马贵友

（辽宁省海城市水利工程建设质量安全监督站，辽宁海城114200）

水工数值模型在河道洪水验算中的应用

马贵友

（辽宁省海城市水利工程建设质量安全监督站，辽宁海城114200）

文中利用DHI开发的MIKE11、MIKE21软件分别建立现状堤防条件下的一、二维洪水演进模型。由于河道存在着一维特性，通过对河道内洪水演进进行一维数值模拟，二维数值模拟耦合，取得了较好的效果。在对河道一维洪水数值模拟中，可以看出，一维模型建模简单，可以随时根据河道断面更新数据对模型进行修改，同时模拟时间较短，可以为河道整治，防洪规划提供科学依据。二维数值模拟所需资料多，精度高，可以校核一维洪水数值模拟结果的准确性。

洪水演进模型；洪水验算；行洪能力；河道；海城河

1 研究背景

研究区域位于辽宁省海城市海城河中下游地区——东三道桥至高铁桥段，该段河道长22.5 km。海城河是流经海城市区的一条主要河流，承担着海城市防洪安全、休闲景观、应急供水等多种功能。由于近年来河流内部河床采砂及沿岸土地开发，使得河流的自然及社会属性发生了很大变化，如河床采砂造成某些河段河床严重下切，除改变了原有行洪流态外，河床滚动有可能危及河堤安全。随着社会经济发展及城市化建设水平的不断提高，海城河的作用将越来越重要，河流的防洪能力是其最基本的功能。城市河流由于用地格局形成后不易改变的特点，必须通过细致的分析计算对过流能力进行深入的研究，为河流及邻近区域的全面长远规划提供支持。

2 水工数值模型研究方法选择

针对海城河的河流特点，根据新测河道基本数据，利用0.6 m高精度卫星遥感图像和专业化软件，研究建立海城河精细化水工数值模型，对海城河进行设计洪水演算，以确定河道的行洪能力。

2.1 数值模型技术路线

鉴于研究河段在纵、横、垂方向上的剧烈地形变化，采用DHI（丹麦水力研究所）软件进行建模验算，利用DHI开发的MIKE11、MIKE21软件分别建立现状堤防条件下的一、二维洪水演进模型。对比一、二维模型模拟结果，分析模拟结果的可靠性，然后选取合适的模型模拟规划断面的行洪过程，结合规划断面的模拟结果，对不能满足防洪要求的河道断面提出整改措施。研究技术路线图见图1。

2.2 数值模型软件介绍

DHI由MIKE11，MIKE21，MIKE3，MIKE SHE，MIKE BASIN等几个部分组成。研究采用MIKE11软件的一维水动力模块，进行河道洪水演算；利用MIKE21软件进行河道内水流方向数值模拟，并对水位和MIKE11进行耦合。

MIKE 11水动力学模型的微分方程为一维明渠非恒定流方程，即圣维南（Saint-Venant）方程组，具体形式为：

其中：Q流量；A断面面积；x，t分别为距离与时间的坐标；h表示水深；C为谢才系数；R表示水力半径；g表示重力加速度；α为动量校正系数。

图1 研究技术路线图

MIKE 21是二维平面区域内的水力学计算软件，主要用于模拟河流，湖泊，河口，海湾，海岸及海洋的水流，波浪，泥沙及环境等，研究选用MIKE 21的水动力学模块计算泛滥区内的洪水淹没过程，根据计算结果即可进行洪水风险图的绘制以及洪水动态演进过程的模拟。MIKE 21软件的计算原理是求解描述水流运动的二维非恒定流方程组，这个方程组共包括3个方程：水流连续性方程，水流沿x方向的动量方程及水流沿y方向的动量方程，形式如下：

水流连续方程：

水流运动方程：

式中：x，y，t分别为空间，时间坐标；z为水位，m；u，v分别为垂线平均流速在x，y方向的分量，m/s；M，N分别为单宽流量在x，y方向的分量，m2/s；M= hu，N=hv；n为曼宁糙率系数；c谢才系数，vi为紊动粘性系数；为重力加速度。

3 数值模型的建立及验证

3.1 一维洪水演进模型的建立

MIKE 11一维洪水演进主要是利用河道断面，建立河网模型，输入流量资料，制定一定的边界条件进行约束，进行水面线的推求。

在建立模型过程中，边界条件的确定是模型是否与实际相符的重要因素。边界条件分为外部边界条件和内部边界条件。外部边界就是模型中自由端点物质流出此处即意味着流出模型区域，流入也必然是从模型外部流入，这些地方必须给定水文条件（如流量，水位值），否则模型无法计算。内部边界是指从模型内部河段某点或某段河长流入或流出模拟河段的地方，包括降雨径流的入流，工厂排污，灌溉取水。内部边界条件可以根据实际情况设定。是否设定这些内部边界条件通常不会影响模型的运行，但会影响到模拟结果的可靠性。

