MIKE模型在月亮泡蓄滞洪区洪水演进中的应用

丁 曼，李 航，于得万

(吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021)

月亮泡蓄滞洪区位于嫩江一级支流洮儿河入嫩江河口处，由原月亮泡片、新荒泡片、六号坝片、四号坝以西片4部分组成，总面积802.62km2，设计洪水位134.57m，最大蓄洪库容为24.58×108m3。涉及白城市的大安市、镇赉县8个乡、镇和国家级自然保护区莫莫格湿地。

月亮泡蓄滞洪区堤防工程由原月亮泡水库库区的1、2、3号坝、镇赉段围堤、大安嫩江段堤防，以及5号坝、6号坝和新荒泡分隔堤共同组成。在2号副坝桩号3+313处建有一座双向8孔泄洪闸，原名为哈尔金闸现改名为汉书闸，堰顶高程127m，堰宽64m，全开设计过闸流量为2200m3/s，汉书闸既拦蓄洮儿河洪水进库，又分蓄嫩江洪水。在月亮泡水库库尾洮儿河干流上设有察尔森站、镇西站、洮南站、黑帝庙站等水文站，在嫩江干流上设有江桥站、大赉站等水文站。

月亮泡蓄滞洪区启用的基本条件是：松花江下游哈尔滨站预报发生洪峰流量超过17900m3/s时，并且洪水水位继续上涨时先启用胖头泡蓄滞洪区、而后在启用月亮泡蓄滞洪区。月亮泡蓄滞洪区为运用机率相对比较低的一般蓄滞洪区。月亮泡蓄滞洪区和镇赉淹没区的地理位置如图1所示。

图1 月亮泡蓄滞洪区地理位置图

1 洪水风险分析

MIKE 11、21系列洪水模型软件可用于一维非恒定流洪水与二维非恒定流洪水演进分析模拟。其中采用MIKE 11软件模拟洮儿河和嫩江的河道洪水，采用MIKE 21软件模拟月亮泡蓄滞洪区以及镇赉淹没区洪水，最后利用MIKE FLOOD软件标准链接将MIKE 11和MIKE 21两者相互耦合，同步求解。

1.1 模型原理

1.1.1 MIKE11一维水动力模型原理

(1)基本方程

连续性方程：

(1)

动量方程：

(2)

式中，Q—断面洪水流量，m3/s；A—过水断面面积，m2；q—源汇的单宽流量，m2/s；x—距离坐标；t—时间坐标；h—水位，m；C—谢才系数；R—水力半径，m；g—重力加速度；α—动量校正系数。

(2)求解方法

MIKE11采用的离散方法是Abbott-Ionescu六点有限差分格式，计算时在网格点按顺序交替计算流量和水位，如图2所示h点和Q点，以其为中心对控制方程进行离散。

图2 六点Abbott-Ionescu有限差分格式水位点、流量点交替布置图

1.1.2 MIKE21二维水动力模型原理

该模块属于平面二维水流模型，适合模拟具有自由表面的港口、河流、湖泊及海洋等，采用二维非恒定流方程组作为控制方程，包括水流连续性方程、水流沿x方向及y方向的动量方程。

二维非恒定流方程由水流连续方程和动量方程组成，具体形式如下：

(3)

(4)

(5)

式中，h—水深，m；Z—水位，m；u、v—分别为x、y方向沿垂线平均的水平流速分量，m/s；g—重力加速度，m/s2；n—糙率；q—源汇项，m/s。

1.2 模拟工况设置

设计模拟工况设置考虑洪水来源、洪水量级、溃堤方式3个主要因素。

1.2.1 洪水来源

月亮泡蓄滞洪区的洪水来源主要为洮儿河汛期来水和通过汉书闸分蓄嫩江的汛期洪水。

1.2.2 洪水量级

根据月亮泡蓄滞洪区具体启用条件设定本次洪水量级：选取1998年型哈尔滨控制200年一遇洪水标准。

1.2.3 溃堤方式

根据《洪水风险图编制细则》，蓄滞洪区的计算方案应设置主动分洪和被动破堤两种情况。

在月亮泡蓄滞洪区启用调度规则基础上，设置一被动破堤产生的溃口。溃堤方式依次为：

当月亮泡片和四号坝以西片水位达到133.5m时，5号坝和6号坝通过裹头同时主动分洪，裹头宽80m。当达到设计水位134.57m时，产生被动破堤，即镇赉段围堤局部溃决，溃口宽50m。

