MIKE21模型在输电线路改造工程防洪影响评价中的应用

王丽君

(河北省保定水文勘测研究中心，河北 保定 071000)

1 工程概况

献县张城35 kV 3372输电线路改造工程，位于河北省沧州市献县，是献县城西35 kV变电站的主供电源之一。始建于2004年，部分线路沿用1990年献县110 kV变电站至张村的35 kV线路。因线路运营期限过长,部分线路杆基老化严重,甚至产生了横向裂缝;杆塔金具腐蚀严重,部分金具出现了倾斜,该线路已不能满足目前城西 35 kV 变电站安全运行要求，因此亟需加以更新。

本次输电线路改造工程起于献县张村35 kV变电站35 kV出线间隔，止于35 kV城西站35 kV进线间隔，两端均占用原间隔。本次线路工程长14.8 km，包括新建塔基77基和旧线改造塔基32基；拆除旧线16.1 km，拆除杆塔159基。沿线经过区域属海河流域子牙河水系及黑龙港运东地区，线路跨越献县泛区，并同时跨越贾庄河、滹沱河行洪道、滏阳新河、北排河及引黄输水渠道新开渠。

2 数学模型建立

2.1 模型范围及地形剖分

(1)计算范围。 根据目前的洪水调度原则，滹沱河河道整体设防标准为50年一遇，北大堤为100年一遇，当滹沱河遇超过50年一遇洪水时，利用南大堤分洪口门向滹滏区间分洪，以确保北大堤安全。本次模型的上游边界条件为滹沱河、滏阳新河、滏阳河3个河道入流口及留楚排干、天平沟等平原沥水，南边界为石黄高速公路，北部边界为滹沱河北大堤，东边界为滏阳新河右堤，西边界为滹沱河北中山水文站，模型出口为献县枢纽，模型计算区域南北长度约36 km，东西长度81 km左右，模型区面积约2205.43 km2[1-2]。

(2)模型的网格剖分。MIKE21FM二维水动力模型可使用不规则网格，但针对二维非恒定流动的计算需要高,需通过网格地形点形式描述地形情况，并且在重要的区域和变量变化梯度较大的局部区域设定较细的网格单元，在物理变量变化较平缓或非主要区域设置较稀少的网格[3]，本模型网格单元最大面积不大于3万m2，按局部区域加密处理，最小网格面积20 m2左右，在计算范围内网格划分共计117 071个，计算节点59 100个。

2.2 边界条件

(1)模型的上游边界条件。 模型的最上游边界条件为模型上游边界的洪水入流，分为滹沱河、滏阳新河、滏阳河三个河流的洪水入流和东程干、罗屯以及故城村东三座分洪口门出流口[4-5]。

(2)模型下游边界条件。 模型的下游边界为模型的出流边界，即为献县枢纽，边界条件按献县枢纽的水位泄量关系考虑。献县枢纽水位泄量关系见表1、表2。

表1 献县枢纽水位泄量关系

表2 子牙河节制闸水位～泄量关系

(3)特殊边界的处理。 模型的中边界条件为泛区内滹沱河行洪道两侧堤埝和高速公路的过水桥涵、互通公路桥等以及泛区上游京九铁路、大广高速和滹沱河南大堤。

2.3 模型参数的确定

本次模型中的主要参数选取按照地形、地貌特点，以及根据南水北调中线工程及以往的洪水模拟的经验，糙率分区参数如表3所示。

表3 糙率分区

2.4 计算方案的拟定

本次分析了现状、规划工程条件下的50年一遇、100年一遇两种标准洪水，结合建设项目工程前、后，共组成8个方案。

3 防洪影响模拟计算分析

3.1 现状防洪工程下洪水模拟分析

(1)模型成果分析。献县泛区上游段旧南堤段没有达到50年一遇洪水的防洪标准，从洪水对献县泛区产生的最大风险角度考虑，旧南堤在模型中以瞬间溃决进行概化。从模拟结果来看，当滹沱河发生50年一遇标准洪水时，一部分洪水将从旧南堤处由上游直接进入南泛区，另一部分洪水沿河道进入献县泛区行洪道后从大齐分洪口门上游左埝处，率先从左埝漫溢进入北泛区，北泛区漫溢口附近流速在0.20～0.35 m/s之间，之后沿地形地势向下游流动；整个泛区内部流速在0.05～0.35 m/s之间。

当滹沱河发生100年一遇标准洪水，本次根据洪水实际的演进发展情况，从上到下依次启用南大堤的东乘干、罗屯、故城村东分洪口门。从最大风险的角度考虑，上游旧南堤仍按瞬间溃决考虑，洪水一部分通过分洪口门分洪进入滹滏区间，另一部分将通过肃衡公路桥进入献县泛区南泛区，泛区内部流速0.05～0.48 m/s；顺着河道进入献县泛区行洪道的洪水从大齐分洪口门上游弯道处由左埝进入北泛区，泛区内部流速在0.05～0.45 m/s之间。

(2)流势流态分析。从洪水模拟结果看，输电线路附近水流方向基本为西东方向，新建线路工程为东西走向，旧线改造段为南北走向。现状防洪工程下工程修建前后河道的流势流态没有发生大的改变。

