基于MIKE 11模型的某海岛地区洪水演进模拟

刘俊萍，郑施涵，吴正中，贺露露，韩 伟，陈伟毅

(1.浙江工业大学 土木工程学院，浙江 杭州 310023;2.中铁二院华东勘察设计有限责任公司，浙江 杭州 310000)

现阶段我国城市河道主要以防洪为中心，同时兼顾地区供水、景观和生态[1-3]。然而近年来，随着城镇化的迅速发展，部分河道出现被两侧障碍物完全阻塞的情况，许多跨河建筑物如桥梁、闸门等年久失修，造成河岸坍塌现象严重，给城市的防洪安全带来了极大的挑战[4-6]。同时，在全球气候异常的影响下，多地频繁发生极端天气现象，尤其在夏季暴雨时节，很多城市都出现了不同程度的洪涝灾害[7]，不仅影响了城市的正常运行，同时还造成了极大的财产损失[8-9]。因此，从宏观上对城市洪水进行演进模拟[10-12]，并在此基础上推动城市河道防洪规划研究[13-16]，从而科学地降低城市洪涝灾害损失显得尤为必要。国务院于2011年正式批准设立浙江舟山群岛新区，同时确立建设舟山海上花园城市的目标，使得作为舟山群岛第五大岛的朱家尖自身雨水排涝要求显著提高，因此其部分河道迫切需要重新进行规划调整以达到防洪减灾目标。

朱家尖流域属于典型的海岛流域，流域面积小，其中近七成是山区。岛内河流源短流急，汇流历时较短，洪水易暴涨暴落。若暴雨遭遇高潮位，则河道下泄洪水受潮水顶托影响，无法敞泄，导致洪涝灾害更加严重。目前主要存在两大问题：一是流域内河道管理缺乏统一规划，区域内河道非汛期来水量不大，很多小河道和断头河平时水位较低或基本无水，造成河道日益萎缩，且河道内水流动性较差，河道淤积现象明显；二是区域内主要排水河道基本未能构成整体性网络，且大部分支流短小，相互交错纵横，断头河较多，严重影响行洪安全。笔者以浙江省舟山市朱家尖岛为研究对象，通过MIKE 11软件搭建河网模型，模拟不同闸门调度规则以及河网结构的洪水演进过程，比较分析不同闸门调度规则与河网结构对河道内洪水水位变化的影响，以此对各模型的模拟效果作出评价，从而为朱家尖地区防洪评价提供参考。

1 研究区域概况

朱家尖岛位于东海海域，舟山群岛东南部，是舟山群岛中的第五大岛，处在北纬29°50′～29°27′，东经122°19′～122°26′范围内。其陆域面积为74 km2(包括72 km2的朱家尖本岛及其附属小岛)。全岛整体呈南北向狭长型，南北长约26 km，北部东西最宽处约9 km，最窄处约1.2 km。岛内共有大小河道49 条，河流总长82.04 km，蓄水容积148.16 万m3，水域面积1.3 km2。朱家尖岛地理位置如图1所示。

图1 朱家尖岛地理位置示意图

2 MIKE 11简介

MIKE 11是丹麦DHI公司开发的一款成熟的商业类型软件，可用于综合模拟一维河道洪水演进，涵盖河网、断面和边界条件等因素，也可同时考虑桥、涵洞和水闸等水工建筑物的影响。目前，MIKE 11软件在洪水预报、水资源利用和河道防洪等方面均得到了实际的应用。

2.1 控制方程

MIKE 11水动力学模型研究某一流域内河道的非连续性水流运动规律，模型结果可具体描述河道水流运动的基本特征，模型的控制方程是一维圣维南方程组。其中质量守恒方程式和动量守恒方程式分别为

(1)

(2)

式中：x为距离坐标；g为重力加速度；t为时间坐标；A为过水断面面积；R为水力半径；C为谢才系数；Q为流量；q为旁侧入流量。

2.2 数值离散

利用有限差分法可对圣维南方程中的动量方程和方程进行离散，计算网格由流量点Q和水位点h组成，并在同一时间步长下分别对流量点和水位点进行计算，其计算网格示意图如图2所示。

图2 河道断面计算网格示意图

将蓄存宽度bs引入连续性方程中，则有

(3)

连续性方程转变为

(4)

由式(4)可知：连续性方程仅与流量Q和x有关，进而可得到以h点为中心的六点隐式为

(5)

