HD模型在围堤行洪影响分析中的应用

冯 艳，薛 梅

（松辽水利委员会水文局（信息中心），吉林 长春130021）

1998年大洪水以后，由于嫩江干流、松花江干流连续多年没有发生洪水，沿岸居民在河道滩地上恢复、修建了许多围堤，嫩江干流白沙滩以下至松花江干流拉林河口以上的河段尤为严重。据2008年12月现场勘察，此段河道内现有围堤286 处，总长度1 092 km，占河道滩地9.73 万hm2，最大侵占河道15 km。这些围堤将影响两岸国堤的防洪能力。通过开展计算工作，分析掌握这些围堤的阻水作用，对于明确该河段的行洪能力，及相关区域的防洪减灾工作具有重要意义。目前二维水动力数学模型在围堤对防洪影响中应用较多，但由于此次计算范围广、围堤多，因此下文应用MIKE11 HD 模型，分析围堤对计算范围内河道各断面的壅水影响。

1 模型简介

MIKE 11 HD 主要用于洪水预报及水库联合调度、河渠灌溉系统的设计调度，以及河口风暴潮的研究，是目前世界上应用最为广泛的商业软件，具有计算稳定、精度高、可靠性强等特点，能方便灵活地进行复杂河网水流、模拟闸门、水泵等各类水工建筑物的运营调度，尤其适合应用于水工建筑物众多、控制调度复杂的情况。

MIKE 11 HD 是基于垂向积分的物质和动量守恒方程，即一维非恒定流Saint-Venant 方程组：

式中：H 为断面水位；Q 为流量；u 为平均流速；g 为重力加速度；B 为不同高程下的过水宽度；qL为旁侧入流流量；R 为水力半径；C 为谢才（Chezy）系数；x，t 是位置和时间坐标。

2 围堤行洪影响分析

2.1 模型建立

模型的计算范围为嫩江江桥站至松干通河站，计算长度为209 km。上游断面为嫩江江桥站，将江桥站的流量作为上游入流；下游断面为松干通河站，边界类型为水位。通过模型灵敏度分析发现，模拟断面的水位和流量不受上、下游边界条件的影响。

2.2 围堤处理

围堤测量资料包括围堤的位置、堤顶高程及围堤分布图。对过水断面进行处理，处理的原则：当水位超过围堤堤顶高程时，堤顶高程以下部分不过水，堤顶高程以上部分过水；多处围堤呈套状、鱼鳞状分布，根据其空间分布，考虑连续围堤的阻水作用，对围堤进行概化处理；围堤影响宽度综合考虑横跨大断面的围堤和没有跨大断面的围堤的作用。

过水断面图形如图1所示。原断面为河道中不存在围堤的断面，加围堤断面是在原断面的基础上落上围堤后形成的断面，围堤所围的部分是不过水的面积。

图1 过水断面示意图

2.3 模型参数率定

2.3.1 无围堤条件下的断面糙率率定

采用《松花江防洪规划》的20年一遇、30年一遇和50年一遇的各段洪峰流量作为输入条件，率定模型的综合糙率，计算结果见表1。

表1 模型糙率成果表

模型计算水面线结果与《松花江防洪规划》水面线成果基本一致（各频率、各断面的水位差值均不超过±10 cm），见图2。从率定的结果看，模型率定的不同频率下的综合糙率均在天然河道糙率取值范围之内，是合理的。

图2 各断面水位模拟误差

2.3.2 加围堤条件下的断面糙率率定

利用无围堤情况下100年、20年一遇洪水的河段平均水深变幅（河段平均的水位差）和河段平均糙率变幅（河段平均糙率的比值）建立线性关系，利用无围堤时的糙率计算出加围堤后河段的平均水位，计算出加围堤后河段平均糙率折减系数，对壅水高度（用无围堤的糙率计算出的壅水高度）大于0.50 m 河段的糙率统一乘以河段平均糙率折减系数，得出加围堤后的糙率值。

计算中将围堤视为刚体进行处理，但在现实中，当洪水发生时，围堤一定会受到洪水的毁坏。基于此，要考虑洪水对围堤的影响，在过水断面处理时，应将围堤的顶高程降0.50 m（即洪水对围堤的平均影响高度），其他处理原则不变。用重新处理的过水断面，进行围堤行洪影响计算。

经试算，加围堤后20年、30年、50年一遇洪水的各河段糙率值见表2。

表2 加围堤后模型糙率成果表

加围堤后的糙率比无围堤时的糙率小，且在《松花江防洪规划》中糙率取值范围内，说明糙率是合理的。

2.4 模拟结果

计算加围堤断面的20年、30年、50年一遇洪水各断面的壅水高度，计算结果见表3，4。

与1998年实测洪水水面线对比，在《松花江防洪规划》中推算了1998年洪水水面线，其中嫩江江桥至大赉段河道内民堤较多，在嫩82 断面处的水面线比规划水面线高64 cm。由于现状围堤多于1998年，此次计算结果在嫩82 断面处壅高86 cm 是合理的。

另外，此次计算范围内的嫩江干流25 个断面中有11个断面的过水面积被围堤侵占50%以上，最严重的断面被侵占68%。在嫩江约30 km 长河道内围堤已经连成线，其影响必将严重于单一孤立和不连续的围堤壅水情况。因此，部分断面壅水高度达0.95 m 是合理的。

表3 围堤影响分析表

表4 不同频率洪水壅水统计表

3 结论与建议

3.1 结 论

1）模型参数在天然河道糙率取值范围之内，模型可用于围堤行洪影响分析。

2）嫩江段壅水比松干段严重，嫩79～94 断面壅水高度最大。对于20年、30年、50年一遇洪水，嫩江段平均壅水高度较松干段高0.36 m 左右。

3）围堤降低了堤防的防洪能力。以大赉江段为例，大赉站右岸吉林省堤防防洪标准为50年一遇，建围堤后，右岸堤防保证流量由14 300 m3/s 降到10 200 m3/s（20年一遇）；左岸黑龙江省堤防的防洪标准为30年一遇，建围堤后，左岸堤防的保证流量由12 200 m3/s 降到8 670 m3/s（10年一遇）。

3.2 建 议

1）在围堤概化时，需考虑其形状、位置及空间位置关系，综合反映到大断面形状。

2）河道冲淤以及围堤建设情况变化大，根据最新的测量数据，应用二维模型进一步分析围堤阻水情况。

［1］ 松花江防洪规划报告［R］.

［2］ 吴天蛟，杨汉波，李哲，吕华芳，杨大文.基于MIKE11 的三峡库区洪水演进模拟［J］.水力发电学报，2014（02）.

［3］ 孙映宏，姬战生，周蔚.基于MIKE11 HD 和NAM 耦合模型在河流施工围堰对防洪安全影响分析中的应用与研究［J］.浙江水利科技，2009（02）.