基于MIKE21的水库洪水期洪水演进数值模拟

孙玲玲

（上海义昌工程设计咨询有限公司，上海 201204）

目前，对水库洪水演进模拟一般采用有限元、有限差分、有限体积等方法，但由于洪水实际情况的复杂性，洪水演进数值模型的建立、推导及计算过程均较为繁杂，且与真实结果往往存在一定的误差[1-3]。随着计算机技术和地理信息系统（GIS）的发展，数学模型方法逐渐被应用于水库洪水演进模拟中[4]。基于水库洪水期洪水演进特点，为探究水库洪水期水库淹没范围、水库水位、洪水量等情况，文章采用MIKE21软件建立水库洪水期洪水演进数值模型，对其进行模拟研究，探究水库洪水期水动力场变化情况，验证了模型的合理性。

1 MIKE21水动力模型

由丹麦DHI Water & Enivironment机构开发的MIKE21软件，基于完全圣维南方程组求解一维或二维水流水动力方程，建立平面二维数学模型，可提供有效、完备的设计条件和参数，在河流水体水动力模拟方面较为先进[5]。该模型采用有限元网络，运用有限体积解法进行计算，可灵活处理复杂地形模拟周围区域水动力流场变化，并在短时间内反映水库库区洪水演进过程。

1.1 模型控制方程

该模型采用二维非恒定平面浅水流方程组作为控制方程。

式中：x、y为笛卡尔坐标系坐标；t、η、d、h分别为时间、水位、静止水深、总水深；u、v分别为x、y方向的分速度；Ω、g、ρ0分别为科氏力系数、重力加速度、水密度。

1.2 模型参数设定

基于水库洪水期洪水演进特点，在MIKE21软件平台建立的数值模型主要考虑初始条件、边界条件、涡粘系数、干湿条件、降雨蒸发、河床糙率等参数，具体参数及意义如表1所示[6-7]。这些参数的设定对复杂水流的处理、模型的计算具有重要影响。其他参数如冰盖、引潮力等对水库洪水期洪水影响很小或为0，因此忽略。

2 实例应用

2.1 研究区概况

黄壁庄水库位于距河北省石家庄市约30km的鹿泉市黄壁庄镇，是海河流域子牙河水系滹沱河上的大（Ⅰ）型水利枢纽工程，位置图如图1所示。2016年7月19日，其发生暴雨洪水，使得水库水位急剧上升，最大入库洪峰流量达8800m3/s[8]，对水库基础设施及下游村庄造成一定的威胁。文章以黄壁庄水库“7·19”洪水为例，研究MIKE21模型在黄壁庄水库洪水期洪水演进模拟状况。

2.2 基础资料处理

采用地面GPS调查数据、遥感和现有地形资料修正MIKE21平台接受的墨卡托投影坐标系（黄壁庄水库位于UTM=50区域），确定模型模拟范围和水库地形，建立非结构化三角形网格[9]。利用MIKE21模型ADI二阶精度有限差分法求解二维非恒定平面浅水流方程组作为控制方程，并导入降雨、蒸发、风速、流量等基础资料。

2.3 模型构建

在MIKE21网格生成器中导入修正后的坐标数据，生成库区边界及地形文件，确定模拟区域。将滹沱河和冶河水库入口处设定为开边界源项（模型中定义为2），石津干渠和排洪口设定为开边界汇项（模型中定义为3），其余边界定义为闭边界（模型中定义为0）。通过网格三角化处理（节点为2047个）、水深数据导入、地形差值等过程后，生成水库库底数值地形图，如图2所示。

2.4 计算结果分析

黄壁庄水库洪水期洪水演进数值模型采用洪水期模拟初始水位（112.65m）设定，经模型调试后，将模型计算结果与黄壁庄水库管理局提供的实测资料进行对比分析。

表1 黄壁庄水库洪水期洪水演进模型计算参数

图1 模拟区域位置图

图2 水库库底数值地形图

（1）洪水期水库水位合理性分析。选择黄壁庄水库库区坝上点作为洪水期水库水位模拟点，对模型各参数进行多次率定，最终将河床糙率曼宁系数确定为30m1/3/s，涡粘系数确定为0.28m2/s，其他参数设定值不变。对模拟水位与实际监测水位进行误差分析，得出绝对误差、相对误差分别为0.0433m、0.111%。

（2）洪水期洪量合理性分析。利用MIKE21模型数据后处理功能对“7·19”洪水计算结果进行统计分析，在洪水模拟期水库总洪量为6.68×108m3，黄壁庄水库管理处提供的实时监控总洪量为6.82×108m3，相对误差为2.05%。

（3）洪水演进分析。对黄壁庄水库洪水期洪水演进分析359个步长中分别选取15步（入库流量增长最快）、49步（入库流量最大）、311步（入库流量削减）进行分析，水库洪水期库区淹没范围变化如图3所示。此3个节点水库水位实测值分别为112.86m、121.18m、118.98m，与模型模拟结果相符。且图3中洪水演进过程可明显反映库区淹没范围变化、坝上水位值变化、库区容量变化等，均合理地表现出黄壁庄水库“7·19”洪水演进过程。

3 结束语

（1）运用MIKE21模型对黄壁庄水库洪水期洪水演进模拟，模型平台采用非结构化三角形网格对模拟区域地形进行灵活处理生成数值地形图，不仅提高了水库库底地形精度，而且大幅度缩减了模型模拟时间。

（2）对黄壁庄水库“7·19”洪水期洪水演进模拟计算结果表明：水库水位、洪水期洪量误差均在可允许范围内具有较好的一致性，且真切、合理地展现了水库洪水期洪水演进过程，模拟精度较高、效果真实，适用于水库洪水期洪水数值模拟。

（3）通过案例模拟分析，确定了MIKE21模型对黄壁庄水库洪水演进模拟的合理性、可靠性，对水库的水位控制、库容控制有一定的参考价值，同时对其他河流水库水动力的模拟研究具有一定的借鉴意义。

图3 库区淹没范围图