基于MIKE FLOOD的青龍河下游漫灘模擬研究

0 前 言

洪澇災(zāi)害是人類社會(huì)發(fā)展中比較重要的自然災(zāi)害，往往分布在人口比較稠密、河流相對(duì)集中、降雨充足的地區(qū)。我國(guó)是世界范圍內(nèi)洪水災(zāi)害頻發(fā)、影響范圍更廣泛的國(guó)家，地形相對(duì)繁雜，季風(fēng)氣候明顯［1］。

研究基于青龍蓮花河河道水利規(guī)劃設(shè)計(jì)要素，建立適用于該區(qū)域的工程改造后的水動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型，在青龍河干渠防洪能力分析中，當(dāng)遇到頻率P =2%的大洪水時(shí)，青龍河干渠右岸樁號(hào)為34 070 ～39 500 m處出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的漫堤狀況。

洪水漫堤會(huì)影響到周邊的低洼地區(qū)。不同的洪水的淹沒(méi)深度及流速也會(huì)對(duì)淹沒(méi)地區(qū)造成不同程度的破壞。借助數(shù)值模擬的技術(shù)分析該工程實(shí)施后各種極端的水文條件下河道的排洪情況，分析對(duì)于青龍河河道改造工程是否合理，為日后工程的運(yùn)行管理提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 區(qū)域概況

青龍蓮花河流域位于三江平原的東北部，東瀕鴨綠河，南部的河流有七星河，北部匯入黑龍江，流域總面積為2 825 km2。青龍河水系地勢(shì)平整，流域內(nèi)的地形比較復(fù)雜，長(zhǎng)年累月的排水不順暢，讓這個(gè)地區(qū)形成了很多的沼澤還有洼地。

蓮花河的發(fā)源地在一片沼澤地中，這片沼澤地位于富陽(yáng)市北部，河流由西南方向流向東北方向，河流經(jīng)過(guò)八屯閘在街津口最后匯入黑龍江，全長(zhǎng)有121 km，河流的流域總面積為1 842 km2，在河的下游河床不明顯，河灘很寬，前衛(wèi)鄉(xiāng)以下有明顯的河流通道，一般在60 ～70 m寬，0.5 ～2.0 m水深之間，平槽泄水量10 ～20 m3/s。

青龍河發(fā)源于張洋山下彭家林子里的沼澤地區(qū)，由東南向西北，在青龍山西側(cè)匯入蓮花河，全長(zhǎng)61.6 km，流域面積983 km2。青龍河河流是一條順直的河流，河流多處于沼澤地中，只有到了下游十幾公里處能看出明顯的河槽，河道在15 ～20 m寬，水深在1 m左右。

2 青龍河下游二維水動(dòng)力模型的建立

2.1 MIKE21 模型

自從20 世紀(jì)90 代以來(lái)，在全球范圍內(nèi)的許多專家成功模擬了很多成熟的平面二維水動(dòng)力學(xué)模型，一個(gè)更廣泛的業(yè)務(wù)模型MIKE21 由丹麥水力研究開發(fā)，這種模型能夠模擬不同環(huán)境條件下的水流情況，包括內(nèi)陸河流，靜水湖、或者大洋以及海岸河岸等不同水系環(huán)境。

MIKE21 模型能夠模擬不同環(huán)境條件下的水流情況，包括內(nèi)陸河流，靜水湖或者大洋以及海岸河岸等不同水系環(huán)境［2］。

2.2 MIKE FLOOD 模塊簡(jiǎn)介

MIKE FLOOD 是麥克系列軟件模塊，它能動(dòng)態(tài)耦合的一維，二維水動(dòng)力仿真。這種新方法結(jié)合了目前世界上廣泛應(yīng)用的洪水模型軟件11 以及21 中的元素，并且專門為了進(jìn)行各種不同情況下洪水模擬改進(jìn)了相應(yīng)的功能。

這樣的組合保證了很高的靈活性，用戶可以放大分析使用二維模型區(qū)域的一部分，而在其他區(qū)域與一維模型進(jìn)行仿真。MIKE FLOOD 提供了有效的河流和洪泛區(qū)之間的動(dòng)態(tài)連接，海洋和內(nèi)陸水道、內(nèi)陸湖灣連接［3］。

