩仁(含小溪)河段已有大中型水庫(kù)5座,甌江干流的洪水受梯級(jí)水庫(kù)的調(diào)度影響很大。由于灘坑水庫(kù)及外雄水庫(kù)于2008年建成,故選用2008年后對(duì)該流域影響較大的2009年8月 “莫拉克”臺(tái)風(fēng)雨洪水對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

該場(chǎng)洪水具有豐富、可靠的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。采用石塘水庫(kù)莫拉克洪水期間的下泄過(guò)程作為模型上邊界;采用圩仁水位過(guò)程 (用鶴城水位按照干流河道比降推求出圩仁水位)作為模型下邊界;支流考慮松蔭溪、宣平溪、小安溪、好溪的匯入;區(qū)間洪水采用瞬時(shí)單位線法計(jì)算,灘坑水庫(kù)“莫拉克”期間沒(méi)有泄洪,故小溪采用零流量邊界,只考慮小溪的區(qū)間流量過(guò)程。

麗水市城區(qū)是甌江防洪調(diào)度的重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象,因此選用麗水水位站(即小水門(mén)站)的實(shí)測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。麗水水位站實(shí)測(cè)水位和計(jì)算水位過(guò)程及驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖2,由圖2可知,計(jì)算水位變化趨勢(shì)、最高洪水位出現(xiàn)時(shí)間等均與實(shí)測(cè)水位基本吻合,計(jì)算誤差相對(duì)較小,能較好地反應(yīng)洪水演進(jìn)規(guī)律,因此采用MIKE11建立的模型是可靠的,選用參數(shù)是合理的,可用于甌江流域防洪調(diào)度分析計(jì)算。

圖2 麗水小水門(mén)站計(jì)算水位過(guò)程線圖

4 模型應(yīng)用

甌江干流的防洪調(diào)度,主要通過(guò)調(diào)控緊水灘、灘坑2座大型水庫(kù)的洪水蓄泄,協(xié)調(diào)石塘、玉溪、開(kāi)潭、五里亭和外雄等幾座中型梯級(jí)水庫(kù)的泄洪,有效削減洪峰,緩解甌江干流防洪壓力,保護(hù)碧湖平原、麗水城區(qū)及中下游青田城區(qū)等重要保護(hù)區(qū)的防洪安全。

為了做到有效的錯(cuò)峰調(diào)度,主要利用基于MIKE11構(gòu)建的甌江水動(dòng)力模型分析河道行洪能力及洪水傳播時(shí)間,據(jù)此細(xì)化緊水灘及灘坑水庫(kù)錯(cuò)峰調(diào)度方案,合理調(diào)度干支流洪峰組合。

4.1 干流河道行洪能力分析

為分析甌江干流各重要節(jié)點(diǎn)的河道安全泄量,利用基于MIKE11構(gòu)建的甌江水動(dòng)力模型,推算各重要節(jié)點(diǎn)斷面保證水位時(shí)能通過(guò)的最大流量,計(jì)算成果見(jiàn)表1。其中麗水城區(qū)斷面河道安全泄量為11 000 m3,青田縣城斷面安全泄量 為14 000 m3。

表1 甌江干流重要節(jié)點(diǎn)斷面安全泄量表

4.2 洪水傳播時(shí)間

實(shí)際每次洪水傳播時(shí)間,由于暴雨時(shí)空分布和洪水量級(jí)等因素的變化有一定的差異,因此在研究過(guò)程中分別采用小量級(jí)(2000,3 000 m3)、中量級(jí)(4 000,6 000,8 000 m3)、大量級(jí)(12 000 m3)6個(gè)不同流量,通過(guò)模型演算得到各量級(jí)甌江干流、支流各特征斷面洪水傳播時(shí)間。經(jīng)計(jì)算可知,緊水灘至麗水小水門(mén)站距離為68.1 km,中量級(jí)洪水傳播時(shí)間為7 h,緊水灘至青田鶴城站距離為137.2 km,中量級(jí)洪水傳播時(shí)間為11.5 h,灘坑水庫(kù)至青田鶴城站距離為32.7 km,中量級(jí)洪水傳播時(shí)間為3.5 h,根據(jù)上述洪水傳播時(shí)間,灘坑水庫(kù)可與甌江干流洪水實(shí)行錯(cuò)峰調(diào)度,控制青田鶴城站20 a一遇洪水洪峰流量不超過(guò)14 000 m3。計(jì)算成果見(jiàn)表2、3。

表2 甌江干流特征斷面洪水傳播時(shí)間表

表3 甌江支流特征斷面洪水傳播時(shí)間表

5 結(jié) 語(yǔ)

采用MIKE11軟件,構(gòu)建甌江干流水力模型,進(jìn)行甌江流域洪水演進(jìn)計(jì)算。結(jié)果表明,以玉溪電站為上邊界,圩仁水文站為下邊界,考慮區(qū)間入流和閘壩影響工況下的河段洪水演進(jìn)過(guò)程模擬精度良好。

利用MIKE11建立甌江干流河道水力模型,分別分析各種工況河道洪水演進(jìn)情況,為甌江干流 梯級(jí)水庫(kù)錯(cuò)峰調(diào)度方案細(xì)化提供決策支持。

MIKE11軟件系統(tǒng)包含模擬水工建筑物的水動(dòng)力模塊HD等,能較為良好地模擬各類(lèi)水工建筑物的運(yùn)行工況,可以用于梯級(jí)水庫(kù)洪水調(diào)度的數(shù)值模擬[4]。

[1]沈照偉,呂勛波,童楊斌.甌江干流 (麗水段)洪水調(diào)度方案研究報(bào)告 [R].杭州:浙江省水利河口研究院,2011.

[2]吳持恭.水力學(xué) [M].北京:高等教育出版社,2001.

[3]王領(lǐng)元.丹麥MIKE11水動(dòng)力模塊在河網(wǎng)模擬計(jì)算中的應(yīng)用研究 [J].中國(guó)水運(yùn),2007,7(2):106-107.

[4]杜保存.梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合防洪調(diào)度運(yùn)用研究[J].山西水利科技,2004(5):75-77.