基于MIKE软件在防洪保护区洪水演进的研究

侯海红 黄渝桂 章 鹏

（中水淮河规划设计研究有限公司 合肥 230000）

基于MIKE软件在防洪保护区洪水演进的研究

侯海红 黄渝桂 章 鹏

（中水淮河规划设计研究有限公司 合肥 230000）

本文通过M IKE软件平台，在新沂河发生标准洪水和超标准洪水情况下，河段险工险段发生溃堤时，构建防洪保护区的洪水演进水动力数值模型。研究河道一维模型、保护区二维模型并采用M IKEFLOO D标准链接模块进行耦合，对防洪保护区洪水演进进行模拟，对成果进行分析，为相关规划和防洪抢险提供一定的参考。

M IKE21软件 洪水风险 水动力 数值模拟

1 概况

新沂河南片防洪保护区位于新沂河（沭阳闸以下至入海口）以南，废黄河（淮安以下段）以北，淮沭河以东，涉及江苏省连云港市灌云县、灌南县，宿迁市沭阳县，淮安市淮阴县、涟水县和盐城市滨海县、响水县，保护区面积约6200km2。

新沂河西起骆马湖嶂山闸，向东流经新沂、宿豫、沭阳、灌云、灌南等5个县（市），至燕尾港灌河口入海，是1949年“导沂整沭”时开挖的排洪入海河道。新沂河全长146km，沿线北岸有总沭河、新开河汇入，南岸有山东河、路北河（27+600）、柴沂截水沟汇入。新沂河已按50年一遇防洪标准治理，嶂山闸至口头、口头至海口段设计流量分别为7500m3/s、7800m3/s。

新沂河发生50年一遇设计洪水和100年一遇标准洪水时，仅选取章顶险工发生溃堤工况进行防洪保护区淹没情况研究。

2 模型构建

2.1 一维模型

新沂河河道一维非恒定流采用MIKE软件中MIKE11模块进行计算。

根据《沂沭泗河东调南下续建工程实施规划报告》的相关资料，河道计算区域从沭阳枢纽处桩号43+000至燕尾港处桩号143+500。新沂河河道分段糙率为：沭阳枢纽至盐河段主泓0.02，滩地0.027；盐河至东友涵洞段主泓为0.0025，滩地0.028；东友涵洞至入海口段主泓0.025，滩地0.033。新沂河该段河道没有支流。

一维模型上边界条件为沭阳水文站处50年、100年一遇设计洪水流量过程，下边界为燕尾港20年一遇设计潮位过程。

在MIKE11计算中一维河道采用基于圣维南方程组的非恒定流方法：

2.2 二维模型

对于模型糙率的选取，依据《水工手册》糙率取值范围，结合区域土地利用图以及近期河道治理工程等对保护区下垫面糙率进行取值。从基础地理数据中分别提取保护区内道路、水系河流、居民地等SHP图层要素，利用ArcGIS软件“相交”工具，分别与保护区网格图层（SHP）“相交”，确定水田、耕地、林地、居民点（城乡、工矿、居民点）、道路、空地、河道等下垫面分布范围，进行保护区内糙率赋值。在MIKE Generator中Mesh Interplote网格糙率插值，并生成糙率文件保护区糙率。

在MIKE21计算中采用二维非恒定流方程组：

（1）连续方程：

2.3 一维、二维耦合模型

防洪保护区二维洪水演进采用MIKE软件中MIKE21模块、MIKE11模块通过MIKEFLOOD的标准连接进行耦合计算。保护区为非闭合边界，在燕尾港、滨海闸处为开边界与黄海相连，受黄海潮位影响。

在一维模型中章顶溃口虚拟河道中间位置加入虚拟水闸，闸底板高程与地面平齐，建立闸门开度与水位的正比例关系。当闸前水位达到50年一遇设计水位时，闸门全开且不再放下，模拟堤防溃堤。

2.4 模型建立

2.4.1 计算范围及网格划分

项目区投影坐标为“CGCS2000_3_Degree_GK_ZONE_ 40”。从已收集的基础地理数据“河流水系、行政区划、道路交通”SHP图层中，分别提取新沂河右堤、淮沭河东堤、废黄河左堤等线图层要素，组合成闭合曲线，构成该项目地理边界。

新沂河南片防洪保护区总面积约6200km2，最大网格面积不超过0.03km2，最大网格边长不超过0.2km，重要地区、地形变化较大部分的计算网格要适当加密，从1∶10000的地形图中提取高程数据，高程范围0～25m，网格总数206587个，网格节点总数104529个。保护区网格划分见图1。

