HD模型在圍堤行洪影響分析中的應(yīng)用

馮 艷，薛 梅

（松遼水利委員會(huì)水文局（信息中心），吉林 長春130021）

1998年大洪水以后，由于嫩江干流、松花江干流連續(xù)多年沒有發(fā)生洪水，沿岸居民在河道灘地上恢復(fù)、修建了許多圍堤，嫩江干流白沙灘以下至松花江干流拉林河口以上的河段尤為嚴(yán)重。據(jù)2008年12月現(xiàn)場勘察，此段河道內(nèi)現(xiàn)有圍堤286 處，總長度1 092 km，占河道灘地9.73 萬hm2，最大侵占河道15 km。這些圍堤將影響兩岸國堤的防洪能力。通過開展計(jì)算工作，分析掌握這些圍堤的阻水作用，對于明確該河段的行洪能力，及相關(guān)區(qū)域的防洪減災(zāi)工作具有重要意義。目前二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型在圍堤對防洪影響中應(yīng)用較多，但由于此次計(jì)算范圍廣、圍堤多，因此下文應(yīng)用MIKE11 HD 模型，分析圍堤對計(jì)算范圍內(nèi)河道各斷面的壅水影響。

1 模型簡介

MIKE 11 HD 主要用于洪水預(yù)報(bào)及水庫聯(lián)合調(diào)度、河渠灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)調(diào)度，以及河口風(fēng)暴潮的研究，是目前世界上應(yīng)用最為廣泛的商業(yè)軟件，具有計(jì)算穩(wěn)定、精度高、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，能方便靈活地進(jìn)行復(fù)雜河網(wǎng)水流、模擬閘門、水泵等各類水工建筑物的運(yùn)營調(diào)度，尤其適合應(yīng)用于水工建筑物眾多、控制調(diào)度復(fù)雜的情況。

MIKE 11 HD 是基于垂向積分的物質(zhì)和動(dòng)量守恒方程，即一維非恒定流Saint-Venant 方程組：

式中：H 為斷面水位；Q 為流量；u 為平均流速；g 為重力加速度；B 為不同高程下的過水寬度；qL為旁側(cè)入流流量；R 為水力半徑；C 為謝才（Chezy）系數(shù)；x，t 是位置和時(shí)間坐標(biāo)。

2 圍堤行洪影響分析

2.1 模型建立

模型的計(jì)算范圍為嫩江江橋站至松干通河站，計(jì)算長度為209 km。上游斷面為嫩江江橋站，將江橋站的流量作為上游入流；下游斷面為松干通河站，邊界類型為水位。通過模型靈敏度分析發(fā)現(xiàn)，模擬斷面的水位和流量不受上、下游邊界條件的影響。

2.2 圍堤處理

圍堤測量資料包括圍堤的位置、堤頂高程及圍堤分布圖。對過水?dāng)嗝孢M(jìn)行處理，處理的原則：當(dāng)水位超過圍堤堤頂高程時(shí)，堤頂高程以下部分不過水，堤頂高程以上部分過水；多處圍堤呈套狀、魚鱗狀分布，根據(jù)其空間分布，考慮連續(xù)圍堤的阻水作用，對圍堤進(jìn)行概化處理；圍堤影響寬度綜合考慮橫跨大斷面的圍堤和沒有跨大斷面的圍堤的作用。

過水?dāng)嗝鎴D形如圖1所示。原斷面為河道中不存在圍堤的斷面，加圍堤斷面是在原斷面的基礎(chǔ)上落上圍堤后形成的斷面，圍堤所圍的部分是不過水的面積。

圖1 過水?dāng)嗝媸疽鈭D

2.3 模型參數(shù)率定

2.3.1 無圍堤條件下的斷面糙率率定

采用《松花江防洪規(guī)劃》的20年一遇、30年一遇和50年一遇的各段洪峰流量作為輸入條件，率定模型的綜合糙率，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 模型糙率成果表

模型計(jì)算水面線結(jié)果與《松花江防洪規(guī)劃》水面線成果基本一致（各頻率、各斷面的水位差值均不超過±10 cm），見圖2。從率定的結(jié)果看，模型率定的不同頻率下的綜合糙率均在天然河道糙率取值范圍之內(nèi)，是合理的。

