MIKE耦合模型在内河航道水面线计算中的应用

摘 要：【目的】在航道水面线计算过程中，常常会有水闸等水工建筑物对水产生不可忽略的阻碍作用。为研究含有水工建筑物的耦合模型在航道水面线计算中的适用性及准确性，以汝河为例，建立数学模型对河道典型工况进行研究。【方法】通过实测河道横断面，创新性地建立闸位处地形的一、二维河道耦合模型，并在模型率定后进行水面线计算分析。【结果】分析闸位处的流场分布情况可知，模拟结果能够体现水闸结构对过闸水流的阻碍作用，从而影响闸前闸后的水位变化。【结论】一、二维河道耦合模型结果率定和适用性较好，该方法的应用为含有水工建筑物的水面线计算提供了参考。

关键词：水面线；水工建筑物；一、二维耦合模型

中图分类号：U617 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）17-0037-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.17.008

Application of MIKE Coupled Modeling in Water Surface Profiles

Calculation of Inland Waterway

ZHANG Huijie 1 ZHOU Ang 2

（1.Henan Zhongong Design & Research Group Co.， Ltd.， Zhengzhou 451460， China; 2.North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046， China）

Abstract： [Purposes] During the process of deducing water surface profiles in inland waterways， hydraulic structures such as sluices often significantly impede water flow. This study aims to investigate the applicability and accuracy of one-and two-dimensional coupling models incorporating hydraulic structures in solving water surface profile calculations for inland waterways. Using the Ru River as a case study， mathematical models are established to examine typical channel conditions. [Methods] Measured cross-sections of the river and innovative terrain modeling at sluice locations are utilized to develop one-and two-dimensional coupling models of the river channel. After calibrating the models， water surface profile calculations are performed for analysis. [Findings] Analysis of the flow field distribution at sluice locations indicates that the simulation results accurately reflect the obstructive effects of hydraulic structures on water flow through the sluices， thereby affecting water level changes upstream and downstream of the sluices.[Conclusions] The results of the one-and two-dimensional coupling models demonstrate satisfactory calibration and applicability. The application of this method provides reference for computing water surface profiles containing hydraulic structures.

Keywords： water suffer profiles; hydraulic structures; one-and two-dimensional coupling models

0 引言

水面线的计算在水利行业各方面均有所体现，例如内河航道最高通航水位、最低通航水位，防洪影响评价，水闸、船闸设计，以及河道整治等方面。因此，水面线计算方法的科学性与结果的准确性至关重要。

近些年来，随着计算机技术的迅速发展，与水利相关的商业软件层出不穷，并且在水面线计算过程中得到了广泛应用。相关学者运用HEC-RAS软件分别建立了分叉河段［1］、平原—山丘复合型河道［2］及黄河［3］等不同河道特征的一维模型进行水面线计算，发现HEC-RAS软件模拟分叉河段适用性较好，平原、山丘划分开的一维模型结果更准确。刘璐等［4］利用MIKE11软件构建小清河河道模型，分析了末端起推潮位对水面线计算的影响；刘晗等［5］利用MIKE11软件建立水动力与坡面降雨径流耦合模型，以模拟河道洪水演进过程；初祁等［6］采用MIKE11与MIKE21耦合模型建立城市暴雨模型，分析了城市淹没特性以及洪涝危害情况。通过上述分析可知MIKE软件的应用更广泛，适用性更强。

在以往的研究中，计算水面线大多通过建立一维模型进行模拟，但是内河航道中的船闸、水闸、桥墩等水工建筑物会产生壅水，过水断面收缩产生局部水头损失，口门区产生回水等现象影响着水面线的分布。基于以上分析，MIKE11与MIKE21耦合模型广泛应用于城市暴雨模拟，本研究以汝河河坞大闸区域为例，创新性地将内河航道水闸等区域构建成二维模型，其余部分构建为一维模型，二者耦合进行水面线计算。这种建模方式既能够精准体现船闸、水闸等水工建筑物的特性，又能够提高计算效率和计算结果的准确性。本研究以汝河河坞大闸区域为例，采用MIKE耦合模型计算汝河的各特征流量水面线，为航道特征水面线的计算提供科学依据。