图1 保护区网格划分图

在模型中对保护区内的堤防、高于地面0.5m的道路对洪水演进的影响考虑。在模型中将阻水的堤防与道路进行概化，作为Dike进行设置。根据阻水建筑物的桩号将其位置逐一在地图上标出，并通过断面高程提取其高程值之后，可根据高程点进行线性插值，得到阻水建筑特殊通道的高程值。

2.4.2 特殊边界处理

2.4.2.1 高程处理

在二维模型建立中，高程处理尤为重要，直接影响洪水计算结果。高程不能从DEM中直接读取，DEM数据已经把道路、堤防等高于0.5m的构筑物处理，不能完全反应保护区地形。为了更好地反应现状地形，在1∶10000的地形图中获取高程点、等高线（线转点）结合DEM数据，把铁路、道路、堤防等高于0.5m构筑物上的点删除，然后再进行地形插值。

2.4.2.2 线状工程及地物的阻水处理

在模型中对保护区内的堤防、高于地面0.5m的道路对洪水演进的影响考虑。在模型中将阻水的堤防与道路进行概化，作为Dike进行设置。根据阻水建筑物的桩号将其位置逐一在地图上标出，并通过断面高程提取其高程值之后，可根据高程点进行线性插值，得到阻水建筑特殊通道的高程值。

2.4.2.3 河流处理

对宽度较大河流（灌河、盐河、南六塘河、北六塘河、柴米河等），进行网格加密特殊处理，设置其网格属性为水面型网格，赋值对应的糙率，内部宽度较窄的沟渠因受地形数据影响将作概化处理。

对于河流的地形处理，在河道范围内单独划分网格，命名为河道网格。河道网格只在河道高程点范围内插值，不与地面高程点插值，因此不会造成网格间高程突变，提高计算精度和模型稳定性。

3 研究结果分析

此次选取新沂河50年一遇设计洪水及100年一遇超标准洪水时，章顶险工处发生溃堤，研究保护区洪水演进情况。模型计算时间步长为5s，计算时间为30d。新沂河发生标准洪水情况下（50年一遇）章顶溃口溃堤保护区淹没最大水深分布图、前锋到达时间图分别见图2（a）、图2（b），不同水深下的淹没面积见表1。新沂河发生超标准洪水情况下（100年一遇）章顶溃口溃堤保护区淹没最大水深分布图、前锋到达时间图分别见图2（c）、图2（d），不同水深下的淹没面积见表2。

表1 标准洪水下不同淹没水深下的淹没面积表

表2 不同淹没水深下的淹没面积表

图2 （a） 标准洪水下，前锋到达时间分布图

图2 （b） 标准洪水下，最大水深分布图

图2 （c） 超标准洪水下，前锋到达时间分布图

图2 （d） 超标准洪水下，最大水深分布图

根据最大水深分布图看出，新沂河发生50年、100年一遇洪水时，章顶溃口淹没范围在新沂河右堤以南，灌河以北，柴南河下游地区。淹没区涉及的乡镇有沭阳县城、李恒镇、汤沟镇、孟兴镇、李集乡、沂涛镇、张店镇、北陈楼镇、田楼镇、堆沟港镇等。阻水明显的构筑物有G204、G205、陈沭公路、郑郯公路、京沪高速公路、长深高速公路、沿海高速公路等。洪水主要在新沂河与柴米河、灌河之间的区域演进，受限于新沂河堤防、柴米河堤防、灌河堤防。洪水漫过沂南河进入柴米河流域，从沂南河进入盐河、柴米河、灌河，一部分洪水在柴南河与柴米河交汇处漫过河道，沿柴南河两岸进行演进；另一部分洪水进入盐河，由于盐河右堤（义泽河至新沂河段）堤顶高程约为6m，洪水会漫过堤防，洪水在灌河以北地区演进；一部分洪水从小潮河闸引河进入灌河，受灌河潮位顶托。根据现场调查和保护区西高东低地形，洪水演进符合实际情况。

4 结论

通过MIKE软件构建水动力模型，可以直观展示溃堤过程及洪水在保护区内演进过程。

从溃堤研究结果分析，当新沂河发生50年一遇、100年一遇洪水情况下，保护区呈现不同的淹没情况，超标准洪水淹没面积是标准洪水淹没面积的1.55倍，超过3m以上水深的淹没面积更大，淹没情况更加严重；洪水风险主要集中在新沂河右堤与灌河左堤之间区域、北六塘河与南六塘河之间区域。因此，在防洪抢险时对可能发生溃决的险工险段要特别重视，在制定保护区的相关规划时也应考虑洪水风险的影响。

新沂河堤防目前防洪标准为50年一遇、100年一遇洪水时淹没影响较为严重，对区域经济发展影响较大。因此，建议尽快研究提高沂沭泗河东调南下工程防洪标准，以减轻外河洪水对防洪保护区的威胁