基于MIKE11水動力模型的河道潰堤洪水模擬研究

王麗文

摘 要：本文通過分析MIKE11水動力模型基本理論和計算方法，對太子河干流河道利用該模型進(jìn)行模擬分析，然后依據(jù)洪水、過流能力、水量平衡等實測數(shù)據(jù)結(jié)果對模型的可靠性與適用性進(jìn)行驗證分析。研究表明：MIKE11水動力學(xué)模型能夠較好的反映太子河干流河道潰堤洪水實際狀況，模型表現(xiàn)出較強的適用性與可靠性；本文研究成果對于準(zhǔn)確還原和分析洪水發(fā)生過程具有重要意義。

關(guān)鍵詞：太子河流域；MIKE11模型；河道潰堤；洪水模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.101

1 MIKE11水力學(xué)模型

太子河流域?qū)儆跍嘏瘞駶櫚霛駶櫄夂騾^(qū)全年降水量充足其中71.2%降雨量集中在6～8月，全長413km流經(jīng)本溪、遼陽以及鞍山等市。流域上、下游水位及干支流狀況對河道的影響顯著，河道內(nèi)水位流量變化關(guān)系復(fù)雜，對河道潰堤洪水演算采用傳統(tǒng)的水文學(xué)法已無法滿足相關(guān)要求，而利用圣維南方程組可對任意時刻任意河道內(nèi)的水位、流速和流量等因素進(jìn)行計算分析[1]。據(jù)此，本文通過構(gòu)建MIKE11模型對太子河防洪保護(hù)區(qū)的河道潰堤洪水過程利用模型進(jìn)行模擬分析，然后對模型模擬結(jié)果的合理行和可靠行進(jìn)行了驗證，以期為該區(qū)域洪水風(fēng)險圖編制和制定防洪減災(zāi)措施提供一定的決策依據(jù)和理論支持。

1.1 模型原理

河道水流為均質(zhì)流態(tài)、不可壓縮的基本假定為MIKE11水動力學(xué)模型的前提條件，利用一維明渠非恒定流微分方程即圣維南方程組進(jìn)行模擬分析。圣維南方程組如下所示：

1.2 構(gòu)建模型

MIKE11水力學(xué)模型主要有河網(wǎng)文件、斷面文件、設(shè)定邊界條件并形成邊界文件，利用水文計算結(jié)果形成時間序列文件、設(shè)定時間步長形成模擬文件，實現(xiàn)一維河道及潰口的概化演算。地形地貌結(jié)構(gòu)參數(shù)利用分辨率為50m×50m的數(shù)字高程圖（DEM）進(jìn)行處理所得，利用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分[2]。河道潰堤過程可采用MIKE11模型的潰堤模塊進(jìn)行模擬分析，并分別對潰堤時機(jī)、潰口位置以及尺寸進(jìn)行設(shè)置。模型的上游邊界以河流的流量為邊界，且以上游斷面在設(shè)定年限內(nèi)的洪水過程為輸入?yún)?shù)，下游邊界是利用曼寧公式推算出的水位作為邊界，同時應(yīng)考慮各斷面的頻率峰值，如下所示：

上述公式中：——分別為分洪流量和堰流系數(shù)；

——分別為寬度和堰流指數(shù)；

——分別為堰上游水位和堰下游水位；

——堰頂高程。

河道左灘地、主河道和右灘地的Manning系數(shù)n分別取值為0.02，0.036和0.05，并引入收縮、擴(kuò)張分別表征河道能量損失；設(shè)定河道的擴(kuò)張系數(shù)和收縮系數(shù)分別為0.2和0.1；邊界條件是進(jìn)行河道模擬計算的必要條件，上游1河段的坡降比為0.0006，河道的臨界水深分別為3和4河段的邊界條件；采取混合流態(tài)為研究區(qū)域的河流流態(tài)。

2 河道潰堤洪水模擬研究

選取太子河防洪保護(hù)區(qū)河道橋潰口為研究對象，利用MIKE11模型對其進(jìn)行潰堤洪水時間序列計算分析。計算范圍長136.5km，潰口選取歷史潰口處，瞬潰為潰口的發(fā)生類型其保證水位為45.6m。利用1：1萬精度的地形度和上述數(shù)據(jù)資料建立模型分析的斷面和河網(wǎng)文件。選取太子河上游水文站的設(shè)計洪水過程作為上游邊界條件大支流邊界劃分為5個區(qū)間入流點，并以下游水文站的水位流量關(guān)系作為下游邊界條件。主河道的糙率為0.025～0.030，灘地及耕田的糙率為0.041～0.048，植被林地糙率為0.06～0.07，村莊糙率為0.08～1.10，所選糙率均滿足河道潰口的水力性能要求，將該結(jié)果直接輸入MIKE11模型。初始水位和流量值分別為25.2m和0并以此構(gòu)建河道參數(shù)文件，本文選取12s作為時間步長。利用MIKE11模型進(jìn)行模擬分析潰口過程線圖1所示。

本研究選取2015年的實測洪水過程對模型的河道糙率取值合理性進(jìn)行驗證，并以上游和下游水文站作為MIKE11模型的上、下邊界條件并對河道水位變化過程利用模型進(jìn)行模擬演化，實測數(shù)據(jù)與模擬驗證過程和對比。研究表明：河道洪水沿程洪痕、監(jiān)測站和洪水計算水位與實測水文之間的絕對誤差最大值不高于20cm。結(jié)合模擬結(jié)果河道洪水實測值與模擬值保持較高的一致性，在驗證的12d洪水過程中僅有個別點其誤差相對較大，其他各點的誤差均滿足相關(guān)研究，以此表明所選取的糙率值滿足模型的模擬精度要求。

3 結(jié)論

（1）潰口上斷面河道總洪量在不考慮滲漏、蒸發(fā)等損失的條件時，其值與潰口下斷面和潰口流入保護(hù)區(qū)內(nèi)的流量的和保持一致，根據(jù)水量平衡基本理論說明該模型模擬結(jié)果較為合理、可靠。

（2）所構(gòu)建的MIKE11水動力模型能夠較好的對潰口洪水變化過程模擬演化，模擬結(jié)果可作為二維洪水演算的邊界條件和決策依據(jù)。

（3）河道洪水實測值與模擬值保持較高的一致性，在驗證的12d洪水過程中僅有個別點其誤差相對較大，其他各點的誤差均滿足相關(guān)研究，本文所選取的糙率值滿足模型的模擬精度要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]秦大庸，王浩，陳敏健等.西北地區(qū)水資源合理配置和承載力煙具[M].鄭州：黃河水利出版社，2003：1-20.

[2]吳俊秀，郭清.大凌河流域MIKE BASIN水資源模型[J].水文，

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