3 模型构建

根据朱家尖海岛流域现状河网，建立MIKE 11模型，通过模拟分析现状河网存在的问题，并提出相应的河道改建与疏浚、拓宽方案，对现状河网结构进行调整(简称“调整河网”)。流域出海口处设有挡潮闸，可抵挡潮水入侵，同时对流域内河道水位进行调控。

为探究不同闸门调度规则对流域防洪排涝产生的影响，提出以下两种调度规则：

1)调度规则1：在排涝期，当闸上水位高于0 m时，若闸上水位高于闸下水位时，闸门开启，否则闸门关闭。

2)调度规则2：在排涝期，当闸上水位高于1.55 m时，若闸上水位高于闸下水位时，闸门开启，否则闸门关闭。

通过组合不同的工况条件，建立现状河网+调度规则1、现状河网+调度规则2、调整河网+调度规则1共3种模型。其中，模型1和模型2用于比较现状河网条件下，不同闸门调度规则的洪水演进过程；模型1和模型3用于比较相同的调度规则下现状和调整后河网条件对河道行洪的影响。

3.1 河网概化

朱家尖岛流域主要分为3 大流域，即石榴江流域、四丈河流域以及南河流域。另有独立入海的4 个小流域，分别为位于岛屿北部的北站畈流域和群英畈流域、位于岛屿东北部的老佃房流域和位于西南部分散的西岙流域。研究中涉及到的朱家尖岛流域如图3所示。

图3 朱家尖岛流域示意图

石榴江流域包括石榴江北和石榴江南两个小流域，流域面积为12.04 km2，两流域之间通过引河相连，主要行洪排涝河道是石榴江北和石榴江南；四丈河流域的主要行洪排涝河道是四丈河，其流域面积为9.46 km2；南河流域的主要行洪河道是南河，流域面积为9.12 km2。石榴江南、石榴江北、四丈河和南河各有一个出海口，出海口处均置有挡潮闸，分别为新北塘闸、钓鱼礁闸、反帝2号闸和反帝3号闸(图3)。

研究范围属于海岛型流域，流域内河流纵横交错，连结成网。若将所有河道都概化在模型中，那么势必费时费力且加重计算负担，同时还考虑到部分河道调蓄作用很小或根据实际调查已基本不作输水用途，其河道概化与否对流域整体水位流量的影响可忽略不计。因此在朱家尖岛流域的河网概化过程中，以骨干河道为基础，基本体现天然河网的水力特性为原则，对相应的河道进行合理概化，使概化后的河网尽量与天然河网的水力情况相类似。

现状河网概化以石榴江南、石榴江北、四丈河以及南河为4大干流，其余河道均以支流的形式汇入干流。概化后，朱家尖岛现状河网共含23 条河流，其分布如图4所示。

图4 朱家尖岛现状河网概化示意图

3.2 断面设置

根据实测河道断面高程绘制河道断面图。设置石榴江北-2、石榴江南-5、四丈河-3和南河-3为观察断面，其位置图及断面图分别如图3，5所示(图中单位以m计)。现状河网和调整河网分别设置120，146 个断面。

图5 河道断面图

3.3 边界条件及其他参数设置

文中模型上边界采用降雨径流模型计算所得到的流量过程，下边界采用实测潮位数据。

为了使模型能够平稳启动，模型内河道初始水位设为0 m，河床糙率n值取0.03，模拟时长共43 h，时间步长为1 s。

4 计算结果对比分析

4.1 模型验证

采用现状河网，4 个挡潮闸的闸门均采用调度规则1进行调度。上边界采用朱家尖流域2009年汛期7月8日至7月15日的降水径流资料，下边界采用同时段的潮位资料，对模型进行验证。取4 处典型河道断面，即对石榴江北-2、石榴江南-5、四丈河-3和南河-3(图3)进行计算。结果表明：这4 处断面最高水位的计算值与实测值的相对误差为2.6%～4.4%，模型是可靠的。

4.2 不同调度规则对流域防洪排涝的影响

采用上述经验证的模型，对其上边界采用1994年10月10日至10月12日的降雨径流资料，下边界采用实测潮位资料，根据入海口处4 个闸门调度规则的不同分为两个模型，即对模型1采用调度规则1，对模型2采用调度规则2。