(3)水位分析。输电线路工程位于献县泛区下游，地势平坦，起伏不大。地面高程在10.90～13.73 m之间，现状工程下50年一遇、100年一遇标准洪水时水位变化均不大，水位分别在 16.87～17.00 m之间、17.16～17.30 m之间，现状防洪工程条件下工程前后对河道洪水位的影响很小。

(4)流速分析。从洪水模拟结果看，50年一遇洪水时流速在0.08～0.44 m/s之间；100年一遇洪水时，流速在0.09～0.54 m/s之间。工程前后流速基本没有变化。部分塔基分别跨越滹沱河行洪道、滏阳新河位置流速较大，其余蓄滞洪区内流速均较小。现状防洪工程条件下工程前后对河道洪水流速的影响很小。

(5)壅水分析。从洪水模拟结果看，工程后塔基在蓄滞洪区内壅水甚小，50年一遇洪水，所有蓄滞洪区内塔基的总壅水高度仅为0.005 m，100年一遇洪水，总壅水高度为0.002 m，基本没有壅水。

因此，从现状防洪工程条件下的输电线路工程前后模拟结果可以看出，工程条件下洪水淹没分布情况和洪水流速矢量图与工程前基本一致，工程前、后基本没有壅水，流速基本不变。拟建输电线路对献县泛区的滞洪形势和洪水流势影响很小。现状防洪工程条件下工程前50年一遇、100年一遇标准洪水流速矢量图见图1，工程后50年一遇、100年一遇标准洪水流速矢量图见图2。

图1 现状防洪工程条件下工程前洪水流速矢量图

图2 现状防洪工程条件下工程后洪水流速矢量图

3.2 规划工程下洪水模拟分析

(1)模型成果分析。从模拟结果来看，当滹沱河发生50年一遇标准洪水时，南北泛区先后启用，超标准洪水由大齐分洪口门进入北泛区，口门附近流速在0.65～0.95 m/s之间，北泛区内部流速在0.05～0.95 m/s之间；接着洪水由右埝分洪口门进入南泛区，口门附近流速在0.15～0.40 m/s之间，南泛区内部流速0.05～0.40 m/s之间；

当滹沱河发生100年一遇标准洪水时，根据洪水实际的演进发展情况，超过设计水位即从上到下依次启用南大堤分洪口门，洪水漫溢过上游旧南堤时仍按溃决考虑。越过旧南堤的洪水一部分由罗屯分洪口门分洪进入滹滏区间，另一部分将通过肃衡公路进入献县泛区南泛区，泛区内部流速0.06～0.48 m/s；顺着河道进入献县泛区行洪道的洪水在大齐分洪口门上游弯道处即由左埝进入北泛区，泛区内部流速在0.05～0.45 m/s之间。

(2)流势流态分析。 从洪水模拟结果看，规划防洪工程下输电线路工程修建前后河道的流势流态没有发生大的改变与现状工程下基本一致。规划防洪工程条件下工程前后对河道流势流态基本没有影响。

(3)水位分析。 从洪水模拟结果看，规划防洪工程下，输电线路工程修建前后遇50年一遇、100年一遇标准洪水时水位、水深的变化均不大，水位分别在16.87～17.00 m之间、17.15～17.27 m之间。规划防洪工程条件下工程前后对河道洪水位的影响很小。

(4)流速分析。 对比工程前后模型区内流速成果可知，规划比现状工程下，整个泛区内的流速略有增大，从50年一遇流速成果看，跨越滹沱河行洪道、滏阳新河，流速为0.44 m/s、0.45 m/s，其他位置流速均较小，在0.08～0.32 m/s之间；100年一遇洪水时，部分塔基跨越滹沱河行洪道、滏阳新河位置流速较大，为0.45 m/s、0.53 m/s，线路其他塔基位置流速在0.10～0.36 m/s之间，规划防洪工程条件下工程修建后，河道流速变化较小，工程修建对于河道行洪影响不大。

(5)壅水分析 从模型模拟测算结果看出，工程修建后，各塔基在蓄滞洪区过水断面所占面积甚小，按偏不利情况考虑，在塔基的迎水方向的两个桩基之间不过水时，塔基的阻水面积为117 m2，100年一遇洪水条件下，滹沱河南北大堤之间过水断面约为2万m2，塔基的阻水面积不足整个过水断面面积的1%，因此规划防洪工程条件下工程修建后基本没有壅水。

规划防洪工程条件下工程前50年一遇、100年一遇标准洪水流速矢量图见图3，工程后50年一遇、100年一遇标准洪水流速矢量图见图4。

图3 规划防洪工程条件下工程前洪水流速矢量图

图4 规划防洪工程条件下工程后洪水流速矢量图

4 结 论

(1)献县张城35 kV3372线路改造工程沿线经过献县泛区，产生洪水影响，对其进行洪水影响评价是必要的。

(2)现状及规划两种防洪工程条件下，输电线路改造工程不会影响献县泛区的行洪、缓洪运用，也不会对滞洪区内大的流势、流态造成影响。

(3)运用经验证明，本次输电线路改造设计中使用MIKE 21数学模型，分析不同工况下防洪影响评估的相关问题结果可信，方法分析合理。为建设项目对蓄滞洪区影响提供了可靠数据支撑，为蓄滞洪区安全运行提供了保障。