在非恒定流计算中，边界条件的设定对模型计算的影响往往是至关重要的，设定的边界条件必须要符合水流的物理特性以及控制方程组的定解性质。

3.2 二维洪水演进模型的建立

MIKE 21模块是模拟二维平面区域内的水力学软件，主要应用于模拟河流，湖泊和海洋的水流，波浪，泥沙等。MIKE21模拟结果中可以提取整个模拟时间段模拟区域的动态水深，水面高度和流场等，而且其结果可以很好地和GIS进行结合，进而拓展了其应用范围。

海城河项目段流经海城市城区，近几十年洪水频繁，因此河道堤防的防洪压力较大。另外，该区段河道主槽较窄且有几个较大的转弯，下游左岸有大片滩地，而且东外环桥附近及上游河段存在严重的挖沙情况，改变了河道的洪水流场分布，进而削减了河岸抵抗洪水的冲刷能力及堤防的防洪能力，对二维水工数值模型也提出了更复杂的要求。

结合项目段河道的自然地形和人为因素对其造成的影响，拟利用MIKE 21软件模块模拟该研究区域的防洪能力，并对河道内的典型流场进行分析，以期解决自然地形变化（转弯，滩地等）和人为因素（挖沙等）对河道洪水流场造成的影响，以及通过研究洪水水流对护岸的冲刷情况确定合理的护坡类型。

二维水工数值模型（MIKE 21模型）的搭建步骤：MIKE 21 Flow Model模型在对模拟区域进行模拟之前，需要对模型的基本参数，水动力参数进行设置，基本参数主要包括模块选择，地形文件，模拟时间，边界，源和汇，物质量平衡以及干，湿动边界等。水动力参数主要包括初始表面高度，边界条件，源和汇，涡粘系数，河床糙率，波浪辐射应力和风荷载，最后结果的输出也纳入在水动力参数当中。

3.3 洪水演进模型的验证

一维洪水演进模型采用2002年海城水文站实测水文资料对模型进行检验。由图2可以看出，模拟结果与实测结果吻合较好，两者最大差值为0.41 m，发生在洪水涨水期，在洪峰期，模拟值与实测值基本一致。计算实测～模拟相关系数。达到0.994，证明一维洪水演进模型具有很高的准确性。

图2 模拟水位与实测水位对比

二维洪水演进模型对海城河50年一遇洪水进行了模拟，分析设计洪水条件下，河道的行洪能力及其流场分布。

3.4 结果分析

将50年一遇洪水一维，二维模拟结果对比分析，对比结果见表1。

表1 P=2%频率洪水一二维模拟对比分析m

从分析结果看，一维和二维水面线模拟结果平均误差为0.34，偏差较小。存在偏差的主要原因是由于一、二维所采用资料有所不同，一维采用断面资料对河道进行模拟，而二维采用区域内高程数据进行模拟，且糙率对mike11和mike21模拟结果具有很大的影响，所以存在偏差视为合理。

由于河道存在着一维特性，目前多采用一维数值模型对河道内洪水演进进行数值模拟，并取得了较好的效果。但一维模型难以考虑河道的局部特征，并且不能模拟河道流场变化规律，因此，往往需要二维模型进行对比计算。研究分别采用了一、二维数值模型对海城河城区段河道行洪进行数值模拟分析。模拟结果表明，二者的模拟结果基本一致。

在对河道一、二维洪水数值模拟中，可以看出，一维模型建模简单，可以随时根据河道断面更新数据对模型进行修改，同时模拟时间较短；而二维数值模拟所需资料多，精度高，区域内部数据采用内差填充，其中部分特殊数据（例如桥面高程）会导致该数据周围模拟高程值高于实际值，使模型结果存在误差。因此，在规划堤防防洪能力评价时，采用一维洪水演进模型推求河道行洪水面线。在一维模型使用中，考虑阻水建筑物的影响，可以通过修改局部糙率来实现。

研究MIKE21二维洪水演进计算结果，一方面可以与一维计算结果进行对比，比较模型运算结果的合理性；另一方面，分析河道内流场分布的变化，对于易冲，易溃的堤段，提出堤防整治措施，为河道整治，防洪规划提供科学依据。

3.5 应用

采用2011年实测断面与规划断面相结合，建立一、二维洪水演进模型，并采用2002年海城水文站实测水文资料为校核条件，模拟计算P=2%频率设计洪水水面线。根据计算结果和现状堤防高度相比较，在考虑风浪雍高的情况下，依照50年一遇标准防洪要求，有20个断面出现险情，有左岸漫溢，有右岸漫溢，还有两岸均发生漫堤的堤段。在河道重新规划过程中，针对以上问题采用加高堤防，拓宽，清淤主槽增大河道过流能力等方式达到防洪要求。

［1］堤防工程设计计算手册［M］.北京：中国水利水电出版社，2014.

［2］吴持恭水力学（第三版）［M］.北京：高等教育出版社，2003.

［3］果有娜.MIKE21在圆形桥墩对河道洪水影响数值模拟中的探讨［J］.水利水电工程设计，2012，31（1）：15-18.

［4］陈德敏，何建京，陈鸣.天然河道洪水演进数值模拟及动态可视化研究［J］.人民长江，2012，43（02）：54-57.

［5］田福昌.河道-泛区二维水动力耦合数值模拟及其在洪水风险分析中的应用［D］.天津大学，2014.

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2016-08-24