2.3 MIKE FLOOD 模型搭建概況

在對(duì)于青龍河干渠防洪能力分析中，當(dāng)遇到頻率P = 1%、P =2%的大洪水時(shí)，青龍河干渠右岸樁號(hào)為34 070 ～39 500 m處出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的漫堤狀況。洪水漫堤會(huì)影響到周邊的低洼地區(qū)。不同的洪水的淹沒(méi)深度及流速也會(huì)對(duì)淹沒(méi)地區(qū)造成不同程度的破壞。

本文將選取青龍河干渠右岸樁號(hào)為34 070 ～39 500 m處洪水漫堤影響到區(qū)域作為研究對(duì)象。研究將采用一維二維動(dòng)態(tài)耦合的模型MIKE FLOOD 進(jìn)行模擬。一維、二維模型的連接方式采取側(cè)向連接的方式，也就是說(shuō)一維及二維模型連接是建立在一維水動(dòng)力模型的一個(gè)分支與二維水動(dòng)力模型的一些網(wǎng)格單元 或者是FM 模塊的單元接口。

當(dāng)選擇側(cè)向連接方式時(shí)，MIKE FLOOD 模型認(rèn)為水流是從沿垂直于河流流動(dòng)的方向流出一維模型的模擬區(qū)域，通過(guò)一個(gè)堰流公式計(jì)算出流入到二維模型的水量。該堰的幾何參數(shù)由一維河流斷面岸堤幾何設(shè)置及同一地點(diǎn)的二維地形的最高點(diǎn)確定的［4］。MIKE FLOOD 中提供多種堰流公式模擬不同的一個(gè)漫堤狀況。其中，本次模擬中應(yīng)用到的堰流計(jì)算公式為:

式中:W 為堰寬;C 為堰的因子系數(shù);K 為指數(shù)系數(shù);h1為堰上游高于堰頂?shù)乃?h2為堰下游高于堰頂?shù)乃睢?/p>

MIKE11 與MIKE21 連接時(shí)采用右岸連接方式，本次研究的模型的具體地理位置連接參數(shù)請(qǐng)見(jiàn)表1。

建立MIKE FLOOD 模型首先要確立模型的布局。譬如對(duì)于漫堤這樣模擬情況，需確立一維模型需要研究的漫堤起始樁號(hào)及結(jié)束樁號(hào)。然后建立該河段發(fā)生漫堤情況下洪水會(huì)影響的的低洼區(qū)域的地形文件［5］。在此地形文件的基礎(chǔ)上搭建相應(yīng)的二維模型。使用MIKE FLOOD 平臺(tái)將一維、二維模型動(dòng)態(tài)耦合起來(lái)，建立洪水演進(jìn)耦合模型，計(jì)算洪水演進(jìn)的模型。

2.4 模型地形文件的搭建

二維模型搭建地形文件過(guò)程中需要生成網(wǎng)格文件，由于洪水漫堤影響涉及到區(qū)域是一維模型右岸區(qū)域，所以在處理地形數(shù)據(jù)時(shí)現(xiàn)將一維河網(wǎng)轉(zhuǎn)化為圖片格式的文件，將此文件導(dǎo)入到二維地形邊界描繪中作為底圖，在此基礎(chǔ)上選出相應(yīng)的二維地形邊界，生成地形邊界后導(dǎo)入地形數(shù)據(jù)［6］。

由于接近一維河網(wǎng)的地區(qū)，受到漫堤影響的程度大，在模擬過(guò)程中可能更加受到關(guān)注，因此在生成網(wǎng)格時(shí)將這些區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。對(duì)于這些區(qū)域，網(wǎng)格生成過(guò)程中給予最大網(wǎng)格控制5 000 m2，最小角度控制為26°。二維地形搭建過(guò)程中將整個(gè)洪水可能影響到的區(qū)域邊界設(shè)置為陸地邊界。

