基于MIKE11 模型的淮河息县段水文模拟分析

邬旭东，查亮，扶清成

（淮河水利委员会水利水电工程技术研究中心，安徽 蚌埠 233001）

0 引言

淮河干流除关店圩区修建有土质围堤以外，息县引水枢纽上下游修建有部分挡墙式护岸，淮河干流息县段其余河段两岸无堤防，平时河槽内水浅流缓，遇大洪水则漫滩行洪。1954 年、1968 年（历史最大洪水）、1991 年、2005 年等年份的大洪水，均给息县县城以及支流乡镇造成严重的洪灾损失，制约了当地社会经济的可持续发展。利用DHI MIKE11软件构建淮河息县段河道一维水动力学模型，根据洪水实测资料对模型进行率定，并利用验证后的模型模拟淮河息县段大洪水演进，可为类似防洪规划编制、洪水预报等提供技术参考。

1 息县境内淮河水系及防洪形势

淮河流经息县境内长71.6km，息县境内河槽基本呈U 型，息县境内河流均属淮河水系，县域内河流有淮河干流及南北岸支流。淮河北岸一级支流有清水河、澺河、泥河、闾河等，南岸支流主要有竹竿河、寨河等；除淮河干流外，均为雨源型河道。息县境内河网概化图如图1 所示。

图1 息县境内河网概化图

淮河息县段未建成可靠的防洪工程体系，大部分河段为天然河道状态，河槽下切，河道较为散乱。防洪工程建设滞后，基本没有永久性防洪工程，遇到大洪水很容易出险，给防洪安全带来了较大隐患。

现状条件下，淮北支流虽然经过多次治理，但治理的工程措施主要为河道疏浚和清淤，或者修建土质堤防。现有工程建设年代较早，经过多年运行，两岸土质岸坡滑塌，河道淤积严重。同时，由于支流大部分河段边坡高程较低，极易造成洪水漫溢，淹没两岸农田。淮河干流及支流暴雨集中，降雨量大，洪水发生频繁。

2 DHI MIKE11 模型构建

MIKE11 软件是丹麦水资源及水环境研究所（DHI）的一款应用成熟的商业产品。MIKE11 软件广泛地应用于河口、河网的水位、流量、水量模拟，适用于复杂河道、不同洪水流态下的水力计算。MIKE11 水动力模型的基本原理是圣维南方程组，其表达式如下：

式中：A 为过水断面面积，m；t 为时间，s；Q为流量，m³/s；g 为重力加速度，m/s²；h 为水位，m；C 为谢才阻力系数；R 为过水断面的水力半径，m；q 为单位设计流程上的侧向出流量，m³/s。

方程组利用Abbott-Lonescu 六点隐式有限差分格式求解，该格式在每一个网格点不是同时计算水位和流量，而是按照顺序交替计算水位或流量，分别称为h 和Q 点。Abbott-Lonescu 格式具有稳定性好、计算精度高的特点。离散后的线性方程组用追赶法求解。

2.1 断面设置

淮河干流从入息县境处开始每隔1km 布设一个断面。清水河、竹竿河、澺河、泥河、寨河、闾河等一级支流除在汇入淮河干流处布设断面以外，在有乡镇村庄等防洪对象处布设相应数量的典型断面。

2.2 边界条件及参数设置

边界条件设置原则均满足上游（入流）流量边界，下游（出流）水位边界条件。为了使模型能够平稳启动，模型内河道初始水深设为1m，时间步长为0.1s。

2.3 糙率取值及验证

计算河段由息县水文站实测资料，河道糙率以息县水文站实测糙率和我国《天然河道、滩地糙率参考表》及附近已建工程的糙率取值综合确定。计算河段均为平原型河道，河槽基本无草树，河岸较陡，河道较为清洁、弯曲，存在少许淤滩和潭坑。淮河干流河道内以中粗砂和重粉质壤土为主，主槽取0.025。洪水上滩后，滩地以农田和小灌木为主，滩地糙率取0.050，综合糙率选取0.030～0.045。

息县水文站、息县引水枢纽断面处的水位流量关系图见图2～图3。

图2 淮河干流息县水文站断面水位流量关系曲线图

图3 息县引水枢纽断面水位流量关系曲线图

模型计算结果表明，息县水文站处水文流量关系与近年实测值及变化趋势吻合良好，误差较小，趋势较为接近。息县引水枢纽处水位流量关系与引水枢纽各特征水位吻合极好，误差较小。模型计算结果总体上是合理的，基本能正确模拟该河段的洪水过程，可以利用模型进行下一步的计算分析。

3 水文模拟

3.1 淮河干流水面线推求

根据已经率定的数学模型及模型参数，分别计算淮河干流10 年一遇、30 年一遇的水面线。10 年一遇、30 年一遇淮河干流不同频率洪水来源于表1推荐的出山店水库影响后计算河段的设计洪水值。淮河干流10 年一遇、30 年一遇的水面线与左、右岸高程对比见图4、图5。

表1 计算河段不同断面不同频率设计洪水调洪演算成果表（m3/s）

图4 淮河干流10 年一遇计算水面线与左、右岸高程对比图

图5 淮河干流30 年一遇计算水面线与左、右岸高程对比图

由图4、图5 可知，淮河干流遭遇10 年一遇设计洪水时，大部分河段水位低于现状堤防左、右岸高程，可以保证堤防安全；部分河段水位高于左岸或右岸高程，不能保证堤防安全。淮河干流遭遇30年一遇设计洪水时，河段水位均高于现状堤防左、右岸高程，不能保证堤防安全。

3.2 回水影响范围推求

根据淮河干支流洪水遭遇、支流洪水受淮河干流顶托严重的基本特性，对各支流入淮河段计算了回水水面线。遭遇干流洪水频率为10 年一遇，回水影响范围以回水线不高于同频率天然洪水水面线0.3m 范围内的断面确定。计算结果见图6。

图6 各支流入淮回水影响范围图

由图6 可知，各支流回水影响高度与回水影响限值0.3m 相交点的横坐标即为各支流回水影响范围。回水影响范围为：清水河3.389km，澺河7.276km，泥河8.715km，闾河4.778km。

4 结语

（1）淮河息县段自2005 年发生大洪水至今未发生大洪水，期间息县社会经济发展迅速，河道内各类生产活动、农田建设等非防洪建设项目迅速增加，使河床形态、河道断面等发生巨大变化，选用1968年典型大洪水作为流量边界条件，是对息县防洪工程体系的一次重大检验，可为以后息县防洪规划编制、洪水预报等提供技术支撑。

（2）采用DHI MIKE11 软件构建淮河息县段河道一维水动力学模型，并利用实测洪水资料进行率定和验证，利用已建一维河道水动力学模型，分析计算淮河干流遭遇10 年一遇、30 年一遇洪水的计算水面线与两岸高程关系，分析计算遭遇干流10 年一遇洪水，各支流入淮河段回水水面线的影响范围。结果表明：淮河干流遭遇10 年一遇设计洪水时，大部分河段水位低于现状堤防左、右岸高程，可以保证堤防安全，部分河段水位高于左岸或右岸高程，不能保证堤防安全；淮河干流遭遇30 年一遇时，河段水位均高于现状堤防左、右岸高程，不能保证堤防安全。回水影响范围：清水河3.389km，澺河7.276km，泥河8.715km，闾河4.778km。

（3）淮河息县段河道位于淮河上游，河道比降较大，本文所建数学模型未考虑河道冲淤对水位的影响，需结合实际工作对所建模型加以完善，为淮河息县段防洪提供更为准确的数据支撑■