基于MIKE FLOOD的杜家台分蓄洪区运用调度研究

孟长青　周建中　徐少军　江焱生　孙怀卫

摘要：运用MIKE平台建立杜家台蓄洪区行洪道MIKEll一维河道模型，模拟并分析了红星垸堤刨毁前后的分洪道行洪能力。同时搭建MIKE21分洪区二维模型，并利用MIKE FLOOD动态耦合一、二维模块，以此为平台研究杜家台分蓄洪区分蓄汉江夏、秋洪水与长江洪水时的调度工况。结果表明：红星垸堤刨毁后分洪道宽度增加，显著降低了该处分洪道上游的洪水水位，提高了分洪道分洪能力；汉江低量级来水情况下，杜家台只需运用南区1～4垸分洪，而高量级来水下杜家台需运用1～7垸分洪；长江分洪时，处于下游的第6垸分洪能力显著，最终可解除第7、9垸的风险，只需运用1～6垸。现有防洪工程中第5、6垸分洪速度较慢且分洪量小，而处于最上游的第2垸分洪量大且分洪较快，导致与其相临的1～4垸洪水超高，危及7、9垸，故7、9垸堤顶亟待加高，同时5、6垸分洪能力需要增强。

关键词：MIKE21；MIKEll；MIKE FLOOD；分洪运用；行洪能力；杜家台分蓄洪区

1概述

分蓄洪区是我国江河防洪体系中重要的组成部分，在防汛紧急关头能够发挥削减洪峰、蓄滞超额洪水的重要作用，是防洪调度的重要手段和有效措施。湖北省杜家台分蓄洪区是汉江下游和长江中游防洪体系的一部分，1956年4月杜家台分洪闸建成运用，至1970年黄陵矶闸建成后，形成了由杜家台分洪闸、洪道、蓄洪区（泛区）、黄陵矶泄洪闸等四部分组成的杜家台分蓄洪区，见图1。杜家台分蓄洪区上接汉江（起点位于杜家台分洪闸，汉江干堤右岸中心桩号126+200处），下连长江（终点在黄陵矶闸，距长江主河道约5 km），处于通顺河水系的下游。独特的地理位置使其具备分蓄汉江和长江洪水的双重功能，同时也具备汉江洪水经洪道直接行洪入长江的条件。当汉江分洪而长江水位较低时，汉江洪水可经洪道行洪入长江；当汉江分洪流量有限而长江中水过峰时，可将分入的汉江洪水暂时滞蓄于分洪区内，待长江洪峰过后再泄入长江；当长江发生特大洪水时，分蓄洪区还可容纳16亿m3长江超额洪水。

对于杜家台分蓄洪区水动力数学模型的研究已有一些成果，如翁朝晖等建立了一维非恒定流洪水演进水动力数学模型，对杜家台分洪道的行洪能力进行研究，表明利用分洪道分流行洪“夹水出江”的运用模式是可行的：曹志芳等建立了河网区非恒定水沙数学模型，采用汊点分组方法求解水流方程组，并把所建模型应用于汉江杜家台分蓄洪区的水沙运动模拟：覃莲超等建立了一维河网数学模型，模拟杜家台分蓄洪区洪道、汉江干流仙桃到河口以及长江干流螺山到汉口河段的洪水演进情况；郑敬伟等利用二维水动力学方法进行洪水淹没计算，结合杜家台分蓄洪区土地利用状况，进行了灾情分析和损失评估，根据淹没水深与到达时问计算结果，叠加必要的基础信息和辅助信息，制成了完整的洪水风险图。前人对杜家台分蓄洪区数学模型的研究主要针对分蓄汉江来水的行洪、分洪建模，而杜家台兼有分蓄汉江和长江洪水的双重功能，对于分蓄长江洪水的研究却少有涉及，随着杜家台分蓄洪区续建配套工程的完善，依据规划设计标准，外包线围堤按防御周帮分洪最高水位28.15 m设计（前期按防御周帮分洪最高水位26.65 m作为控制运用的条件），杜家台分别分蓄汉江和长江洪水时能否顺利实施调度方案，两种方案的差异与可能面临的问题都需进一步研究。此外，受计算机技术限制，前人所建模型比较简单。而丹麦水力学研究所开发的MIKESHE软件具有简单、快速、精确、可视性好等优点，在国内外大型工程中得到广泛应用。综合以上因素，笔者运用MIKE平台分别建立MIKE11行洪道一维河道模型和MIKE21分洪区二维模型，并利用MIKEFLOOD动态耦合一、二维模块，以此为平台研究杜家台分蓄汉江洪水与长江洪水时的不同分洪工况，并对杜家台分蓄洪区的分洪效果进行研究，以期更好地为运用预案和防洪工程建设提供技术支撑。

