基于MIKE21模型的定州沙河流量與分流比關(guān)系分析

劉 迪

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

1 項(xiàng)目區(qū)概況

沙河是大清河水系南支潴龍河的一條主要支流，發(fā)源于山西省靈丘縣和繁峙縣。沙河上游北支源出靈邱縣太白衛(wèi)山， 西北支源出繁峙縣五臺(tái)山東白坡頭，兩支于河北省阜平縣杜里元匯合，流經(jīng)阜平、曲陽(yáng)縣至新樂南辛店小吳村入定州市大吳村， 至懷德、子遠(yuǎn)、東西張歉村以下分為兩支：北支在邵村、西留春、西王耨、馬阜才等村南；南支在李親顧鎮(zhèn)東、東湖村西、西丁、子位村北，至安國(guó)市大李莊南兩支合流。 北支為主流，至大定村出境入安國(guó)市境，至安平縣北郭村附近與磁河、孟良河匯合后注入潴龍河，河道全長(zhǎng)242km，北郭村以上流域面積5560km2。定州市段主河長(zhǎng)26.4km，南支15.2km，西部河寬3.3km，東部河寬300～500m，境內(nèi)流域面積105.7km2。

2 研究?jī)?nèi)容及技術(shù)路線

沙河定州市段長(zhǎng)26.4km， 本課題主要以李親顧鎮(zhèn)段5.6km為研究對(duì)象， 為保證模型可靠上游延長(zhǎng)5km，下游南支延長(zhǎng)3.1km，北支延長(zhǎng)6.6km，共18km，旨在基于MIKE21 FM水動(dòng)力模塊進(jìn)行各種工況下的二維數(shù)值模擬，計(jì)算南北支分流比。 如圖1。

圖1 技術(shù)路線

3 河道模型的建立

本次研究以沙河定州段規(guī)劃后河道為例構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。 沙河定州市段長(zhǎng)約26.4km，主要為李親顧鎮(zhèn)段5.6km為研究對(duì)象，為保證模型可靠上游延長(zhǎng)5km，下游南支延長(zhǎng)3.1km，北支延長(zhǎng)6.6km，共18km。 采用2019年1∶1000實(shí)測(cè)地形圖，并結(jié)合沙河設(shè)計(jì)斷面，作為建?；A(chǔ)進(jìn)行轉(zhuǎn)化、提取，將沙河河道堤線作網(wǎng)格剖分邊界，以100m為邊長(zhǎng)，形成三角形，模型總面積18.13km2，對(duì)分汊口段河道進(jìn)行了模型加密，內(nèi)部有1561個(gè)節(jié)點(diǎn)，2521個(gè)非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。網(wǎng)格剖分如圖2，沙河區(qū)域內(nèi)高程模型如圖3。

圖2 沙河區(qū)域網(wǎng)格剖分

圖3 沙河區(qū)域高程模型

上游邊界條件為模型入流。本次模型建設(shè)研究為流量與分流比的關(guān)系，將上游邊界條件分為5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇4種工況。 入流條件選擇恒定流。 下游邊界條件為模型出流。 下游邊界為規(guī)劃南支樁號(hào)5+100，北支樁號(hào)25+000的設(shè)計(jì)水位。

糙率是反映地面阻水程度的參數(shù)， 本次參照以往模型率定成果按經(jīng)驗(yàn)選取。 現(xiàn)狀灘地糙率取0.045，主槽糙率取0.025。

3.1 模型計(jì)算方案

本次研究以規(guī)劃沙河河道為模型， 計(jì)算不同流量情況下的分流比關(guān)系。模型采用了共計(jì)4種工況進(jìn)行計(jì)算。 如表1。

表1 設(shè)計(jì)工況

3.2 模型計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，在不同的行洪流量下，南北支流量及分流比計(jì)算結(jié)果計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 計(jì)算成果統(tǒng)計(jì) 單位：m3/s

入流源設(shè)置在樁號(hào)7+000處，2h后，5年一遇洪水行洪至樁號(hào)13+000附近；10年一遇洪水行洪至樁號(hào)15+000附近；20年一遇洪水行洪至樁號(hào)18+400附近；50年一遇洪水行洪至樁號(hào)21+000附近。

5年一遇洪水行洪至模型終點(diǎn)（樁號(hào)25+000）歷時(shí)5.5h；10年一遇洪水行洪至模型終點(diǎn)歷時(shí)4.8h；20年一遇洪水行洪至模型終點(diǎn)歷時(shí)3.2h；50年一遇洪水行洪至模型終點(diǎn)歷時(shí)2.7h。 從淹沒過程上看，各時(shí)段淹沒范圍基本合理；從洪水流場(chǎng)圖上看，各時(shí)段流場(chǎng)分布合理，變化趨勢(shì)符合水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

4 分流比結(jié)果分析

影響分流比的因素有河寬比、地形、糙率、河道拐角、流量等。本次模型采用沙河定州段規(guī)劃后設(shè)計(jì)斷面，控制了河寬、地形、糙率、彎道拐角等因素，單獨(dú)分析總流量對(duì)分流比產(chǎn)生的影響。

根據(jù)模型計(jì)算成果統(tǒng)計(jì)表2，南北分支分流比與沙河總流量呈一定的線性關(guān)系， 繪得各個(gè)工況流量走勢(shì)圖及流量與分流比關(guān)系如圖4、圖5。

圖4 各個(gè)工況流量走勢(shì)

圖5 流量與分流比關(guān)系

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果計(jì)算得出南支分流比y與總流量x的關(guān)系如式（1），北支分流比y與總流量x的關(guān)系如式（2）。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）沙河定州李親顧鎮(zhèn)段現(xiàn)狀河道分為南北兩支， 現(xiàn)狀分流比為0.4∶0.6。 2013年定州市為發(fā)展需要，規(guī)劃將南北支分汊口下移1.85km，分流比發(fā)生了變化。 地形變化對(duì)河流比產(chǎn)生了影響。

（2）本次模型采用沙河定州段規(guī)劃后設(shè)計(jì)斷面，控制河寬、地形、糙率、彎道拐角等因素，單獨(dú)分析總流量對(duì)分流比的影響， 由計(jì)算結(jié)果可知南北分支分流比與沙河總流量呈一定線性關(guān)系，南支分流比y與總流量x的關(guān)系式為：y=0.88×10-5x+0.193； 北支分流比y與總流量x的關(guān)系式為：y=-0.88×10-5x+0.807。

（3）規(guī)劃后的沙河分汊口不同流量下的分流比計(jì)算結(jié)果， 為以后沙河治理等相關(guān)水利工程設(shè)計(jì)提供了技術(shù)依據(jù)。