圖2 各斷面水位模擬誤差

2.3.2 加圍堤條件下的斷面糙率率定

利用無圍堤情況下100年、20年一遇洪水的河段平均水深變幅（河段平均的水位差）和河段平均糙率變幅（河段平均糙率的比值）建立線性關(guān)系，利用無圍堤時(shí)的糙率計(jì)算出加圍堤后河段的平均水位，計(jì)算出加圍堤后河段平均糙率折減系數(shù)，對壅水高度（用無圍堤的糙率計(jì)算出的壅水高度）大于0.50 m 河段的糙率統(tǒng)一乘以河段平均糙率折減系數(shù)，得出加圍堤后的糙率值。

計(jì)算中將圍堤視為剛體進(jìn)行處理，但在現(xiàn)實(shí)中，當(dāng)洪水發(fā)生時(shí)，圍堤一定會(huì)受到洪水的毀壞?；诖?，要考慮洪水對圍堤的影響，在過水?dāng)嗝嫣幚頃r(shí)，應(yīng)將圍堤的頂高程降0.50 m（即洪水對圍堤的平均影響高度），其他處理原則不變。用重新處理的過水?dāng)嗝?，進(jìn)行圍堤行洪影響計(jì)算。

經(jīng)試算，加圍堤后20年、30年、50年一遇洪水的各河段糙率值見表2。

表2 加圍堤后模型糙率成果表

加圍堤后的糙率比無圍堤時(shí)的糙率小，且在《松花江防洪規(guī)劃》中糙率取值范圍內(nèi)，說明糙率是合理的。

2.4 模擬結(jié)果

計(jì)算加圍堤斷面的20年、30年、50年一遇洪水各斷面的壅水高度，計(jì)算結(jié)果見表3，4。

與1998年實(shí)測洪水水面線對比，在《松花江防洪規(guī)劃》中推算了1998年洪水水面線，其中嫩江江橋至大賚段河道內(nèi)民堤較多，在嫩82 斷面處的水面線比規(guī)劃水面線高64 cm。由于現(xiàn)狀圍堤多于1998年，此次計(jì)算結(jié)果在嫩82 斷面處壅高86 cm 是合理的。

另外，此次計(jì)算范圍內(nèi)的嫩江干流25 個(gè)斷面中有11個(gè)斷面的過水面積被圍堤侵占50%以上，最嚴(yán)重的斷面被侵占68%。在嫩江約30 km 長河道內(nèi)圍堤已經(jīng)連成線，其影響必將嚴(yán)重于單一孤立和不連續(xù)的圍堤壅水情況。因此，部分?jǐn)嗝孥账叨冗_(dá)0.95 m 是合理的。

表3 圍堤影響分析表

表4 不同頻率洪水壅水統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié) 論

1）模型參數(shù)在天然河道糙率取值范圍之內(nèi)，模型可用于圍堤行洪影響分析。

2）嫩江段壅水比松干段嚴(yán)重，嫩79～94 斷面壅水高度最大。對于20年、30年、50年一遇洪水，嫩江段平均壅水高度較松干段高0.36 m 左右。

3）圍堤降低了堤防的防洪能力。以大賚江段為例，大賚站右岸吉林省堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，建圍堤后，右岸堤防保證流量由14 300 m3/s 降到10 200 m3/s（20年一遇）；左岸黑龍江省堤防的防洪標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，建圍堤后，左岸堤防的保證流量由12 200 m3/s 降到8 670 m3/s（10年一遇）。

3.2 建 議

1）在圍堤概化時(shí)，需考慮其形狀、位置及空間位置關(guān)系，綜合反映到大斷面形狀。

2）河道沖淤以及圍堤建設(shè)情況變化大，根據(jù)最新的測量數(shù)據(jù)，應(yīng)用二維模型進(jìn)一步分析圍堤阻水情況。

［1］ 松花江防洪規(guī)劃報(bào)告［R］.

［2］ 吳天蛟，楊漢波，李哲，呂華芳，楊大文.基于MIKE11 的三峽庫區(qū)洪水演進(jìn)模擬［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2014（02）.

［3］ 孫映宏，姬戰(zhàn)生，周蔚.基于MIKE11 HD 和NAM 耦合模型在河流施工圍堰對防洪安全影響分析中的應(yīng)用與研究［J］.浙江水利科技，2009（02）.