在MIKE FLOOD 模擬中將會(huì)自動(dòng)將一維模型的漫堤水量賦予到二維模型的耦合位置作為新的流量邊界。所以該處不用另外添加流量或者水位邊界。

網(wǎng)格生成效果如圖1 所示。

表1 MIKE 21 與MIKE 11 連接處地理信息匯總

其中生成的二維地形區(qū)域與一維研究區(qū)域存在地理位置上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，體現(xiàn)在模型中為二維網(wǎng)格坐標(biāo)與一維河網(wǎng)模型樁號(hào)之間的關(guān)系，直觀地反映可以見(jiàn)圖2。二維地形的搭建效果可見(jiàn)圖3。

在搭建二維模型的時(shí)候，模型的研究區(qū)域?yàn)榍帻埡佑野遁^低洼的地區(qū)。研究地區(qū)的左下角坐標(biāo)(E，132°47＇28.707"N，47°33＇5.45")右上角坐標(biāo)(E，132°54＇21.891"N，47°38＇51.467")，范圍包括青龍河干渠右岸樁號(hào)為34 070 ～39 500 m處洪水漫堤影響到區(qū)域。

將地形數(shù)據(jù)數(shù)字化后轉(zhuǎn)化為模型可以識(shí)別的模型地形網(wǎng)格文件，使用三維視角展示該區(qū)域地形數(shù)字化后的效果。

2.5 模型邊界設(shè)置

由于本次模擬采用一維模型與二維模型動(dòng)態(tài)耦合的方式，所以二維模型的邊界都為閉邊界。在MIKE FLOOD 模擬中將一維模型水位高于岸堤時(shí)的漫堤流量結(jié)果動(dòng)態(tài)賦予到二維模型作為新的邊界條件。也就是說(shuō)當(dāng)遇到頻率P = 1%、P = 2% 的大洪水時(shí)，青龍河干渠右岸樁號(hào)為34 070 ～39 500 m處出現(xiàn)高于岸堤的水位時(shí)，MIKE FlOOD 模塊將一部分水量從一維模型中流入二維模型與一維模型連接的邊界中，成為同時(shí)間段的二維模型的動(dòng)態(tài)流量邊界。

圖1 青龍河干渠研究區(qū)域二維網(wǎng)格生成效果圖

2.6 模型參數(shù)設(shè)置

2.6.1 糙率設(shè)置

糙率設(shè)置主要參考相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)置，本次漫堤研究糙率選取n =0.025，在進(jìn)行二維水動(dòng)力模擬時(shí)要根據(jù)青龍河實(shí)測(cè)原始的數(shù)據(jù)資料在不同的地方設(shè)置相應(yīng)的糙率值，賦予模型具有空間特性的糙率參數(shù)。

2.6.2 渦黏系數(shù)

使用Smagorinsky formula 確定渦黏系數(shù)計(jì)算公式為:

式中:u 為x 方向的垂線平均流速;v 為y 方向的垂線平均流速;Cs 為常數(shù)參數(shù)，取值范圍都在0.25 ～1，MIKE21 水動(dòng)力模塊中一般取值0.5 ＜E ＜1。

2.6.3 干濕水深

為了使該模型在計(jì)算中不間斷的得到最終結(jié)果記憶準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，來(lái)為了判別所要計(jì)算地域洪水來(lái)時(shí)的淹沒(méi)程度，模型需要用“dry”與“wet”來(lái)決定，如果所要計(jì)算的河流水深＜1 cm的時(shí)候需要把“unit”改成“dry unit”，不考慮到模型計(jì)算里面;如果所要計(jì)算的河流水深＞5 cm的時(shí)候需要把“unit”改成“wet unit”，重新加入計(jì)算。

3 計(jì)算結(jié)果分析

取青龍河干渠右岸34 070 ～39500 m樁號(hào)處漫堤流量作為二維模型的東邊邊界入流量，該流量邊界是MIKE FLOOD 模型自動(dòng)計(jì)算，當(dāng)一維模型耦合地帶水位高于岸堤高程時(shí)，使用堰流公式，計(jì)算出每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)從一維模型流入二維模型的水量，作為二維模型的動(dòng)態(tài)邊界，模型計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為60s，計(jì)算時(shí)間為60 h。如圖4 所示。