2杜家台分蓄洪区一、二维耦合模型的建立

2.1研究范围

杜家台分蓄洪区的研究范围：西面以洪道右堤和西围堤为界，南面以东荆河堤和长江干堤为界，东面以新合堤为界，北面以北围堤为界，包括洪道以南的13個围垸、洪道以北的14个围垸（红星垸与三羊垸已刨毁）。

杜家台洪道的研究范围：以汉江鄢湾弯道处的杜家台分洪闸为起点，以通顺河出口段黄陵矶闸为终点。

2.2杜家台洪道一维河网搭建

杜家台洪道断面设置：杜家台洪道从杜家台闸至黄陵矶闸，全长73.85 km。洪道内共设置86个断面，断面间距变化范围为0.6-3.0 km，断面数据采用2011年实测资料，缺少部分由1998年资料补充。同时靠近黄陵矶闸的沿河垸、周家墩垸、赵家垴垸、香城垸、鸳龙山垸、荒五里垸、黄石畈垸在分洪时即扒开，故全部归入一维河道处理，不单独考虑成垸。

2.3杜家台分蓄洪区二维区域建模

对杜家台分蓄洪区进行网格剖分，模型形成网格67 483个，其中最小网格面积1 614.86 m2，最大网格面积12 898.41 m2，计算总面积497.344 km2。区域内计算单元围垸边界（不含二维边界部分）采用堰（weirs）模拟：计算单元围垸内部围垸边界采用加高网格地形的方式模拟；阻水道路为汉洪高速，其土基段采用修改局部网格地形的方式模拟，桥梁段若有桥墩，则采用桥墩进行模拟，其他部分不作处理。一、二维耦合边界为实际爆破口门，模拟方法为虚拟河道加闸门控制开启，更多MIKE操作细节可参考文献。

2.4计算方案

2.4.1分蓄汉江洪水时的两种工况

（1）秋季汉江发生1983年型200 a一遇洪水，杜家台分洪闸一次性全开，最大分洪流量为5 300 m3/s，当分洪量达到丹江口水库加高后杜家台200 a一遇设计分洪量时，关闭杜家台分洪闸；长江黄陵矶闸开启，闸外水位采用汉口水位23.15 m对应的黄陵矶水位23.41 m。

（2）夏季洪水、受长江干流顶托影响情况，汉江发生1935年型200 a一遇洪水，杜家台分洪闸一次性全开，最大分洪流量为5 300 m3/s，当分洪量达到丹江口水库加高后杜家台200 a一遇设计分洪量时，关闭杜家台分洪闸，长江黄陵矶闸关闭。

2.4.2分蓄长江洪水时的一种工况

杜家台分洪闸关闭，黄陵矶闸开启，长江发生放大1998年实测洪水至螺山站最大流量70 000 ma/s的洪水。

由于历史上长江、汉江洪水遭遇概率较小、时间较短，更未出现过同频率洪水遭遇的恶劣情况，因此计算方案不再考虑两江洪水遭遇的情况。

2.5调度规则

《杜家台分蓄洪区运用预案》（2014版）指出：分蓄洪区内各控制运用围垸破口蓄洪原则为先洪道以南，再洪道以北，后通顺河以南。围垸逐个或同时扒口，不足时再运用洪北垸、银莲湖垸、上东城垸，遇特大洪水时，最后运用保丰垸和下东城垸。杜家台二维分蓄洪区共27垸，有8垸分洪前扒开，与洪道同时分洪，模型计算时各垸依据地形与堤顶高程情况将二维计算范围内的19个围垸分为九大垸（围垸1～9），每个大垸设置一个爆破口门，分洪时依次爆破。

根据《杜家台分蓄洪区运用预案》（2014版），各垸爆破顺序见表1。

2.5.1汉江洪水爆破口门分洪条件

《杜家台分蓄洪区运用预案》（2014版）指出：当利用洪道调蓄和黄陵矶闸泄洪仍不能控制周帮水位上涨，预计周帮水位将超过控制水位28.15 m时，依照1～9大垸顺序依次爆破围垸。

2.5.2长江洪水爆破口门分洪条件

由于《杜家台分蓄洪区运用预案》（2014版）未分别对汉江与长江来水进行调度的具体方案，笔者首先依据周帮控制蓄洪水位28.15 m控制1-9垸依次爆破围垸。而试算结果表明，该方案洪道下游段将出现30 m的超高水位，行洪道洪水将漫堤直接淹没8、9垸。为此，采用了更为合理的调度方案进行长江分洪调度，即监测各垸爆破口门前水位。当水位达到垸堤顶高程以下1.5 m时，爆破垸口门进行分洪。

