MIKE11在泄洪閘閘寬比選中的應(yīng)用
——以江西省某灌區(qū)為例

范營營

（中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330029）

江西省某灌區(qū)始建于1958年，設(shè)計(jì)引水流量3.87 m3/s，設(shè)計(jì)灌溉面積26.4 km2，分為東西2條干渠。其中，西干渠為傍玉笥山而建，為了保持一定的高水頭，多系沿山體等高線半挖半填而成，截?cái)嗯遑愃榷鄺l山洪溝。洪水直接入渠，易造成局部岸坡崩塌淤塞，給渠道運(yùn)行安全和周邊防洪排澇造成較大壓力。隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和城市建設(shè)，渠道下游已開發(fā)為縣城建成區(qū)，該干渠同時承擔(dān)縣城的截洪排洪任務(wù)，對渠道汛期排洪提出了更高要求[1]。

西干渠沿線水系較發(fā)育，地形復(fù)雜，汛期邊山洪水呈集中和分散式多處入渠，并由沿線泄水閘下泄。汛期水流為明渠一維非恒定流，一般采用圣維南方程組進(jìn)行描述[2]。MIKE11是以圣維南方程組為基礎(chǔ)的一維水動力模擬系統(tǒng)，經(jīng)過幾十年的改進(jìn)和發(fā)展，已在河道治理、涉河工程建設(shè)項(xiàng)目數(shù)值模擬領(lǐng)域取得很好的應(yīng)用效果[3]。如丁志良[4]等以瀏陽市南川河為例，利用MIKE11模型進(jìn)行水力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果可為生態(tài)護(hù)岸方案提供依據(jù)；張濤[5]以平原河道為例，采用MIKE11一維水動力模型計(jì)算水面線，并用驗(yàn)證站洪水進(jìn)行模型驗(yàn)證，結(jié)果表明在大流量階段模擬水位與實(shí)測水位吻合較好，模型具有較好的適應(yīng)性；陳杜銳[6]以某城市建成區(qū)河道為例，基于伯努利方程和MIKE11模型，對不同護(hù)岸結(jié)構(gòu)的河道水面線分別進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果表明，在復(fù)雜斷面河道水面線計(jì)算中，MIKE11模型原理假定、計(jì)算結(jié)果更為合理。上述MIKE11的應(yīng)用針對復(fù)雜的邊山洪水和調(diào)度策略的研究較少，本文利用MIKE 11軟件分析多泄洪閘聯(lián)合泄洪時不同泄洪閘閘寬下的水面線，為工程方案優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工程概況

本次水系整治工程治理范圍為江西省某灌區(qū)水坑村至工業(yè)園段，對應(yīng)樁號K0+000—K6+070，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇，擬定工程措施為渠道的清淤和襯砌、渠系附屬建筑物的新建及改造[1]。

水坑村為工程治理起點(diǎn)，此處佩貝水干流與西干渠平交。為解決暴雨期間洪水倒灌進(jìn)西干渠問題，擬在交叉處上下游各建節(jié)制閘，洪水期間關(guān)閉2處閘門，交叉斷面以上洪水由西干渠現(xiàn)狀泄洪閘排入佩貝水，交叉斷面下（樁號K0+150）至本次工程治理終點(diǎn)工業(yè)園（樁號K6+070）之間的邊山洪水通過沿渠的3座泄洪閘排入現(xiàn)有渠系。其中，泄洪閘1為已建工程，位于樁號K2+755處，本次對其進(jìn)行原址原規(guī)模更新改造；泄洪閘2和泄洪閘3為新建工程，位于樁號K4+780和K5+780處。同時，為控制水流方向，西干渠治理末端樁號K6+070處新建1座工業(yè)園節(jié)制閘，水系及工程布置概化如圖1所示。

圖1 水系及工程布置概化

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程及其求解

MIKE11中水動力模塊的控制方程為圣維南方程組，該方程組是由連續(xù)性方程和動量方程組成的雙曲面偏微分方程組：

連續(xù)性方程為：

動量方程為：

式中：Q為流量（m3/s）；q為側(cè)向入流（m3/s）；x為距離（m）；A為過水?dāng)嗝婷娣e（m2）；t為時間（s）；α為動量修正系數(shù)；h為水位（m）；g為重力加速度（m/s2）；C為謝才系數(shù)（m0.5/s）；R為水力半徑（m）。

