基于MIKE FLOOD的青龙河下游漫滩模拟研究

0 前 言

洪涝灾害是人类社会发展中比较重要的自然灾害，往往分布在人口比较稠密、河流相对集中、降雨充足的地区。我国是世界范围内洪水灾害频发、影响范围更广泛的国家，地形相对繁杂，季风气候明显［1］。

研究基于青龙莲花河河道水利规划设计要素，建立适用于该区域的工程改造后的水动力学数值模型，在青龙河干渠防洪能力分析中，当遇到频率P =2%的大洪水时，青龙河干渠右岸桩号为34 070 ～39 500 m处出现较长时间的漫堤状况。

洪水漫堤会影响到周边的低洼地区。不同的洪水的淹没深度及流速也会对淹没地区造成不同程度的破坏。借助数值模拟的技术分析该工程实施后各种极端的水文条件下河道的排洪情况，分析对于青龙河河道改造工程是否合理，为日后工程的运行管理提供技术基础。

1 区域概况

青龙莲花河流域位于三江平原的东北部，东濒鸭绿河，南部的河流有七星河，北部汇入黑龙江，流域总面积为2 825 km2。青龙河水系地势平整，流域内的地形比较复杂，长年累月的排水不顺畅，让这个地区形成了很多的沼泽还有洼地。

莲花河的发源地在一片沼泽地中，这片沼泽地位于富阳市北部，河流由西南方向流向东北方向，河流经过八屯闸在街津口最后汇入黑龙江，全长有121 km，河流的流域总面积为1 842 km2，在河的下游河床不明显，河滩很宽，前卫乡以下有明显的河流通道，一般在60 ～70 m宽，0.5 ～2.0 m水深之间，平槽泄水量10 ～20 m3/s。

青龙河发源于张洋山下彭家林子里的沼泽地区，由东南向西北，在青龙山西侧汇入莲花河，全长61.6 km，流域面积983 km2。青龙河河流是一条顺直的河流，河流多处于沼泽地中，只有到了下游十几公里处能看出明显的河槽，河道在15 ～20 m宽，水深在1 m左右。

2 青龙河下游二维水动力模型的建立

2.1 MIKE21 模型

自从20 世纪90 代以来，在全球范围内的许多专家成功模拟了很多成熟的平面二维水动力学模型，一个更广泛的业务模型MIKE21 由丹麦水力研究开发，这种模型能够模拟不同环境条件下的水流情况，包括内陆河流，静水湖、或者大洋以及海岸河岸等不同水系环境。

MIKE21 模型能够模拟不同环境条件下的水流情况，包括内陆河流，静水湖或者大洋以及海岸河岸等不同水系环境［2］。

2.2 MIKE FLOOD 模块简介

MIKE FLOOD 是麦克系列软件模块，它能动态耦合的一维，二维水动力仿真。这种新方法结合了目前世界上广泛应用的洪水模型软件11 以及21 中的元素，并且专门为了进行各种不同情况下洪水模拟改进了相应的功能。

这样的组合保证了很高的灵活性，用户可以放大分析使用二维模型区域的一部分，而在其他区域与一维模型进行仿真。MIKE FLOOD 提供了有效的河流和洪泛区之间的动态连接，海洋和内陆水道、内陆湖湾连接［3］。

2.3 MIKE FLOOD 模型搭建概况

在对于青龙河干渠防洪能力分析中，当遇到频率P = 1%、P =2%的大洪水时，青龙河干渠右岸桩号为34 070 ～39 500 m处出现较长时间的漫堤状况。洪水漫堤会影响到周边的低洼地区。不同的洪水的淹没深度及流速也会对淹没地区造成不同程度的破坏。

本文将选取青龙河干渠右岸桩号为34 070 ～39 500 m处洪水漫堤影响到区域作为研究对象。研究将采用一维二维动态耦合的模型MIKE FLOOD 进行模拟。一维、二维模型的连接方式采取侧向连接的方式，也就是说一维及二维模型连接是建立在一维水动力模型的一个分支与二维水动力模型的一些网格单元 或者是FM 模块的单元接口。

当选择侧向连接方式时，MIKE FLOOD 模型认为水流是从沿垂直于河流流动的方向流出一维模型的模拟区域，通过一个堰流公式计算出流入到二维模型的水量。该堰的几何参数由一维河流断面岸堤几何设置及同一地点的二维地形的最高点确定的［4］。MIKE FLOOD 中提供多种堰流公式模拟不同的一个漫堤状况。其中，本次模拟中应用到的堰流计算公式为:

