MIKE11在大凌河河道溃堤洪水模拟中的应用

(朝阳市阎王鼻子水库工程建设管理局，辽宁 朝阳 122000)

大凌河流域全长397km，主要流经河北、辽宁和内蒙古等区域，流域面积2.35万km2，年降雨量为450～600mm；流域内地势由南至北逐渐降低，河道交错复杂，降雨量在时空分布上极不均匀，尤其是汛期暴雨频繁，较大洪水发生频率为7～8年一次，一般洪水发生频率为2～3年一次。流域内水系众多，纵横交错，暴雨频发且降雨时间较长，溃堤洪水不仅给河流的防洪排涝造成巨大压力，而且对保护区域构成极大的洪水风险[1]。流域内的万元店河、宋杖子河、白塔子河、牤牛河、凉水河、老虎山河、细河、清河等同样对保护区域构成了极大的内涝风险。流域上下游水位及干支流状况对河道的影响显著，河道内水位流量变化关系复杂，对河道溃堤洪水演算采用传统的水文学法已无法满足相关要求，而利用圣维南方程组可对任意时刻任意河道内的水位、流速和流量等因素进行计算分析[2]。据此，本文通过构建MIKE11模型对大凌河防洪保护区的河道溃堤洪水过程进行模拟分析，对模型模拟结果的合理性和可靠性进行了验证，以期为该区域洪水风险图编制和制定防洪减灾措施提供一定的决策依据和理论支持。

1 MIKE11水力学模型

1.1 基本原理

河道水流为均质流态、不可压缩的基本假定，是构建MIKE11水动力学模型的前提条件，其基本理论是在假定水流处于一维流态且河道纵向断面变化幅度和坡降较低并服从静水压力分布的基础上，利用一维明渠非恒定流微分方程即圣维南方程组进行模拟分析[3]。圣维南方程组如下：

(1)

(2)

上二式中A、Q——断面面积和流量；

q——单位河长上的支流流量；

x、t——距离和时间；

Z、C、R——水位、泄洪系数和水力半径；

α——动量校正系数。

1.2 构建模型

MIKE11水力学模型主要通过河网文件、断面文件、设定边界条件并形成边界文件、利用水文计算结果形成时间序列文件、设定时间步长形成模拟文件，实现一维河道及溃口的概化演算。研究所需的地形地貌结构参数通过对分辨率为50m×50m的数字高程图(DEM)进行处理获得，同时为了更好地对河道建筑物进行数据化处理和动态计算控制，模型利用非结构三角网络进行单元网格划分。河道溃堤过程可采用MIKE11模型的溃堤模块进行模拟分析，并分别对溃堤时机、溃口位置以及尺寸进行设置[4]。模型的上游以河流的流量为边界，且以上游断面在设定年限内的洪水过程为输入参数，下游以利用曼宁公式推算出的水位作为边界，同时考虑各断面的频率峰值，公式如下：

(3)

式中Q、C——分洪流量和堰流系数；

b、k——宽度和堰流指数；

Hus、Hds——堰上游水位和堰下游水位；

Hw——堰顶高程。

结合研究区域河道实际情况，并借鉴文献和有关研究成果，河道左滩地、主河道和右滩地的曼宁系数n分别取0.02，0.036和0.05；引入收缩系数和扩张系数分别表征因河道收缩和扩张所引起的能量损失，结合河道径流以及河岸建筑物特征，设定河道的扩张系数和收缩系数分别为0.2和0.1；边界条件是进行河道模拟计算的必要条件，上游1河段的坡降比为0.0006，河道的临界水深分别为3和4河段的边界条件；以混合流态作为研究区域的河流流态[5]。

根据模型自由端和河段流入、流出特征可将其边界条件划分为内部和外部边界条件，其中内部边界条件主要有灌溉取水、降雨径流输入和工程排污等，应根据河道的实际状况进行设定；外部边界条件是指径流必须从模型外部流入并在模型自由端流出即流出模型区域[6]。引入流量Q作为上游和旁侧入流的边界条件，引入水位流量关系Q-h或水位h作为下游边界条件。结合水位流量与洪水过程关系曲线，选取等时间距作为洪水设计时间序列，并以等时间间隔作为时间轴类型，选取过程线长度作为时间步数类型，并在此基础上生成时间序列文件。

本文中选取模拟开始时刻的实测水位值作为水位初始值，选取趋近于0的流量值作为模型的初始流量。采用水动力学模型并选取非恒定流，利用文件编辑器可将所生成的各类边界文件和HD参数文件进行有效链接，然后经反复调整和修正确定河床地形、时间步长与边界条件之间的相互作用关系，对河道溃堤洪水演变过程进行模拟分析[7]。

