基于MIKE11的多闸坝河道流量演进模拟与分析

张世鑫,张 静

(沈阳农业大学水利学院，辽宁 沈阳 110866)

在河道上设置多级闸坝可以保证河道的蓄水要求，增加水资源可利用量；保证流域水资源的供需平衡，进而对流域各分区进行水资源合理优化配置，为流域发展提供必要条件[1-5]。然而，河道设置多级闸坝，会改变河流的自然连通性，使河道洪水预报及模拟变得复杂[5-7]。同时多级闸坝联合调度，需要各闸坝处有完备的和满足精度要求的流量资料，这给水文流量测验工作也带来巨大压力[7-8]。为分析多闸坝设置对河道流量传播的影响，同时模拟出各闸坝断面流量过程，减少水文测验工作量，进行多闸坝段河道流量演进模拟研究十分必要。目前，流量演进模拟多是采用MIKE模型进行。近年来，国内用MIKE 11模型在不同流域进行了有关河道流量演进规律的研究:吴天蛟等[9]应用MIKE 11软件建立有区间入流的三峡库区水力学洪水演进模型，得到对应的出库流量、坝前水位的模拟值，预报精度达到甲级标准;同时，林波[10]的研究表明，MIKE11水动力模型在三峡区洪水演进中精度较高。在国外2009年，Ehsan Ranaee等[11]以ZOSHK河为例，以HEC-Geo-HMS软件的输出信息作为MIKE 11模型的输入数据，研究该河流洪水演算过程。2013年，Mauricio等[12]基于MIKE 11、InfoWorks-RS和HEC-RAS，建立了3个河流一维水动力模型，以比利时Dender河流域为研究对象，对3场历史洪水的洪峰流量、水位、淹水量和淹没面积进行预测。研究表明，MIKE模型在河道流量模拟研究中具有很好的应用性。现有研究主要集中于河道流量的演进及洪水淹没范围预测，多是不考虑水工建筑物或仅考虑输入输出端水工建筑物影响下的河道条件，对于设有多级闸坝影响的河道流量演进模拟及分析研究还较少。

蒲河是沈阳市的城市内河，随着蒲河生态廊道建设，对蒲河水系连通、水质改善、水生态多样性提出了更高的要求。蒲河上游有棋盘山水库，下游有团结大闸，在棋盘山水库与团结大闸间修建有橡胶坝、拦河闸等拦蓄水工程，在非汛期这些闸坝工程拦蓄径流形成水面，在汛期闸坝工程均采用自由泄流方式保证度汛安全[13-16]。为保障蒲河生态廊道水系连通，防洪安全，研究多闸坝条件下河道流量演进规律是十分必要的，然而对于蒲河棋盘山水库至团结大闸间流量演进模拟研究还不多见，对于闸坝工程对河道流量演进的影响也未见分析。因此，本文以蒲河流域棋盘山水库—团结大闸段为研究对象，采用MIKE 11 HD模型模拟河道流量演进过程，分析在多闸坝条件下流量传播时间和衰减特性，为蒲河廊道闸坝调度提供依据，也为其他相似的多闸坝河道流量模拟及洪水预报提供参考。

1 研究区概况

蒲河发源于铁岭横道河子想儿山，于棋盘山开发区望滨街道古砬子村入境，经沈北新区、于洪区、新民县、辽中县，于辽中县观坨乡黑鱼沟村南入浑河，全长205 km，流域面积2 610 km2。蒲河整个河流走向为东北至西南方向，是从山区到平原的过渡型河流。棋盘山水库位于蒲河上游，控制面积133 km2，占蒲河流域总面积的6.3%，是一座中型山谷水库。团结大闸位于蒲河下游，处于蒲河右岸冷子堡镇金山堡段，有水面1 667 hm2，平均水深4 m。蒲河上有蒲河支流、江河导水路、九龙河、小浑河排干等支流，在棋盘山水库至团结大闸之间河道上建设拦蓄水建筑物7处，分别为7号闸、6号闸、1号闸、闸上橡胶坝、老什牛橡胶坝、大河泡和团结大闸。工程分布概化见图1。

2 MIKE11模型构建

MIKE11模型的构建需要河网文件、断面文件、边界文件及参数文件。

a)河网文件(图2)。基于ArcGIS的三维数字高程(DEM)生成计算区域内的流域水系,使概化后的河网输水能力和调蓄能力与实际河网相近或基本一致，能反映天然河网的水力特性。

b)断面文件。为满足模型精度以及运行稳定性要求，研究河道的断面数据主要来自水文站大断面数据。断面数据包括每个断面的起点距x和河底高程z。通常情况下，收集得到的实测断面数据多为文本格式或者Excel格式，在数据过多时直接输入会因工作量过大导致效率低下并可能出现错误，因此需要将断面数据转化成与模型相对应的格式。打开MIKE11中断面文件并选取Import Raw Data&Recomput导入转化好后的断面数据，进行合理性检查后即可得到断面文件。

c)时间序列文件。时间序列文件一般为模型计算所需的实测水位、流量等其他条件，其有固定的格式，后缀带有.dfso。本文选择等时间间隔Equidistance Calenda Axis[17-19]。设置2个时间序列文件，第一个为棋盘山水位流量数据，另一个为团结大闸的实测水位流量数据，用以模型的率定和验证。

d)边界条件。边界条件分为2种：外部边界条件和内部边界条件。外部边界的河段端点(即自由端点)不与其他河段相连，物质流出模型区域；流入也必然是从模型外部流入，这些地方需要有流量、水位值。而内部边界条件是指从模型内部河段某点或者某段河长流入或流出模拟河段的地方。从水文站获得实测流量数据及相应的水位资料为建模所需的基础数据，将做好的时间序列文件，用以确定模型的边界条件。MIEK11模型计算需要知道研究河段起始时刻的流量和水位[20-24]，因此以棋盘山的实测流量、水位数据为上游边界条件。

e)参数文件。参数文件包括初始值设置和河床糙率设置。河道初始值采用实测流量数据。河床糙率是一个综合性的参数，本文采用洪水模拟的方法进行该参数率定。断面糙率n值分别选取0.015、0.020、0.025、0.030、0.035五个值进行流量模拟，通过模拟结果可知，当糙率为0.025时模拟流量过程和实际流量过程契合度最高，因此，确定研究河段的糙率为0.025。不同糙率下流量模拟的结果见表1。