圣維南方程組是雙曲線型微分方程，可用特征線法和有限差分法進(jìn)行求解，應(yīng)用于明渠非恒定流時一般使用有限差分法。為使模型運(yùn)算結(jié)果穩(wěn)定和誤差小，MIKE11采用6點(diǎn)Abbott隱式有限差分格式求方程組的數(shù)值解，求解之前需將圣維南方程組進(jìn)行離散。

2.2 渠道平面及斷面布置

根據(jù)渠道工程方案，設(shè)計(jì)渠道走向和現(xiàn)狀一致，水坑村下和工業(yè)園各設(shè)置2座節(jié)制閘，模型計(jì)算范圍為2座節(jié)制閘之間，對應(yīng)樁號為K0+150—K6+070，全長5.92 km，計(jì)算范圍內(nèi)共有5座可控建筑物。

根據(jù)項(xiàng)目性質(zhì)、占有的地形資料和實(shí)測水位數(shù)據(jù)，本次泄水閘采用MIKE11中的側(cè)向建筑物，計(jì)算引擎自動生成一條虛擬側(cè)向河道，泄水閘作為虛擬河道的常規(guī)建筑物，軟件通過定義側(cè)向河道出流點(diǎn)一個低水位邊界條件，假設(shè)泄水閘出流和過流都是自由的。

由于渠道疏浚僅按淤積厚度進(jìn)行清淤，基本保持原水渠縱坡1/1500[1]，西干渠沿線大部分已發(fā)展為城區(qū)建成區(qū)，渠道岸坡應(yīng)綜合考慮道路紅線及房屋保護(hù)情況，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范和渠道襯護(hù)方案，確定為1∶0.5和1∶1.5。

渠道斷面文件以實(shí)測1∶2000條帶圖和現(xiàn)狀地形圖為基礎(chǔ)，采用工程整治后的斷面為模型輸入橫斷面，本次模型共設(shè)置123個斷面，如圖2所示。

圖2 模型計(jì)算范圍及渠道平面

2.3 邊界條件

下節(jié)制閘（樁號K0+150）至工業(yè)園節(jié)制閘（樁號K6+070）區(qū)間邊山洪水主要源于佩貝水支流水系，總集水面積21.3 km2，分5部分匯入西干渠，經(jīng)調(diào)蓄后，由沿渠3座泄洪閘流出。區(qū)間洪水匯入點(diǎn)分別位于樁號K2+245、K4+770，各匯入點(diǎn)洪水過程采用推理公式法由《江西省暴雨洪水查算手冊》（2010版）中相關(guān)參數(shù)查算，如圖3所示，匯入點(diǎn)之間來水以坡面徑流形式匯入渠道，其設(shè)計(jì)洪峰流量利用簡化地區(qū)綜合法估算，具體為選取工程附近下墊面、地形、集水面積等產(chǎn)匯流條件類似的流域，并由上述推理公式法推算其設(shè)計(jì)洪水，得出集雨面積和洪峰模數(shù)相關(guān)關(guān)系如圖4所示，查得各小流域的設(shè)計(jì)洪水流量。

圖3 邊山設(shè)計(jì)洪水過程示意

圖4 工程附近小流域集雨面積和洪峰模數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系

模型的邊界條件還包括渠道兩端樁號K0+150和K6+070各設(shè)置1座節(jié)制閘，暴雨洪水期間關(guān)閉2座節(jié)制閘，模型兩端為閉邊界。

2.4 計(jì)算方案

2.4.1 模型參數(shù)方案

模型模擬時間和設(shè)計(jì)洪水持續(xù)時間對應(yīng)，計(jì)算時間步長為1 min，空間步長最大值為50 m。一般情況下，在模型計(jì)算時，應(yīng)對渠道糙率等進(jìn)行驗(yàn)證。由于西干渠缺乏實(shí)測水文資料，本次計(jì)算的模型斷面為襯砌整治護(hù)岸的渠道斷面，其糙率主要考慮工程實(shí)施后的渠道情況，渠道混凝土護(hù)坡段采用n=0.018、渠底采用n=0.0275。

2.4.2 洪水調(diào)度方案

西干渠泄洪閘調(diào)度方案根據(jù)渠道的汛期調(diào)度方案進(jìn)行，以“小雨調(diào)水、大雨泄水”“大漲提閘、水降壓閘”為原則，汛期渠道管理人員密切關(guān)注天氣預(yù)報和各泄水閘段渠道水深，不能使渠道水位超過警戒水位，防止漫頂。

根據(jù)江西省某灌區(qū)西干渠度汛調(diào)度運(yùn)行方案，汛前預(yù)降渠道水位至70.0 m，調(diào)節(jié)閘門開度，使得進(jìn)出渠道水量平衡，保持渠道水位70.0 m不變，當(dāng)各閘來水流量大于泄洪閘泄流能力時，閘門全開敞泄洪水。