從圖4 中可以看出當(dāng)P=1%時(shí)右堤防漫堤時(shí)的不同時(shí)間段淹沒(méi)范圍，靠近河網(wǎng)比較低洼的地區(qū)首先出現(xiàn)淹沒(méi)現(xiàn)象，模型運(yùn)行48 h后該范圍的平均水深為0.53 m，模型運(yùn)行60 h后該范圍的平均水深為0.59 m。同時(shí)模型可以輸出該模擬時(shí)刻的平均流速及流向圖。

從圖5 中可以看出當(dāng)P =2%時(shí)，模型運(yùn)行60 h后該范圍的平均水深為0.49 m。同時(shí)模型可以輸出該模擬時(shí)刻的平均流速及流向圖。

圖6、圖7 分別是二維模型運(yùn)行60 h后兩種頻率下網(wǎng)格點(diǎn)(341685，5278500)附近的流速分布圖，其中箭頭所指方向?yàn)榱飨颉?/p>

圖2 青龍河干渠研究區(qū)域一維河網(wǎng)及二維地形概化圖

圖3 青龍河干渠研究區(qū)域二維地形概化圖

模型運(yùn)行48 h后，當(dāng)P =1%整個(gè)時(shí)淹沒(méi)范圍的平均流速為0.04m/s，模型運(yùn)行60 h后整個(gè)淹沒(méi)范圍的平均流速為0.02 m/s;當(dāng)P =2%時(shí)整個(gè)淹沒(méi)范圍的平均流速為0.07 m/s，模型運(yùn)行60 小時(shí)后整個(gè)淹沒(méi)范圍的平均流速為0.03 m/s。

調(diào)整二維模型的模擬時(shí)間為583 h，輸出網(wǎng)格點(diǎn)(341600，5275988)點(diǎn)水深長(zhǎng)時(shí)間尺度的變化序列，見(jiàn)下圖8、圖10。同時(shí)輸出改點(diǎn)的流速點(diǎn)水深長(zhǎng)時(shí)間尺度的變化序列，見(jiàn)下圖9、圖11。

圖4 P =1%二維模型運(yùn)行60 h等深線圖

圖5 P =2%二維模型運(yùn)行60 h 等深線圖

圖6 P =1%二維模型運(yùn)行60 h 流場(chǎng)

圖7 P =2%二維模型運(yùn)行60 h 流場(chǎng)

圖8 P =1%時(shí)網(wǎng)格點(diǎn)(341600，5275988)水深時(shí)間序列

圖9 P =1%時(shí)網(wǎng)格點(diǎn)(341600，5275988)水深時(shí)間序列

圖10 P=2%時(shí)網(wǎng)格點(diǎn)(341600，5275988)水深時(shí)間序列

圖11 P =2%時(shí)網(wǎng)格點(diǎn)(341600，5275988)流速時(shí)間序列

4 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)青龍河干渠右岸在P = 1%、P = 2% 洪水的情況下34 070 ～39 500 m樁號(hào)處將發(fā)生不同程度的漫堤，建議在此區(qū)域加固加高堤防。在相同的模型運(yùn)行時(shí)間下，二維模型研究區(qū)域呈現(xiàn)不同程度的淹沒(méi)情況，其中P =1%洪水的工況下兩個(gè)時(shí)間段的模擬結(jié)果比P =2%洪水洪水的工況下的淹沒(méi)情況嚴(yán)重。平均深度的比較也呈現(xiàn)前者大于后者。

對(duì)于模型結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，淹沒(méi)范圍網(wǎng)格點(diǎn)在P =2%洪水的工況下水流的平均流速比P=1%洪水的工況時(shí)要大。另外，在二維模型中可以對(duì)各種結(jié)果進(jìn)行后處理，方便了對(duì)洪水淹沒(méi)地區(qū)的減災(zāi)防災(zāi)分析。

從結(jié)果分析看，使用二維模型對(duì)整個(gè)漫堤過(guò)程進(jìn)行模擬可以得到較直觀的展示效果，結(jié)果的后處理也對(duì)淹沒(méi)程度的量化提供簡(jiǎn)便的處理方式。該二維模擬的結(jié)果進(jìn)一步引證一維模型的結(jié)論，該河段在遇到100 a一遇洪水及50 a一遇洪水時(shí)將發(fā)生洪水漫堤，建議在蓮花青龍河34 070 ～39 500 m的樁號(hào)處之間加高加固右岸堤防。

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