石榴江北、石榴江南、四丈河及南河这4 条河流作为现状河网的排涝主干河道，当发生暴雨时，其河道水位的高低变化会对海岛地区的受灾产生较大的影响。根据模型运行结果选取石榴江北、石榴江南、四丈河以及南河上的石榴江北-2、石榴江南-5、四丈河-3以及南河-3这4 处靠近城区的代表性断面，利用MIKE VIEW查看模型1和模型2在闸门调度规则1以及闸门调度规则2下典型断面水位的数值变化，以此来分析不同闸门调度方式下河道水位随时间变化的具体情况。这4 处代表性断面水位随时间的变化如图6所示。

图6 现状河网不同调度规则下水位变化过程

由图6(a，b)可知：石榴江北和石榴江南的两处断面在采取调度规则1时，24 h后河道内水位分别到达峰值0.9，1 m，随后水位快速下降至0 m。当采取调度规则2时，28 h后水位均到达峰值1.2 m，明显高于调度规则1的模拟值，随后水位缓慢下降至1 m。由图6(c，d)可知：四丈河和南河的两处断面在采取调度规则1和调度规则2时，均在24 h时水位到达峰值，其值分别为1.2，1.4 m。到达峰值之后，调度规则2情况下，水位呈现缓慢下降至1 m；调度规则1情况下，水位快速下降至0 m。

通过比较分析可知：当采取调度规则2时，在模拟时间内不同河流的断面水位均高于采取调度规则1时的水位。因此通过改变闸门调度规则可有效调节河道水位，使其在不同条件下满足不同的需求，如在枯水期可适当提高河道水位以提升河道美观度。

4.3 改善河道条件对流域防洪排涝的影响

为提升朱家尖岛流域防洪排涝能力，对流域内现状河网中阻碍行洪的河道断面采取拓宽和疏浚等相应的改善河道条件的治理措施。调整河网主要涉及石榴江、四丈河及南河3 个流域。其中石榴江流域作为朱家尖岛综合发展的重要区域，其河网改造将成为本次河网调整的重点内容，保持石榴江北河道宽度55 m不变，对水深不足的进行清淤，将石榴江南现状河道宽度为35 m左右的河道拓宽至55 m；四丈河流域是朱家尖镇区所在区块，根据规划镇区范围以现有规模稍作扩张，同时对部分河道进行改道处理；南河流域以发展农业为主，目前流域内河网水系纵横交错，存在卡口和淤积现象，因此本次调整以清淤为主，局部拓宽使水系更为畅通。经统计，调整河网共概化河流33 条，调整后的河网概化示意图如图7所示。

图7 朱家尖岛调整河网概化示意图

在模型1的基础上，采用上述改善的河道条件，建立模型3，其典型断面计算结果如图8所示。

图8 现状河网(模型1)和调整后河网(模型3)水位变化过程

由图8(a，b)可知：在现状条件下，石榴江北和石榴江南两处断面的水位分别在24,26 h可到达峰值0.9,1 m，随后水位逐渐下降。经过河道调整后，石榴江北和石榴江南两处断面的水位峰值分别为0.6,0.7 m，降低幅度较大，且绝大部分模拟时间点上的水位降幅较明显。由图8(c)可知：24 h后，四丈河的断面水位到达峰值1.2 m，经过河道调整其值降低了0.2 m，且在到达峰值以后水位快速下降。由图8(d)可知：24 h后，南河的断面水位到达峰值1.2 m，通过调整河道能使该峰值明显下降至0.8 m。

通过比较分析模型1和模型3的结果，拓宽、清淤等措施后的河网对河道水位的降低有明显的作用。在模拟时间段内，经过河道调整后的4 处具有代表性的断面水位均低于现状水位，且总体降幅明显，对河道行洪能力有较大的改善。

5 结 论

为综合比较不同边界条件下朱家尖海岛地区河道洪水演进情况，构建3 个MIKE 11模型进行洪水数值模拟，揭示洪水演进在时空上的变化。经过比较分析，得出以下结论：1)在洪水期和枯水期，在满足防洪排涝的要求下，可灵活采取不同的闸门调度方式，发挥河道调蓄功能，在提高雨洪资源利用率的同时，结合河道生态治理，提升河道两岸景观效果；2)通过调整河网结构，如采取河道疏浚、拓宽和提高河底高程等措施，可有效降低河道水位，提高防洪减灾应急能力。