2.4.3 閘寬比選方案

本次防洪工程優(yōu)化方案即在渠道橫縱斷面、邊山洪水、閘門調(diào)度方案確定的情況下，計(jì)算新建泄洪閘不同閘孔規(guī)模組合下的渠道最高水位水面線。樁號K2+755處泄洪閘閘寬受承泄區(qū)用地要求的影響，目前無加寬余地，仍采用現(xiàn)狀閘寬，僅對其進(jìn)行除險加固處理。本次比選主要分析樁號K4+870和K5+870處泄洪閘的2、4、6 m的閘寬組合下的渠道最高水位。

3 結(jié)果分析

3.1 渠道最高水位分析

基于上述邊界條件和計(jì)算方案對渠道最高水位進(jìn)行模擬計(jì)算，并選取關(guān)鍵防洪節(jié)點(diǎn)最高水位和實(shí)測地形進(jìn)行對比分析，各工況下成果詳見表1。

表1 不同閘寬組合下關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的渠道最高水位

由計(jì)算結(jié)果可知，隨著閘孔尺寸的加大，泄洪閘泄洪能力增大，西干渠各斷面的水位均有所降低。渠道各斷面水位降低幅度不同，距離閘址越遠(yuǎn)，水位變化程度越小，越靠近泄洪閘水位影響越明顯。隨著泄洪閘尺寸繼續(xù)加寬，對渠道水位降低的影響越小，水位下降幅度呈逐漸減小趨勢，渠道水位的降低同時受區(qū)間洪水過程和入渠點(diǎn)不同、渠道自身過流能力等綜合影響。因此，在不考慮承泄區(qū)過流能力的前提下，泄洪閘閘寬并非越大越好，閘寬組合須與渠道斷面相匹配。

本次計(jì)算結(jié)果中，推薦采用樁號K4+870閘寬為6 m、K5+870閘寬4 m的組合，在考慮0.2 m超高的情況下，現(xiàn)狀渠頂高程基本不加高，在滿足防洪安全的前提下，兼顧了經(jīng)濟(jì)效益，方案較為合理，渠道沿線水面線如圖5所示。

圖5 西干渠計(jì)算范圍內(nèi)水面線成果

3.2 水量平衡分析

為分析模擬時段內(nèi)渠道計(jì)算范圍內(nèi)的水量平衡，汛期設(shè)計(jì)洪水來臨前，渠道預(yù)泄水位至70 m，渠道計(jì)算范圍水量50020 m3，設(shè)計(jì)洪水結(jié)束時水量為68634 m3，渠道蓄水量為18614 m3，邊山來水量（側(cè)向入流）為5476117 m3，泄水閘排出水量為5457503 m3。由此可見，模擬時段內(nèi)邊山洪水流入渠道的水量減去由泄水閘流出渠道的水量等于時段內(nèi)渠道蓄水量，詳見表2。

表2 計(jì)算范圍內(nèi)渠道水量平衡計(jì)算（推薦方案）104 m3

各泄水閘最大泄洪流量如下：樁號K2+755泄洪閘3.63 m3/s，K4+870泄洪閘14.4 m3/s，K5+870泄洪閘16.3 m3/s，總泄洪流量34.33 m3/s。設(shè)計(jì)情況入渠洪水洪峰流量為63.96 m3/s，經(jīng)渠道調(diào)蓄后，出渠洪水峰值較入渠洪水峰值降低約42.3%。由此可見，對于引洪入渠口沿程分布且峰高量少的山丘區(qū)洪水，截洪溝設(shè)計(jì)需充分考慮溝槽的調(diào)蓄作用，避免截洪溝規(guī)模過大。

4 結(jié)論

（1）本研究以江西省某工程為例，利用河道斷面數(shù)據(jù)和實(shí)測地形資料，基于MIKE 11水動力模型建立了西干渠一維明渠洪水水面線模擬系統(tǒng)，較好地模擬了截洪溝洪水演進(jìn)及多泄洪閘聯(lián)合泄洪時渠道水面線，克服了傳統(tǒng)水力計(jì)算方法的不足，為防洪方案比選提供參考。

（2）從水量平衡、削峰滯洪、最高水位等方面綜合分析模型的計(jì)算結(jié)果，在滿足現(xiàn)狀堤頂高程基本不加高的原則要求下，選定了泄洪閘推薦方案，兼顧了經(jīng)濟(jì)效益，方案較為合理。