基于MIKE軟件在防洪保護區(qū)洪水演進的研究

侯海紅 黃渝桂 章 鵬

（中水淮河規(guī)劃設計研究有限公司 合肥 230000）

基于MIKE軟件在防洪保護區(qū)洪水演進的研究

侯海紅 黃渝桂 章 鵬

（中水淮河規(guī)劃設計研究有限公司 合肥 230000）

本文通過M IKE軟件平臺，在新沂河發(fā)生標準洪水和超標準洪水情況下，河段險工險段發(fā)生潰堤時，構(gòu)建防洪保護區(qū)的洪水演進水動力數(shù)值模型。研究河道一維模型、保護區(qū)二維模型并采用M IKEFLOO D標準鏈接模塊進行耦合，對防洪保護區(qū)洪水演進進行模擬，對成果進行分析，為相關(guān)規(guī)劃和防洪搶險提供一定的參考。

M IKE21軟件 洪水風險 水動力 數(shù)值模擬

1 概況

新沂河南片防洪保護區(qū)位于新沂河（沭陽閘以下至入?？冢┮阅?，廢黃河（淮安以下段）以北，淮沭河以東，涉及江蘇省連云港市灌云縣、灌南縣，宿遷市沭陽縣，淮安市淮陰縣、漣水縣和鹽城市濱?？h、響水縣，保護區(qū)面積約6200km2。

新沂河西起駱馬湖嶂山閘，向東流經(jīng)新沂、宿豫、沭陽、灌云、灌南等5個縣（市），至燕尾港灌河口入海，是1949年“導沂整沭”時開挖的排洪入海河道。新沂河全長146km，沿線北岸有總沭河、新開河匯入，南岸有山東河、路北河（27+600）、柴沂截水溝匯入。新沂河已按50年一遇防洪標準治理，嶂山閘至口頭、口頭至?？诙卧O計流量分別為7500m3/s、7800m3/s。

新沂河發(fā)生50年一遇設計洪水和100年一遇標準洪水時，僅選取章頂險工發(fā)生潰堤工況進行防洪保護區(qū)淹沒情況研究。

2 模型構(gòu)建

2.1 一維模型

新沂河河道一維非恒定流采用MIKE軟件中MIKE11模塊進行計算。

根據(jù)《沂沭泗河東調(diào)南下續(xù)建工程實施規(guī)劃報告》的相關(guān)資料，河道計算區(qū)域從沭陽樞紐處樁號43+000至燕尾港處樁號143+500。新沂河河道分段糙率為：沭陽樞紐至鹽河段主泓0.02，灘地0.027；鹽河至東友涵洞段主泓為0.0025，灘地0.028；東友涵洞至入?？诙沃縻?.025，灘地0.033。新沂河該段河道沒有支流。

一維模型上邊界條件為沭陽水文站處50年、100年一遇設計洪水流量過程，下邊界為燕尾港20年一遇設計潮位過程。

在MIKE11計算中一維河道采用基于圣維南方程組的非恒定流方法：

2.2 二維模型

對于模型糙率的選取，依據(jù)《水工手冊》糙率取值范圍，結(jié)合區(qū)域土地利用圖以及近期河道治理工程等對保護區(qū)下墊面糙率進行取值。從基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)中分別提取保護區(qū)內(nèi)道路、水系河流、居民地等SHP圖層要素，利用ArcGIS軟件“相交”工具，分別與保護區(qū)網(wǎng)格圖層（SHP）“相交”，確定水田、耕地、林地、居民點（城鄉(xiāng)、工礦、居民點）、道路、空地、河道等下墊面分布范圍，進行保護區(qū)內(nèi)糙率賦值。在MIKE Generator中Mesh Interplote網(wǎng)格糙率插值，并生成糙率文件保護區(qū)糙率。

在MIKE21計算中采用二維非恒定流方程組：

（1）連續(xù)方程：

2.3 一維、二維耦合模型

防洪保護區(qū)二維洪水演進采用MIKE軟件中MIKE21模塊、MIKE11模塊通過MIKEFLOOD的標準連接進行耦合計算。保護區(qū)為非閉合邊界，在燕尾港、濱海閘處為開邊界與黃海相連，受黃海潮位影響。

在一維模型中章頂潰口虛擬河道中間位置加入虛擬水閘，閘底板高程與地面平齊，建立閘門開度與水位的正比例關(guān)系。當閘前水位達到50年一遇設計水位時，閘門全開且不再放下，模擬堤防潰堤。

2.4 模型建立

2.4.1 計算范圍及網(wǎng)格劃分

項目區(qū)投影坐標為“CGCS2000_3_Degree_GK_ZONE_ 40”。從已收集的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)“河流水系、行政區(qū)劃、道路交通”SHP圖層中，分別提取新沂河右堤、淮沭河東堤、廢黃河左堤等線圖層要素，組合成閉合曲線，構(gòu)成該項目地理邊界。

新沂河南片防洪保護區(qū)總面積約6200km2，最大網(wǎng)格面積不超過0.03km2，最大網(wǎng)格邊長不超過0.2km，重要地區(qū)、地形變化較大部分的計算網(wǎng)格要適當加密，從1∶10000的地形圖中提取高程數(shù)據(jù)，高程范圍0～25m，網(wǎng)格總數(shù)206587個，網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)104529個。保護區(qū)網(wǎng)格劃分見圖1。

圖1 保護區(qū)網(wǎng)格劃分圖

在模型中對保護區(qū)內(nèi)的堤防、高于地面0.5m的道路對洪水演進的影響考慮。在模型中將阻水的堤防與道路進行概化，作為Dike進行設置。根據(jù)阻水建筑物的樁號將其位置逐一在地圖上標出，并通過斷面高程提取其高程值之后，可根據(jù)高程點進行線性插值，得到阻水建筑特殊通道的高程值。