1 研究区域概况

1.1 河流概况

汝河是洪汝河在班台闸以上划分的南支部分，河流长度223 km，流域面积7 390 km2。汝河流经河南省驻马店市的泌阳、遂平、汝南、上蔡、正阳、平舆、新蔡等县和驿城区，在新蔡县班台闸与小洪河汇流后入大洪河［7］。

汝河在板桥水库以上、支流臻头河薄山水库以上为山区，最高峰五峰山海拔为872 m，蜡烛子山海拔为844 m，千年岭海拔为729 m，山地坡面比降为1/10。板桥、薄山至宿鸭湖区间是由山区向平原过渡地带，山区、丘陵区和平原区分别占区间面积的25%、40%和35%，丘陵地区地面比降在1/100左右，平原地区一般为1/800～1/300。宿鸭湖以上汝河板桥以下河底比降为1/1 500～1/1000，向下逐渐变缓，下段为1/6 000～1/3 000，接近宿鸭湖长约10 km河段河底比降接近于零。臻头河薄山以下比降为1/1 800～1/1 200，到下段逐渐变为1/10 000～1/2 500。宿鸭湖以下地势更为平坦。

1.2 航道现状

汝河位于淮河北岸，深入大别山革命老区腹地，一直以来都是豫南地区重要的水路运输通道，航运历史悠久。在20世纪50年代，汝河航道可以通航至西平、遂平，并与京广铁路实现水陆转运；直至20世纪80年代，汝河航道仍然是河南省通往华东地区的一条重要的水运通道；在20世纪90年代中后期，由于船舶大型化发展以及河道综合治理时对水资源的综合利用重视不足，致使航道通航能力不足。

1.3 工程概况

本文选取汝河汇合口为研究河段下游，桩号为K91+855；上游起点为曹埠，桩号为K69+300。研究河段长度为22.56 km，其中K5+000～K6+000为河坞大闸所在地，河坞大闸按20 a一遇洪水标准设计，50 a一遇洪水标准校核。河坞大闸的节制闸为8孔，每孔净宽10 m，闸室总宽96.06 m。节制闸20 a一遇设计流量为2 300 m3/s，50 a一遇设计流量为3 200 m3/s。

河坞大闸是控泄工程，影响着航道的过流能力以及沿程水面线分布。因此，在计算水面线时水闸是不可忽略的节点建筑物。

2 研究区域与方法

本研究对2018年测量的相邻断面间距为100 m河道断面建立一维数值模型。其中K5+000～K6+000为河坞节制闸所在地，根据实测地形建立节制闸的二维模型，如图1所示。将一、二维模型标准连接后进行耦合设置，如图2所示。

其中一维模型的计算公式具体为连续方程见式（1），动量方程见式（2）［8］。

[∂A∂t+∂Q∂x=q] （1）

[∂Q∂t+∂∂xQ2A+gA∂ℎ∂x+gQC2QAR=0] （2）

以上式中：A为河道过水面积；Q为流量；t为时间；x为与水流方向一致的横坐标；q为河道的侧向来流量；g为重力加速度；h为水位。

二维模型的计算公式具体见式（3）至式（5）［9］。

[∂ℎ∂t+∂ℎu∂x+∂ℎv∂y=ℎS] （3）

[∂ℎu∂t+∂ℎu2∂x+∂ℎvu∂y=fvℎ−gℎ∂η∂x−ℎρ0∂Pa∂x−gℎ22ρ0∂ρ∂x+τsxρ0−τbxρ0−1ρ∂Sxx∂x+∂Sxy∂x+∂∂xℎTxx+∂∂xℎTxy+ℎusS] （4）

[∂ℎv∂t+∂ℎuv∂x+∂ℎv2∂y=−fuℎ−gℎ∂η∂y−ℎρ0∂Pa∂y−gℎ22ρ0∂ρ∂y+τsyρ0−τbyρ0−1ρ0∂Syx∂y+∂Syy∂x+∂∂xℎTxy+∂∂yℎTyy+ℎvsS] （5）

