MIKE11水动力模型在河道防洪规划中的应用

黄志龙

(宁波市鄞州区水利水电勘测设计院，浙江 宁波 315000)

0 引言

据相关研究，MIKE模型已被普遍的运用于蓄滞洪区危险性预测、城市防洪分析、河道及湖泊水位模拟、水库库区洪水演进、暴雨洪水灾害风险分析、蓄滞洪区洪水演进数值模拟等许多项目实例中[1]。宁波市鄞州区为进行轨道交通地产开发，需对地块涉及河道进行水域调整及河道整治，共涉及河道5条，其中骨干河道1条，这些河道在区域输水、防洪排涝中起到不可替代作用。为验证区域防洪工程规划的可行性，通过MIKE11建立数学模型就洪水影响分工况分析验证。

1 区域背景

鄞州区邱隘镇前殷地块整治河道位于鄞州中心城区中部融合区域，属奉化江流域，鄞东南平原水系。鄞州区全区面积814 km2，山区面积293 km2，占总面积的36.0%；平原面积475 km2，占58.3%；水域面积46 km2，占5.7%。奉化江流域东、西、南三面环山，北面临姚江及甬江，地势三面高，中间低，流域总面积2378 km2。奉化江及其主流剡江、支流县江、东江和鄞江自南向北穿平原而过，河网水系见图1。

图1 河网水系分布图

2 洪水分析模型

2.1 基本原理

采用MIKE11软件的水动力模块模拟流域水动力情况。MIKE11软件广泛地应用于河口、河网的水位、流量、水量模拟。

2.1.1 水流方程

洪流演进计算的平原河网河段纵横交叉，河网类型属滨海河网，河流下游直接与杭州湾相连，河网水流呈不恒定状态，河网中各河段水位、流量、流速和过水断面随时间、地点不断变化，洪水排放又受河口潮汐顶托影响，在外海潮汐和上游洪水的相互作用下，使水流运动更趋复杂。

采用一维非恒定流方法来描述水流在明渠中运动，其基本方程圣维南偏微分方程组为：

式中：q为河道旁侧入流，m3/s；BT为当量河宽，m；Z为断面水位，m；Q为流量，m3/s；K为流量模数。

2.1.2 节点方程

在一个河网中，河道与河道相互交叉连结，其连接点成为节点，每个节点均要满足两个衔接条件，即水量连接条件和动力连接条件。

流量衔接条件：即每一节点的流量必须满足水量平衡原理，即每一时刻进入节点的流量和等于节点蓄水量的变化：

式中：Qi中下标i为交汇于某一节点所有河道的编号，ω为节点的蓄水量。

节点可以具有调蓄功能，其连续方程形式为：

式中：St为t时刻节点水矿山机械设备厂面积，m2；H为节点水位，m；∑Qt为节点流量和，m3/s。

节点方程的差分形式为：

对于无调蓄能力的节点：

动力衔接条件：某一节点上，各连接河道断面上水位和流量与节点平均水位之间必须符合实际的动力衔接条件，要求满足Bernoulli方程。若节点无调蓄作用，则动力衔接条件简化为：

Hi=H

式中：Hi为与节点相连的河道断面水位，m；H为节点水位，m。

整个河网为若干河道和节点的组合，河网水量的控制方程即为每一河道的控制方程与每一节点衔接条件及初边值条件联立所得的微分方程组。数值求解河网水量微分方程组，则可以求出每一河道指定断面处以及节点上的水位、流量等水力变量。

2.2 河网概化

一维河网水动力模型主要分为4大部分：干流区、海西河网、鄞州河网和江北镇海河网。海西河网西至沿山干河，北至姚江，东至奉化江，南至鄞江、奉化江；鄞州河网西至东江、奉化江，北至甬江，东、南至东部山区；江北镇海河网西至慈江大闸，东至澥浦、新泓口出海口，南至姚江、甬江。计算区域内的河道被概化为489个河段，3726个河道断面，139个概化湖泊，见图2。

图2 河网概化图

2.3 区域防洪规划

根据防洪排涝规划，要求治涝布局上应充分利用紧靠甬江，地势较高具有高水高排的有利条件，采取疏通骨干河道，扩大排水口闸门规模的工程措施，因势利导增加主排水方向，使向奉化江排水为主转变为向奉化江与甬江排泄相结合。河道布局上拟定鄞州平原采用六纵四横的输水排水系统：南北向六纵排水系统为甬新河排水系统、沿山干河排水系统、小浃江排水系统、印洪碶河排水系统、新(老)杨木碶排水系统、大东江—陈郞桥江排水系统；东西向四横输水排水系统为前塘河排水系统、中塘河输水系统、后塘河输水系统和张家碶—楝树港排水系统。