2.6糙率率定

本研究河网模型采用2005年汉江、杜家台行洪道各水文（位）站的实测水位、流量资料进行率定；采用2011年汉江、杜家台行洪道各水文（位）站的实测水位、流量资料进行验证，糙率取值见表2。本次计算根据水力学手册的糙率经验值选取杜家台分洪区不同土地利用类型的糙率值。若某网格内含有多种地形，则按照各地形糙率的加权平均值确定该网格的糙率。

3计算结果分析

3.1红星垸堤创毁前后行洪道行洪能力测试

行洪道原红星垸堤段断面狭窄、严重阻水，已于2011年刨毁。笔者首先模拟1 500 m3/s恒定流量人流情况红星垸堤扒开前后行洪道过水能力（未扒开称为窄断面，扒开称为宽断面），黄陵矶闸下边界为汉口水位25.00 m对应的黄陵矶闸外江水位23.41 m。如图2所示，从零时刻起算，初始时刻分洪道前段水位有波动，6 h 3 min宽断面洪道水流推进至洪道末端，而窄断面在5 h 56 min水流推进至洪道末端，6 h前两方案水位过程接近。12 h时洪水继续向下游演进，此时里程2 000-3 000 m处，窄断面水位比宽断面水位最大高出1 m，而其前后两端水位接近。至24 h行洪道水位继续上升，里程0至27 788 m处水位差从小到大递增。48-144 h行洪道水位变化不大，这是因洪道内水流过程趋于稳定所致。此外，24 h 4 min窄断面洪道里程73 803 m处水位到达23.41 m。而24 h48 min宽断面洪道里程73 803 m处水位到达23.41 m，两方案在对应时刻打开黄陵矶闸排水入江。红星垸刨毁后断面下游水位上升较窄断面时慢，故黄陵矶开闸较晚，但其过闸流量过程线线型与窄断面时相近。

为反映不同量级来水情况下的宽、窄断面行洪能力，笔者模拟了流量3 000 m3/s与4 500 m3/s时的行洪情况，结果显示大流量下行洪道水位分布同1500m3/s流量下类似，最终水位稳定后里程27 788 m处以上宽、窄断面行洪道内水位差从大到小递减。此外，洪水量级越大，水位差越大，而27 788 m处以下水位相差较小。在下游水位到达23.41 m的时间上，随着洪水量级增大，宽断面比窄断面依次慢44、33、30 min（篇幅所限，不再展示3 000 m3/s与4 500 m3/s流量行洪过程）。

3.2汉江来水方案测试

3.2.1秋季1983年型200 a一遇洪水

秋季1983年型200 a一遇洪水方案下各垸分洪過程见图3。从零时刻算起，12 h时围垸1闸前水位高于闸后水位，故爆破该围垸闸门，人流量稳步上升。28 h 14 min周帮水位达到控制水位28.15 m，此时爆破围垸2闸门，因围垸2口门在行洪道上游，分洪能力显著，故周帮水位迅速下降，此时围垸1流量有所下降。45 h 24 min黄陵矶闸前水位到达23.41 m，打开黄陵矶闸排水入江，其流量过程见图3（流量为正即围垸入流，为负即出流）。48 h时，围垸2装满水且水漫堤进入围垸4，围垸1装满漫入围垸4。72 h时，围垸1、2继续分洪，围垸1水漫堤进入围垸3，此时围垸1-4皆被洪水淹没。各垸分洪水深过程见图4～图7。分洪前初始水深见图4，围垸5、7有明显的积水，围垸4、6有少量的积水。分洪后20 h，围垸1入口（张沉湖）最大水深已超过0.95 m（见图5），蓄水能力显著。分洪后28 h 20 min，围垸2入口处洪水向南边低洼处积聚，而围垸1水深已超过2.4 m（见图6）。此后，围垸2迅速蓄满漫过垸堤淹没围垸4，且向围垸1、3演进。78 h时分洪结束，各围垸最终淹没水深见图7。

3.2.2夏季1935年型200 a一遇洪水

各围垸分洪过程见图8。从零时刻算起，6 h30 min围垸1闸前水位高于闸后水位，故爆破该围垸1闸门，人流量稳步上升；31 h 1 min，周帮水位达到控制水位28.15 m，此时爆破围垸2闸门，由于围垸2口门在行洪道上游，分洪能力显著，因此周帮水位迅速下降。79 h 38 min，围垸1-4水位全境达到27.00 m，而与围垸3相邻的围垸7、9有被漫堤的危险，故此时打开围垸5、6的闸门分洪。围垸5、6打开后，围垸1出现倒流后又入流的周期性过程。围垸2人流仍为正，导致1-4垸水位继续升高，81 h其全境水位到达27.60 m，有漫过垸堤进入7、9垸的危险，为保护围垸9的安全，此时扒开围垸7分洪。围垸7分洪能力显著，最终使得南片围垸水位降低，解除了围垸9被淹没的危险。138 h分洪结束，各围垸最终淹没水深见图9。