以上式中：[η]为水位；[ℎ]为静止水深；[u]、[v]为x、y方向上的分量；[Pa]为大气压；[ρ]为水的密度；[ρ0]为参考水密度；[f]为Coriolis力参数；[Sxx]、[Sxy]、[Syx]、[Syy]为辐射应力分量；[Txx]、[Txy]、[Tyx]、[Tyy]为水平黏滞应力；[τsx]、[τsy]、[τbx]、[τby]为有效切应力分量；[S]为源项；（[us]，[vs]）为源汇项流速；[u]、[v]为沿水深平均流速。

3 模型设置及率定

3.1 模型设置

班台站5 a一遇除涝水位为33.39 m，曹埠除涝流量为1 550 m3/s；20 a一遇防洪水位为35.69 m，曹埠20 a一遇洪水流量为2 290 m3/s。本研究将除涝流量对应的工况作为模型率定工况，其对应的水位作为率定水位，见表1。

3.2 模型率定

本研究将耦合模型计算的除涝流量对应水面线与实际水面线进行对比，得出模型主槽糙率为0.025，滩地糙率为0.035。率定值与设计值最大差值为0.05 m，模拟结果可靠，模型水面线率定成果如图3所示，通过河坞大闸二维局部流场如图4所示。由图4可知，上游水流经过河坞大闸闸墩时过水断面收缩，闸墩处流速增大；当经过闸室到达下游时过水断面增大，左、右岸形成回流。

4 工况设置及结果分析

4.1 工况设置

河坞大闸按20 a一遇洪水标准设计，因此在该河段新设计的水工建筑物的防洪标准为20 a，因此本次计算的工况为20 a一遇洪水上游流量为2 290 m3/s，20 a一遇洪水下游水位为35.69 m。

4.2 结果分析

本文计算了5 a一遇和20 a一遇洪水的河段水面线，如图5所示。通过对比分析可知，20 a一遇洪水的河段水面线与5 a一遇洪水的河段水面线基本平行，沿程相同位置处水位相差约2.3 m，进一步证明MIKE软件一、二维模型耦合计算的可行性与准确性。

5 结论

①MIKE软件一、二维耦合模型通过率定后，能够较为准确地进行航道的水面线计算并且具有较为广泛的适用性。

②水流流经闸墩时，过水断面收缩流速增大；流经闸墩下游时过水断面增大，流速减小，产生回流。表明该耦合模型能够准确体现水闸等水工建筑物对水流的阻水等影响。

③模拟结果可以为河段内的水工建筑物设计提供水位参考，使得建设标准与航道相适应，且行洪不受影响。

参考文献：

［1］杨雯，陈婷婷，孙利敏.HEC-RAS模型在分汊河道设计最低通航水位推求中的应用［J］.水运工程，2023（S1）：91-94，155.

［2］宋永嘉，王达桦.HEC-RAS模型在小流域山丘、平原复合型河道水面线推求应用与研究［J］.中国农村水利水电，2020（3）：146-149.

［3］吴凌波，祁永升.黄河兰州城区段航道设计通航水位分析［J］.水运工程，2023（9）：119-125.

［4］刘璐，李一鸣，张涛.起推潮位对小清河水面线计算的影响分析［J］.山东水利，2023（3）：71-73.

［5］刘晗，王坤，候云寒，等.基于MIKE11的山丘区小流域洪水演进模拟与分析［J］.中国农村水利水电，2019（1）：63-69，82.

［6］初祁，彭定志，徐宗学，等.基于MIKE 11和MIKE 21的城市暴雨洪涝灾害风险分析［J］.北京师范大学学报（自然科学版），2014，50（5）：446-451.

［7］刘祎茹.建设汝河橡胶坝打造遂平新区滨河城市［J］.河南水利与南水北调，2013（15）：48-49.

［8］蒋楠，高成.基于MIKE和HEC-RAS模型模拟锦江水面线比较研究［J］.中国农村水利水电，2019（4）：26-30.

［9］于子铖，韩会玲，赵进勇，等.MIKE21与HEC-RAS在水面线推求中的应用［J］.河北水利电力学院学报，2019（4）：1-7.

收稿日期：2024-02-20

作者简介：张会杰（1994—），男，硕士，助理工程师，研究方向：内河航道一、二维水动力数值模拟。