2 大凌河朝阳区段防洪保护区模拟研究

2.1 构建MIKE11模型

选取大凌河朝阳段防洪保护区燕阳山南路凌河大桥处河道溃口为研究对象，利用MIKE11模型对其进行溃堤洪水时间序列计算分析。大凌河朝阳段河道计算范围长136.50km，溃口选取历史溃口处，堤顶高程和堤外侧地面高程分别为50.50m和50.00m，瞬溃为溃口的发生类型，其保证水位为45.60m。根据实地勘探数据和朝阳段河道近期规划治理相关数据提取断面相关数据，以400m作为河道平均断面间距，并将弯曲处的间距加密为200～350m。利用1∶10000精度的地形图和上述数据资料建立模型分析的断面和河网文件。选取大凌河朝阳段上游水文站的设计洪水过程作为上游边界条件，结合较大支流边界条件可汇流面积实际状况可将其划分为5个区间入流点，并以下游水文站的水位流量关系作为下游边界条件。利用边界条件可构建大凌河朝阳段时间序列文件和边界条件[8]。

在充分考虑了研究流域的基本特征和当地工程设计报告的基础上，结合有关学者对小流域糙率的取值情况，本研究取主河道的糙率为0.028～0.032，滩地及耕田的糙率为0.043～0.056，植被林地糙率为0.07～0.09，村庄糙率为0.10～1.12，文中所选糙率均满足河道溃口的水力性能要求，将该结果直接输入MIKE11模型中。初始水位和流量值分别为26.5m和0，并以此构建朝阳段河道参数文件[9]。为了提高模型的模拟精度，本文选取5s作为时间步长，最终建立模拟文件。利用MIKE11模型对大凌河朝阳段河道溃口流量过程进行模拟分析(见表1和图1)。

表1 大凌河朝阳段河道溃口出流时间序列 单位：m3/s

续表

图1 大凌河朝阳段溃口流量过程线

2.2 模拟结果

本研究选取2010年的实测洪水过程对模型的河道糙率取值合理性进行验证，并以上游和下游水文站作为MIKE11模型的上、下边界条件，对朝阳水文站的水位过程进行模拟推算，并将模拟结果与实测水位进行对比分析(见表2、图2)。

表2 大凌河朝阳段河道主槽、滩地糙率验证结果

续表

图2 大凌河朝阳水文站验证过程

结合洪水风险编制技术细则和风险图编制准则对模型的模拟精度相关要求，河道洪水沿程洪痕、监测站和洪水计算水位与实测值的绝对误差最大不超过20cm。由表2和图2可知，河道洪水实测值与模拟值保持较高的一致性，在验证的20天洪水过程中仅有个别点的误差相对较大，其他各点的误差均满足相关要求，表明所选取的糙率值满足模型的模拟精度要求[10]。

2.3 参数验证及结果分析

大凌河朝阳段河道溃口洪水流量比较结果见表3。从中可知溃堤洪水占断面总洪量的比例随溃堤频率的增加而增大，此规律与溃堤受大洪水影响较大的实际状况相吻合。

表3 大凌河朝阳段河道溃口洪水流量对比 单位：亿m3

利用MIKE11模拟分析结果对溃口上断面、溃口出流和溃口下断面流量进行提取，并对模拟结果的合理性进行验证，统计结果见表4。从中可知溃口上断面河道总洪量在不考虑渗漏、蒸发等损失的条件下，其值与溃口下断面和溃口流入保护区内的流量之和保持一致，根据水量平衡基本理论，该模型模拟结果较为合理、可靠。

表4 大凌河朝阳段河道溃口水量平衡统计 单位：亿m3

综上所述，结合模型参数验证结果、溃口出流合理性以及水量平衡分析结果，大凌河朝阳段河道溃口洪水模拟结果较为合理，所构建的MIKE11模型能够较好地对溃口洪水过程进行模拟分析，可作为防洪保护区二维洪水演算的边界条件。

3 结 论

本文以辽宁省大凌河朝阳段河道溃口演算为研究对象，利用MIKE11模型进行模拟分析，得出的主要结论如下：河道洪水实测值与模拟值保持较高的一致性，在验证的20天洪水过程中仅有个别点的误差相对较大，其他各点的误差均满足相关要求，本文所选取的糙率值满足模型的模拟精度要求；溃口上断面河道总洪量在不考虑渗漏、蒸发等损失的条件下，其值与溃口下断面和溃口流入保护区内的流量之和保持一致，根据水量平衡基本理论，该模型模拟结果较为合理、可靠。

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