1.3 数据处理及模型设置

1.3.1 基础资料

1∶1万矢量化地形图、DEM、河网文件、河道的纵横断面数据以及河上建筑物等均为最新实测资料。

1.3.2 边界条件设置

上游边界条件有2个，分别为洮儿河的洮南站洪水过程线和嫩江的江桥站洪水过程线，下游边界由嫩江下游的大赉站水位—流量关系控制。如图3所示。

图3 月亮泡蓄滞洪区测站分布图

1.3.3 模型参数设置

糙率n是模型众多参数中至关重要且最为敏感的参数，直接影响搭建模型的可靠性以及成果的合理性。经过MIKE11模型参数率定和验证后，采用糙率如下：

洮儿河Cs89～Cs157主槽糙率选取0.04～0.05，Cs89～Cs1主槽糙率选取0.03～0.04，滩地糙率均采用0.05～0.07。嫩江干流江桥站～大赉站江道主槽糙率0.019，江道滩地糙率0.048。月亮泡蓄滞洪区及镇赉淹没区的糙率见表1，月亮泡蓄滞洪区糙率分布如图4所示。

表1 月亮泡蓄滞洪区及淹没区糙率选取表

图4 月亮泡蓄滞洪区糙率分布图

1.3.4 二维淹没区网格划分

MIKE21模型分三角形非结构网格和矩形结构网格两套空间离散系统。无结构网格具有复杂区域适应性好、局部加密灵活和便于自适应的优点，能很好地模拟自然边界及复杂的水下地形，提高边界模拟精度，因此月亮泡蓄滞洪区和淹没区采用无结构三角形对溃堤影响区域进行剖分，网格总面积1725.5km2，总网格数84091，最大单元面积为0.03km2，平均单元面积0.02km2，见图5～7。

图5 矩形网格与非结构网格边界拟合对比图

图6 网格划分mesh图

图7 堤防位置处网格加密大小示意图

1.3.5 主要构筑物概化

对于阻碍洪水演进的道路，利用MIKE21中的“dike”将其概化在模型中，该结构物可以设定沿着圩堤和路基空间变化堤顶高程，当水位没有漫过堤顶时起挡水作用，当水位超过堤顶高程并发生漫堤情况时，模型以堰流公式形式计算漫堤流量。

道路的过水涵洞则通过降低涵洞处道路的顶部高程至原地面高程，形成涵洞尺寸大小缺口的办法概化实现，如图8所示。

图8 道路概化示意图

1.4 模拟结果

当洮儿河洪水进入月亮泡片时，随着水位的不断升高，月亮泡库区洪水从四号坝流入四号坝片区。MIKE11和MIKE21耦合模型初期计算水位为131m(汛限水位)，汉书闸处于关闭状态，拦蓄洮儿河洪水。当洮儿河洪水继续涌进月亮泡片时，由于汉书闸闸前水位高于闸后水位，为了保护蓄滞洪区安全，打开汉书闸，泄洪至嫩江。当水位已达到133.5m时，5号坝和6号坝开始分洪，洪水向新荒泡片和六号坝片分流，导致月亮泡片水位降低。由于新荒泡片和6号坝片区容量有限，加上洮儿河洪水继续涌入，月亮泡蓄滞洪区水位不断上升。当水位到达134.57m时，镇赉段围堤产生局部溃决，水流由月亮泡蓄滞洪区流向镇赉淹没区，蓄滞洪区水位逐步下降，当淹没区的水位高于蓄滞洪区时，镇赉淹没区的水体流回月亮泡蓄滞洪区。不同时段洪水演进过程如图9所示。

图9 不同时段洪水演进过程

2 结语

本论文以吉林省月亮泡蓄滞洪区和镇赉洪水淹没区为例，采用MIKE11模型和MIKE21模型建立一二维水动力模型进行数据模拟处理、模型设置洪水演进等，并对哈尔滨控制200年一遇洪水进行洪水演进模拟，很好的演示洪水在时间和空间上的变化过程，通过模型计算演进结果可以提供淹没水深图、淹没历时图、洪水流速图、淹没范围图等水情指标值，同时也进一步验证说明利用MIKE11模型和MIKE21模型在蓄滞洪区洪水风险图制作上，此方法简单、便捷成果更趋于合理，为各级人民政府防汛调度指挥部门对人员财产的避险转移，灾后损失评估等提供重要的数据，也为同类工程的风险图的制作提供一定的指导作用。