式中:W 为堰宽;C 为堰的因子系数;K 为指数系数;h1为堰上游高于堰顶的水深;h2为堰下游高于堰顶的水深。

MIKE11 与MIKE21 连接时采用右岸连接方式，本次研究的模型的具体地理位置连接参数请见表1。

建立MIKE FLOOD 模型首先要确立模型的布局。譬如对于漫堤这样模拟情况，需确立一维模型需要研究的漫堤起始桩号及结束桩号。然后建立该河段发生漫堤情况下洪水会影响的的低洼区域的地形文件［5］。在此地形文件的基础上搭建相应的二维模型。使用MIKE FLOOD 平台将一维、二维模型动态耦合起来，建立洪水演进耦合模型，计算洪水演进的模型。

2.4 模型地形文件的搭建

二维模型搭建地形文件过程中需要生成网格文件，由于洪水漫堤影响涉及到区域是一维模型右岸区域，所以在处理地形数据时现将一维河网转化为图片格式的文件，将此文件导入到二维地形边界描绘中作为底图，在此基础上选出相应的二维地形边界，生成地形边界后导入地形数据［6］。

由于接近一维河网的地区，受到漫堤影响的程度大，在模拟过程中可能更加受到关注，因此在生成网格时将这些区域的网格进行局部加密。对于这些区域，网格生成过程中给予最大网格控制5 000 m2，最小角度控制为26°。二维地形搭建过程中将整个洪水可能影响到的区域边界设置为陆地边界。

在MIKE FLOOD 模拟中将会自动将一维模型的漫堤水量赋予到二维模型的耦合位置作为新的流量边界。所以该处不用另外添加流量或者水位边界。

网格生成效果如图1 所示。

表1 MIKE 21 与MIKE 11 连接处地理信息汇总

其中生成的二维地形区域与一维研究区域存在地理位置上的对应关系，体现在模型中为二维网格坐标与一维河网模型桩号之间的关系，直观地反映可以见图2。二维地形的搭建效果可见图3。

在搭建二维模型的时候，模型的研究区域为青龙河右岸较低洼的地区。研究地区的左下角坐标(E，132°47＇28.707"N，47°33＇5.45")右上角坐标(E，132°54＇21.891"N，47°38＇51.467")，范围包括青龙河干渠右岸桩号为34 070 ～39 500 m处洪水漫堤影响到区域。

将地形数据数字化后转化为模型可以识别的模型地形网格文件，使用三维视角展示该区域地形数字化后的效果。

2.5 模型边界设置

由于本次模拟采用一维模型与二维模型动态耦合的方式，所以二维模型的边界都为闭边界。在MIKE FLOOD 模拟中将一维模型水位高于岸堤时的漫堤流量结果动态赋予到二维模型作为新的边界条件。也就是说当遇到频率P = 1%、P = 2% 的大洪水时，青龙河干渠右岸桩号为34 070 ～39 500 m处出现高于岸堤的水位时，MIKE FlOOD 模块将一部分水量从一维模型中流入二维模型与一维模型连接的边界中，成为同时间段的二维模型的动态流量边界。

图1 青龙河干渠研究区域二维网格生成效果图

2.6 模型参数设置

2.6.1 糙率设置

糙率设置主要参考相关的经验来设置，本次漫堤研究糙率选取n =0.025，在进行二维水动力模拟时要根据青龙河实测原始的数据资料在不同的地方设置相应的糙率值，赋予模型具有空间特性的糙率参数。

2.6.2 涡黏系数

使用Smagorinsky formula 确定涡黏系数计算公式为:

式中:u 为x 方向的垂线平均流速;v 为y 方向的垂线平均流速;Cs 为常数参数，取值范围都在0.25 ～1，MIKE21 水动力模块中一般取值0.5 ＜E ＜1。

2.6.3 干湿水深

为了使该模型在计算中不间断的得到最终结果记忆准确数据，来为了判别所要计算地域洪水来时的淹没程度，模型需要用“dry”与“wet”来决定，如果所要计算的河流水深＜1 cm的时候需要把“unit”改成“dry unit”，不考虑到模型计算里面;如果所要计算的河流水深＞5 cm的时候需要把“unit”改成“wet unit”，重新加入计算。