2.4.2 特殊邊界處理

2.4.2.1 高程處理

在二維模型建立中，高程處理尤為重要，直接影響洪水計算結(jié)果。高程不能從DEM中直接讀取，DEM數(shù)據(jù)已經(jīng)把道路、堤防等高于0.5m的構(gòu)筑物處理，不能完全反應保護區(qū)地形。為了更好地反應現(xiàn)狀地形，在1∶10000的地形圖中獲取高程點、等高線（線轉(zhuǎn)點）結(jié)合DEM數(shù)據(jù)，把鐵路、道路、堤防等高于0.5m構(gòu)筑物上的點刪除，然后再進行地形插值。

2.4.2.2 線狀工程及地物的阻水處理

在模型中對保護區(qū)內(nèi)的堤防、高于地面0.5m的道路對洪水演進的影響考慮。在模型中將阻水的堤防與道路進行概化，作為Dike進行設置。根據(jù)阻水建筑物的樁號將其位置逐一在地圖上標出，并通過斷面高程提取其高程值之后，可根據(jù)高程點進行線性插值，得到阻水建筑特殊通道的高程值。

2.4.2.3 河流處理

對寬度較大河流（灌河、鹽河、南六塘河、北六塘河、柴米河等），進行網(wǎng)格加密特殊處理，設置其網(wǎng)格屬性為水面型網(wǎng)格，賦值對應的糙率，內(nèi)部寬度較窄的溝渠因受地形數(shù)據(jù)影響將作概化處理。

對于河流的地形處理，在河道范圍內(nèi)單獨劃分網(wǎng)格，命名為河道網(wǎng)格。河道網(wǎng)格只在河道高程點范圍內(nèi)插值，不與地面高程點插值，因此不會造成網(wǎng)格間高程突變，提高計算精度和模型穩(wěn)定性。

3 研究結(jié)果分析

此次選取新沂河50年一遇設計洪水及100年一遇超標準洪水時，章頂險工處發(fā)生潰堤，研究保護區(qū)洪水演進情況。模型計算時間步長為5s，計算時間為30d。新沂河發(fā)生標準洪水情況下（50年一遇）章頂潰口潰堤保護區(qū)淹沒最大水深分布圖、前鋒到達時間圖分別見圖2（a）、圖2（b），不同水深下的淹沒面積見表1。新沂河發(fā)生超標準洪水情況下（100年一遇）章頂潰口潰堤保護區(qū)淹沒最大水深分布圖、前鋒到達時間圖分別見圖2（c）、圖2（d），不同水深下的淹沒面積見表2。

表1 標準洪水下不同淹沒水深下的淹沒面積表

表2 不同淹沒水深下的淹沒面積表

圖2 （a） 標準洪水下，前鋒到達時間分布圖

圖2 （b） 標準洪水下，最大水深分布圖

圖2 （c） 超標準洪水下，前鋒到達時間分布圖

圖2 （d） 超標準洪水下，最大水深分布圖

根據(jù)最大水深分布圖看出，新沂河發(fā)生50年、100年一遇洪水時，章頂潰口淹沒范圍在新沂河右堤以南，灌河以北，柴南河下游地區(qū)。淹沒區(qū)涉及的鄉(xiāng)鎮(zhèn)有沭陽縣城、李恒鎮(zhèn)、湯溝鎮(zhèn)、孟興鎮(zhèn)、李集鄉(xiāng)、沂濤鎮(zhèn)、張店鎮(zhèn)、北陳樓鎮(zhèn)、田樓鎮(zhèn)、堆溝港鎮(zhèn)等。阻水明顯的構(gòu)筑物有G204、G205、陳沭公路、鄭郯公路、京滬高速公路、長深高速公路、沿海高速公路等。洪水主要在新沂河與柴米河、灌河之間的區(qū)域演進，受限于新沂河堤防、柴米河堤防、灌河堤防。洪水漫過沂南河進入柴米河流域，從沂南河進入鹽河、柴米河、灌河，一部分洪水在柴南河與柴米河交匯處漫過河道，沿柴南河兩岸進行演進；另一部分洪水進入鹽河，由于鹽河右堤（義澤河至新沂河段）堤頂高程約為6m，洪水會漫過堤防，洪水在灌河以北地區(qū)演進；一部分洪水從小潮河閘引河進入灌河，受灌河潮位頂托。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和保護區(qū)西高東低地形，洪水演進符合實際情況。

4 結(jié)論

通過MIKE軟件構(gòu)建水動力模型，可以直觀展示潰堤過程及洪水在保護區(qū)內(nèi)演進過程。

從潰堤研究結(jié)果分析，當新沂河發(fā)生50年一遇、100年一遇洪水情況下，保護區(qū)呈現(xiàn)不同的淹沒情況，超標準洪水淹沒面積是標準洪水淹沒面積的1.55倍，超過3m以上水深的淹沒面積更大，淹沒情況更加嚴重；洪水風險主要集中在新沂河右堤與灌河左堤之間區(qū)域、北六塘河與南六塘河之間區(qū)域。因此，在防洪搶險時對可能發(fā)生潰決的險工險段要特別重視，在制定保護區(qū)的相關(guān)規(guī)劃時也應考慮洪水風險的影響。

新沂河堤防目前防洪標準為50年一遇、100年一遇洪水時淹沒影響較為嚴重，對區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展影響較大。因此，建議盡快研究提高沂沭泗河東調(diào)南下工程防洪標準，以減輕外河洪水對防洪保護區(qū)的威脅