基于MIKE 11模型的鵝頭分汊型河道水面線及分流比計(jì)算

顧 盼，張洪霞，耿文杰，連雷雷，左 建

（長江水利委員會水文局漢江水文水資源勘測局，湖北 襄陽 441000）

1 研究背景

丹江口水庫樞紐蓄水運(yùn)用后，漢江中下游水沙條件及河勢發(fā)生了根本變化，河道由亞分汊淤積型向穩(wěn)定分汊侵蝕型演變，河床沖刷，主支易位，魚梁洲灘尾下延，遇大水年份，深泓線變遷，頂沖點(diǎn)遷移，但由于人為活動的干預(yù)，修筑河堤，實(shí)施河道護(hù)岸工程、建造河勢控制工程，致使河道外形已不大可能發(fā)生大的變化，唯江心河灘及汊道進(jìn)行沖淤的交替。另外，建庫后襄崔河段來水長期較為平穩(wěn)，水流的流向、流路變化較小，左汊曾經(jīng)經(jīng)歷過長期清水沖刷，河床沖刷達(dá)到一定程度后很難繼續(xù)發(fā)展，且2009年10月崔家營航電樞紐蓄水運(yùn)用前，對魚梁洲洲體進(jìn)行了整治，在洲灘上修建了防洪子堤，開挖了南北汊河道及魚梁洲洲灘，子堤的高程為64.3 m。因此，漢江魚梁洲河段未來河勢不會發(fā)生大的變化。

漢江魚梁洲河段屬典型的鵝頭分汊道型河道，在丹江口水庫和崔家營水庫調(diào)度的雙重影響下，河段水流狀態(tài)較復(fù)雜。本文采用2015年最新實(shí)測固定斷面資料，對不同來水條件下魚梁洲河段水面線及左、右汊分流比進(jìn)行了計(jì)算和研究。研究結(jié)果對于此河段分汊河道設(shè)計(jì)修建涉水工程可提供一定的參考。

2 河段概況

襄陽～崔家營河段，河道穿越城區(qū)將襄陽市一分為二，右岸為襄城區(qū)，左岸為樊城區(qū)。北河段為彎曲的河道，形狀為開口向西南方向的“U”形。漢江河床在由西向東流經(jīng)襄陽市區(qū)中部呈Y字型分流，主河道開始轉(zhuǎn)向北偏東30°左右的流向，在漢江鐵路橋以下，河流由東折向東南，河床寬1000 m～6000 m。在其分流處下游約3 km小清河從自西北方向匯入，下游約6 km與唐白河匯合后轉(zhuǎn)向南偏東流向而后逐漸轉(zhuǎn)向南，在兩河口下游12 km處與分流河道匯合。分流河道流向東偏南方向后逐漸轉(zhuǎn)為南偏東、最終向南與主河道匯合。由于小清河、唐白河自西北方向匯入，形成回流，經(jīng)歷次洪水的沖刷、淤積、切割，演變成現(xiàn)在的魚梁洲。魚梁洲洲灘高程一般在62.0 m～66.5 m，枯水期其東西寬約5.3 km，南北長約10.6 km，全洲面積約為27 km2，洲頭距襄陽水文站約2.5 km。

20世紀(jì)60年代以前左汊為主汊，20世紀(jì)60年代末丹江口水庫蓄水后清水下泄，河床下切，主流歸槽，70年代以后，右汊逐漸發(fā)展為主汊。襄陽水文站斷面1974年至1992年實(shí)測河床平均沖深達(dá)1.79 m。目前該河段因水流沖走床面泥沙中的較細(xì)顆粒，使床面的泥沙組成粗化，沖刷基本平穩(wěn)，河勢相對穩(wěn)定。魚梁洲是河段內(nèi)最大江心洲，崔家營水電樞紐建成蓄水后，魚梁洲的可開發(fā)面積約13 km2?，F(xiàn)階段，魚梁洲的開發(fā)利用應(yīng)堅(jiān)持“不礙洪、穩(wěn)河勢、保民生、促發(fā)展”的原則，在崔家營航電樞紐正常蓄水位62.73 m（黃海）以上的部分洲灘進(jìn)行適度利用。

3 MIKE 11模型

3.1 模型原理

MIKE 11模型由丹麥水力研究所（DHI）開發(fā)，包括HD模塊、RR模塊、DA模塊、FF模塊、ST模塊、AD模塊和SO模塊。MIKE 11HD作為MIKE 11模型建立過程中的核心模塊，可以對一維地表明渠流的水動力進(jìn)行動態(tài)模擬，適用于山溪性、平原性河流的水力計(jì)算，應(yīng)用范圍包括單一河道河流、汊狀河網(wǎng)及環(huán)狀河網(wǎng)。

模型的基本方程為圣維南方程組，其連續(xù)方程、動量守恒方程分別為：

式中：A為河道過水面積；Q為流量；u為側(cè)向流在河道方向的流速；t為時間；x為沿水流方向的水平坐標(biāo)；q為河道的側(cè)向流量；α為動量修正系數(shù)；g為重力加速度；y為水位；Sf為糙率系數(shù)。