表1 不同糙率下流量的模拟精度

3 模型的验证

为进一步确定模型的适用性，在确定糙率n=0.025前提下，将下游团结大闸断面作为对比断面，对2017年8月11日至8月27日、2018年8月1日至8月17日流量过程进行模拟，并与实测流量过程进行对比，模拟结果对比见图3。

a)2017年8月11日至8月27日过程

经计算，2017年8月11日至8月27日、2018年8月1日至8月17日的模拟流量过程与实测流量过程的相关系数分别为0.97、0.96均大于0.70；径流总量相对误差分别为1.73%、1.64%，在许可误差范围内；确定性指标分别为 0.98、0.99，都接近于1；Nash-Sutcliffe效率系数分别为0.98、0.99，也都趋近于1；均方根误差分别为0.11、0.13，都趋近于0，说明构建的模型对研究河道具有良好的适应性。

4 模拟与分析

4.1 流量传播时间分析

基于MIKE软件构建的蒲河棋盘山—团结大闸河段水动力学洪水演算模型，将研究河段分为棋盘山—7号闸、7号闸—6号闸、6号闸—1号闸、1号闸—闸上橡胶坝、闸上橡胶坝—老什牛橡胶坝、老什牛橡胶坝—大河泡、大河泡—团结大闸7个区段，对研究河段的不同区段不同洪峰流量的传播时间进行模拟计算，结果见表2。

表2 不同区段洪峰传达时间计算结果

由表2计算结果可知，棋盘山—7号闸、7号闸—6号闸、6号闸—1号闸、1号闸—闸上橡胶坝、闸上橡胶坝—老什牛橡胶坝、老什牛橡胶坝—大河泡、大河泡—团结大闸7个区段的洪峰流量与传达时间之间呈现出比较显著的幂函数关系，从而可以得到不同区段洪峰流量与传播时间的拟合关系曲线，见图4。各断面函数幂指数均为负值，表明洪峰流量越大，洪峰传达时间越短，这符合一般经验规律[25-28]。在相同洪峰流量下，区段之间的距离越远，洪峰传达的时间越长。

图4 各区段洪峰传达时间对比

4.2 流量传播衰减变化分析

通过衰减率及每千米衰减率2个指标分析河道流量传播衰减变化，指标计算公式如下：

(1)

(2)

式中Wi、Wj——各段模型计算流量，m3/s；Li-j——各区段距离，km。

利用构建好的MIKE11模型，计算了2016年7月15—31日和2017年7月15—31日各区段洪水过程的河段流量沿程衰减变化。结果见表3。由表3可知 2016年7月15日—2016年7月31日、2017年7月15日—2017年7月31日各区段流量衰减率基本相同；在2016年7月15日—2016年7月31日、2017年7月15日—2017年7月31闸上橡胶坝—老什牛橡胶坝区段流量衰减率均为7个区段每千米流量衰减率的最高值，为0.52%；7号闸—6号闸区段每千米流量衰减率均为7个区段每千米流量衰减率的最小值，为0.16%。

表3 各区段流量衰减率计算结果

通过现场查勘可知，7号闸—6号闸区段位于沈北新区段，河道渠系化，河道断面规整，而闸上橡胶坝—老什牛橡胶坝区段位于辽中县，天然河道宽而植被多，河流蒸发渗漏损失大。不同河道特性导致各区段不同程度流量的衰减，进而对流量演进产生影响。

5 结论

多闸坝河段因为闸坝的影响，流量传播规律复杂，给河道流量预报及水量调度带来困难。本文以蒲河棋盘山水库—团结大闸段河道为研究对象，将河段分为棋盘山—7号闸、7号闸—6号闸、6号闸—1号闸、1号闸—闸上橡胶坝、闸上橡胶坝—老什牛橡胶坝、老什牛橡胶坝—大河泡、大河泡—团结大闸7个区段，研究不同区段洪峰流量传播时间及流量传播衰减变化，主要结论如下。

a)构建多闸坝河道水动力模拟模型，经参数率定，模型在河道具有较好的适用性。

b)棋盘山水库—团结大闸段各闸坝区间流量衰减率为2.17%～2.33%；区段里程越远，流量传播时间越长，流量损失越大；但每千米衰减率与河道特性、河道两岸植被相关，受人工渠化影响，7号闸—6号闸段每千米流量衰减率最小，而闸上橡胶坝—老什牛橡胶坝区段每千米流量衰减率最大。

c)基于水动力学洪水演进模型，模拟出各闸坝区间流量传播时间模型，得出洪峰流量与传播时间之间呈现出比较显著的幂函数关系，洪峰流量越大，洪峰传达时间越短。

d)以蒲河流域多闸坝河段为研究对象，分析了多闸坝条件下河道流量的演进模拟及传播规律，为蒲河生态廊道建设维系水系连通及河道防洪策略制定提供依据。本文研究方法也可为其他相似的多闸坝地区流量模拟及洪水预报提供重要的参考价值。