3 计算结果分析

取青龙河干渠右岸34 070 ～39500 m桩号处漫堤流量作为二维模型的东边边界入流量，该流量边界是MIKE FLOOD 模型自动计算，当一维模型耦合地带水位高于岸堤高程时，使用堰流公式，计算出每个时间步长从一维模型流入二维模型的水量，作为二维模型的动态边界，模型计算时间步长设为60s，计算时间为60 h。如图4 所示。

从图4 中可以看出当P=1%时右堤防漫堤时的不同时间段淹没范围，靠近河网比较低洼的地区首先出现淹没现象，模型运行48 h后该范围的平均水深为0.53 m，模型运行60 h后该范围的平均水深为0.59 m。同时模型可以输出该模拟时刻的平均流速及流向图。

从图5 中可以看出当P =2%时，模型运行60 h后该范围的平均水深为0.49 m。同时模型可以输出该模拟时刻的平均流速及流向图。

图6、图7 分别是二维模型运行60 h后两种频率下网格点(341685，5278500)附近的流速分布图，其中箭头所指方向为流向。

图2 青龙河干渠研究区域一维河网及二维地形概化图

图3 青龙河干渠研究区域二维地形概化图

模型运行48 h后，当P =1%整个时淹没范围的平均流速为0.04m/s，模型运行60 h后整个淹没范围的平均流速为0.02 m/s;当P =2%时整个淹没范围的平均流速为0.07 m/s，模型运行60 小时后整个淹没范围的平均流速为0.03 m/s。

调整二维模型的模拟时间为583 h，输出网格点(341600，5275988)点水深长时间尺度的变化序列，见下图8、图10。同时输出改点的流速点水深长时间尺度的变化序列，见下图9、图11。

图4 P =1%二维模型运行60 h等深线图

图5 P =2%二维模型运行60 h 等深线图

图6 P =1%二维模型运行60 h 流场

图7 P =2%二维模型运行60 h 流场

图8 P =1%时网格点(341600，5275988)水深时间序列

图9 P =1%时网格点(341600，5275988)水深时间序列

图10 P=2%时网格点(341600，5275988)水深时间序列

图11 P =2%时网格点(341600，5275988)流速时间序列

4 结 语

当青龙河干渠右岸在P = 1%、P = 2% 洪水的情况下34 070 ～39 500 m桩号处将发生不同程度的漫堤，建议在此区域加固加高堤防。在相同的模型运行时间下，二维模型研究区域呈现不同程度的淹没情况，其中P =1%洪水的工况下两个时间段的模拟结果比P =2%洪水洪水的工况下的淹没情况严重。平均深度的比较也呈现前者大于后者。

对于模型结果数据统计分析发现，淹没范围网格点在P =2%洪水的工况下水流的平均流速比P=1%洪水的工况时要大。另外，在二维模型中可以对各种结果进行后处理，方便了对洪水淹没地区的减灾防灾分析。

从结果分析看，使用二维模型对整个漫堤过程进行模拟可以得到较直观的展示效果，结果的后处理也对淹没程度的量化提供简便的处理方式。该二维模拟的结果进一步引证一维模型的结论，该河段在遇到100 a一遇洪水及50 a一遇洪水时将发生洪水漫堤，建议在莲花青龙河34 070 ～39 500 m的桩号处之间加高加固右岸堤防。

［1］朱汝雄.MIKE FLOOD 在某码头工程防洪评价中的应用［J］. 广东水利水电，2010(07):26 －28.

［2］武智宏. 青龙河河口段设计洪峰流量分析［J］. 水科学与工程技术，2009(06):14 －16.

［3］高金燕，刘志高. 青龙河流域的水文特性［J］. 河北水利水电技术，2004(01):27 －28.

［4］谢勇，袁鹏，王巧霞. 平面二维数学模型在桥梁工程防洪评价中的应用［J］. 水电能源科学，2011，29(04):60 －62.

［5］吴腾，朱瑞虎. 漫滩水流动量修正系数特性分析与模拟［J］. 水道港口，2011，32(01):54 －59.

［6］陈海坤，农情革，熊先淘，李冰冻. 平面二维数学模型在山区河道水电站工程中的应用［J］. 中国水运，2010，10(10):188 －189.