3.3长江来水方案测试

各围垸分洪过程见图10。从零时刻算起，1 h时围垸1闸前水位高于闸后水位，故爆破该围垸1闸门，人流量稳步上升；41 h时，围垸1水流漫堤将围垸3、4全部淹没并漫入围垸2。50 h 2 min围垸5闸前水位达到堤顶以下1.5 m，此时爆破围垸5闸门。58 h围垸6闸前水位达到堤顶以下1.5 m，此时爆破围垸6闸门。由图10看出，围垸5远离黄陵矶闸入口，人流量较小，而围垸6开始时人流迅猛且影响行洪道水位变化，水位变化又影响其流量过程。而在围垸5、6开启后，围垸1流量出现入水退水的多次反复。110 h 30min分洪结束，各围垸最终淹没水深见图11。

3.4对比分析

（1）红星垸堤狭窄段使得洪道里程27 788 m以上水位壅高，而对27 788 m以下段水位影响不大，并且洪量越大，水位壅高越显著，洪水漫堤入垸的危险性越高。而窄断面情况下，下游水位升高较宽断面时更快，可提前打开黄陵矶闸排水入江，但其时间不超过1 h。总体来说，相同来水下红星垸堤刨毁后宽断面洪道水位上升较慢，洪道可以蓄滞更多的洪水，可减少各围垸受灾损失。

（2）区域内蓄水量满足水量平衡是检验计算结果准确性的基本保证，为此需要对区域内水量是否平衡进行检验。针对3套模拟方案，表3列出了每套方案的洪水方案实际入洪量、黄陵矶闸排水量（针对汉江来水方案）、行洪道蓄水量以及分洪区蓄水量，并列出了模拟蓄水值的相对误差。由表3可知，模拟值与实际入洪量接近，计算可知模拟值相对误差均在±1%以内，满足水量平衡要求。汉江洪水方案与长江洪水方案的洪水计算结果能够为洪水风险分析提供参考（1983年200 a一遇洪水方案简称83_200，1935年200 a一遇洪水方案简称35_200，长江来水70 000 m3/s方案简称长江7万）。

（3）汉江秋季洪水来水较夏季小，且黄陵矶闸外水位低，洪水可通过黄陵矶闸排水入江，减轻杜家台分蓄洪区分洪压力，减少受灾损失。夏季低量级来水情况下，杜家台分蓄洪区只需运用南区1-4垸分洪，而夏季高量级来水下杜家台分蓄洪区需运用1-7垸分洪，夏季方案分洪时5、6垸虽未装满，但2垸入水较大，导致1-4垸水位上升较快，3垸洪水将要漫堤淹没与其相接的7、9垸，故爆破7垸以保护第9垸。而长江分洪时，洪水总量大于35_200方案的，而第6垸处于下游，分洪能力显著，最终可解除7、9垸的风险，只需运用1-6垸。同时，35_200淹没范围明显大于83-200淹没范围，因而相应的蓄洪量、最高水位也较大。长江7万虽比35_200少运用一个垸，但其最大水深皆比35_200的高。不同方案下各垸最大水深、淹没面积、蓄洪量见表4。

4结语

（1）本研究搭建了MIKE11杜家台分蓄洪区行洪道一维河道模型，并计算分析了红星垸堤刨毁后对行洪道行洪能力的影响，结果显示：红星垸堤刨毁后对应断面以上段的洪水水位显著降低，保护了该段相接处各垸的安全。

（2）搭建了MIKE21杜家臺分蓄洪区二维模型，并利用MIKE FLOOD动态耦合一、二维模块，分析了汉江夏季与秋季来水以及长江来水方案下的不同分洪工况。通过模型计算，模拟洪水演进过程，利用可控建筑物监测并动态控制各垸的爆破过程，为滞洪区的防洪及减灾提供了决策依据。

（3）统计并分析了不同洪水方案下各垸的受灾情况，结果显示：现有分洪区基础设施下，分洪夏季200 a一遇洪水时，5、6垸分洪较慢且能力较弱，而处于最上游的2垸分洪能力较强，导致与其相临的1-4垸洪水危及7、9垸，故7、9垸堤顶亟待加高，同时5、6垸分洪能力需要加强（可加大爆破口门的宽度）。