2.4 防洪排涝分析计算

2.4.1 计算工况

考虑现状及规划工程，将计算工况分为三种：工况1，现状；工况2，现状+地块规划；工况3，水利规划+城市规划。针对鄞州区平原防洪排涝的重要性和客观需要，工况1为当前鄞东南平原实际情况设置，工况2按照鄞州平原现状和项目区规划实施的情况设置，工况3按照鄞东南平原河网规划和城市规划实施设置。

2.4.2 分析计算

(1)工况1：现状

在现状城市建设下垫面情况下，根据鄞东南平原水利建设完成现状，包括沿江防洪工程、平原河道整治工程、平原排涝闸站工程等，利用验证后的模型，对项目区及其周边平原排涝能力进行分析。根据前述水利计算方法，项目区地块及其周边现状水利计算成果见表1。

表1 现状条件下项目区河道水位

根据表1可知，与区域开发建设进程相比，水利建设步伐仍显滞后，区域地坪不断抬高，平原区调蓄面积不断缩小，也给平原区的行洪排涝带来压力。一方面平原区部分河道，特别是农田区和老镇区河道，现状规模仍与规划要求存在一定差距，平原河网行洪仍然受阻；另一方面受到外海潮位的顶托，沿江水闸排水量有限，也限制了平原区排涝能力。因此，现状条件下，鄞东南平原遭遇大暴雨后，除鄞州中心区以及新建区外，其它地势较低地区仍有不同程度的受淹。

现状条件下，项目区周边已建设区域地势相对较高，基本可以满足50 a一遇防洪标准；项目区东侧老镇区及农田区附近地势较低，当遭遇10 a一遇洪水时，则有不同程度受淹，如田郑村附近，遭遇10 a一遇洪水时，最大淹没水深超过0.5 m，受淹时间超过10 h。

(2)工况2：现状+地块规划

现状下垫面条件下，地块按照其规划建设后，利用验证后的模型，对项目区及其周边区域的排涝能力进行分析计算。地块建设后水利计算成果见表2。

表2 现状+规划地块条件下项目区河道水位

根据表2可知，在现状条件下，随着项目区地块的开发建设，地块地坪整体抬高，区域调蓄空间进一步缩小，项目区周边涝水位均有一定的抬升，最大抬升高度约7 cm。地块开发建设后，地块西侧鄞州中心区、南侧潘火街道住宅区，北侧东部新城核心区等区域地坪高程均在3.00 m以上，基本可防50 a一遇的涝水。地块建成后，原地块内低洼区域可蓄涝水向周围排出，地块周围西侧、南侧及北侧区域部分河道水位略有抬升，由于其地坪较高，区域防洪排涝基本不受大的影响；而其东侧地势较低地区，则有不同程度的受淹，地块东侧邱隘镇田郑村及方庄文化公园附近，受到涝水转移的影响，淹没时间有所增加，增加约6 h～9 h。

(3)工况3：水利规划+城市规划

鄞东南平原按照《甬江流域防洪治涝规划》和《宁波市鄞州区河网水系规划》的总体要求实施，并结合《宁波市城市总体规划》和《宁波市鄞州区潘火地段控制性详细规划前殷区块调整论证报告》等城市发展规划，分析项目区地块及其周边防洪排涝能力。

根据前述水利计算方法，项目区地块及其周边规划条件下计算成果见表3。

表3 水利规划+城市规划工条件下项目区河道水位

根据计算结果可知，规划条件下，随着项目区及其周边地块的建设，区域内河道河面宽度均拓宽至规划河面宽，河底高程均开挖至规划高程，增加了区域河道蓄水能力，增强了区域河道行洪排涝能力，区域防洪排涝体系建设更加完善，区域涝水位均有不同程度的降低。

3 结语

本文基于圣维南方程，结合区域河网水系特征，建立了片区一维水动力模型，根据防洪规划和工程节点布置进行了三种工况下的水动力数值模拟，获得了区域现状和不同规划条件下的洪水水位计淹没情况。由结果可知，MIKE11水动力模型在防洪规划及河道整治中具有较好的应用价值，值得相关研究在应用深度和广度方面继续推进。