MIKE 11模型采用Abbott-Ionesco[3]六點(diǎn)中心隱式差分格式對圣維南方程進(jìn)行數(shù)值離散化，并應(yīng)用“追趕法”求解差分方程。由于Abbott六點(diǎn)中心隱式差分算法為無條件穩(wěn)定方法，具有較高的計(jì)算穩(wěn)定性，誤差率＜2%，且計(jì)算速度較快，一般比常規(guī)四點(diǎn)差分格式快5～6倍。

3.2 模型的構(gòu)建

MIKE 11軟件主要用于河口、河流、灌溉系統(tǒng)和其他內(nèi)陸水域的水文、水力、水質(zhì)和泥沙傳輸模擬，在防汛、洪水預(yù)報(bào)、水資源水量、水質(zhì)管理、水利工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、論證等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

基于MIKE 11系統(tǒng)的模型構(gòu)建主要包括河網(wǎng)概化、斷面文件處理、邊界與初始條件設(shè)置、模型參數(shù)率定和驗(yàn)證等。MIKE 11 HD包含河網(wǎng)文件、斷面數(shù)據(jù)、邊界條件和模型參數(shù)四個文件，前三個為建?；A(chǔ)數(shù)據(jù)資料，模型參數(shù)文件為需率定的參數(shù)，根據(jù)模型原理可知，率定的參數(shù)為糙率系數(shù)。MIKE 11 HD的模型結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 MIKE 11 HD模型結(jié)構(gòu)

3.2.1 模型輸入

（1）河網(wǎng)及實(shí)測斷面

本次計(jì)算以襄崔河段1∶5000實(shí)測河道地形圖為基礎(chǔ)資料，生成計(jì)算區(qū)域的河網(wǎng)文件，建立左、右汊河道的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)行水系概化；采用河段2015年實(shí)測的11個固定斷面為基本控制斷面，示意圖如圖2。

圖2 襄陽～崔家營河段河道及實(shí)測斷面布置及洪痕位置示意圖

（2）邊界與初始條件

根據(jù)河道分汊情況，確定模型的邊界條件，選取襄陽水文站上游約1 km處HZ49-1為上游邊界輸入斷面，崔家營電廠大壩壩址處HZ55-1為下游邊界出口斷面；上邊界輸入流量，下邊界輸入對應(yīng)控制水位。

3.2.2 模型率定

以2017年10月在河段5個位置處的實(shí)測水位以及左、右汊分流比為控制目標(biāo)，對模型中反映河床糙率的糙率系數(shù)進(jìn)行率定。經(jīng)過反復(fù)率定，漢江右汊糙率為0.025，左汊糙率為0.021。模擬水位與實(shí)測斷面水位相差不超過0.05 m，見表1；模型率定水面線與實(shí)測洪水位見圖3；模擬的左汊流量1785 m3/s、右汊流量6225 m3/s，占總流量比例為22.3%和77.7%，實(shí)測左汊流量1800 m3/s、右汊流量6210 m3/s，占總流量比例為22.5%和77.5%，見表2。

表1 模型率定水位與實(shí)測水位

圖3 模型率定水面線與實(shí)測洪水位

表2 模型率定分流比與實(shí)測分流比

3.2.3 模型的驗(yàn)證

模型的驗(yàn)證采用2011年9月漢江洪水，襄陽站流量13000 m3/s，崔家營水位62.86 m，用實(shí)測水位與分流比對模型進(jìn)行驗(yàn)證，其計(jì)算成果與實(shí)測成果的比較，見表3、表4和圖4。結(jié)果表明，模擬水位與實(shí)測水位偏差較小，相差不超過0.03 m，模擬的左汊流量、右汊流量占總流量比例為22.8%、77.2%，實(shí)測左汊流量、右汊流量站總流量比例為23.0%：77.0%?？梢娐识ǖ腗IKE 11模型具有較高精度，可用于本河段中高型典型洪水水面線及分流比的推求運(yùn)用。

表3 模型率定水位與實(shí)測水位

圖4 模型驗(yàn)證水面線與實(shí)測洪水位

表4 模型驗(yàn)證分流比與實(shí)測分流比

4 典型洪水水面線及分流比推算

新集水電站位于本河段上游約15 km，區(qū)間無其它支流，因此根據(jù)新集水電站設(shè)計(jì)洪水流量成果，采用率定的糙率系數(shù)計(jì)算襄陽～崔家營河段5年、20年、50年、100年和漢江1964年洪水的水面及漢江左、右汊分流比。各流量條件下設(shè)計(jì)洪水水面線，見表 5～6，分流比見表 7。

表5 不同來水條件下漢江右汊水面線（干流+右汊）

表6 不同來水條件下漢江左汊水面線（干流+左汊）

表7 不同來水條件下漢江魚梁洲左汊分流比

5 結(jié)論

（1）各級不同來水條件下，漢江魚梁洲左、右汊分流比比較穩(wěn)定，左汊分流量占總流量的23%左右，右汊分流量占77%。因此，當(dāng)漢江魚梁洲左、右汊河道設(shè)計(jì)建設(shè)涉水工程時，設(shè)計(jì)洪水可采用此分流比推求兩汊相應(yīng)的流量。

（2）當(dāng)漢江干流總來水流量增大時，漢江魚梁洲左汊的分流比在一定程度上將隨之增大，但增加幅度有限，5年～100年一遇設(shè)計(jì)洪水條件下，左汊分流比從22.6%增加至23.3%，僅增加0.7%。