基于MIKE软件的青龙河洪水演进数值模拟

潘薪宇，张洪雨

(哈尔滨工程大学，哈尔滨 150001)

科技成果

基于MIKE软件的青龙河洪水演进数值模拟

潘薪宇，张洪雨

(哈尔滨工程大学，哈尔滨 150001)

青龙莲花河位于三江平原东北部，流域面积2825km2，其中低洼面积为1007km2，其防洪治洪水、涝灾意义重大。文章根据河道的防洪和洪水波传播的不同特点，使用一维数值模拟的流体动力学方程，建立洪水演进数值模型，分析了改造工程后河道在各种频率的设计洪水下的排洪能力。

水动力；数值模拟； MIKE11；MIKE VIEW；泄流能力

1 区域概况

青龙莲花河流域位于三江平原的东北部，总面积2825km2。河流流域中山丘区面积大约为126km2，平原区的面积为1692km2，低洼地的面积为1007km2。

2 青龙河一维水动力模型建立

2.1 MIKE11模型简介

由丹麦的水力学研究所生产的MIKE一系列软件，这种软件通常能够模拟很多水流问题，MIKE11属于一维模型应用软件，能够解决河流、河岸、多河流体系等环境问题 。在模型运行之前，主要设置时间序列文件，然后还有模型功能设置文件、河流网络文件、河网断面文件、边界参数文件等。在模型正常运算之后，需要对结果进行数据图形分析，对于输出的模型结果需要使用特殊的软件模块进行操作分析。这款独特的工具就是MIKE VIEW。

2.2 青龙河下游部分河网概化

根据青龙河河道整顿工程所提供的相关资料，一维水动力数值模拟区域从北干总渠桩号24+570m处至青龙河道结尾处桩号54+010m处，这一处主要为青龙河支流莲花河，包括青三干，青四干，青五干，青六干支流，河道上建有节制闸等水工建筑物。

本次研究的目标莲花青龙河规划是青龙山灌区引黑龙江水灌溉工程的主要组成部分。其中青龙河灌渠是该工程的主要引水干渠。该设计引水干渠是在原有青龙河河槽的基础上开挖而成。根据设计规划方案，该引水干渠沿程存在多个引水支渠，以对灌渠内各分区进行水资源的合理配置。根据青龙河河道整顿工程的设计方案，青龙河总干渠上的若干引水支渠数据如表1所示。

表1 青龙河总干渠沿程引水支渠资料汇总表

在MIKE11模型中对各个引水支渠进行概化处理，使用模型中的点源来模拟各个支渠的取水状况。

本文主要进行青龙河下游洪水演进数值模拟，下游几个支流由于缺少支流断面数据，简化为点源汇入河道。

2.3 青龙河断面概化

根据原始的所有青龙河断面资料也就是原始CAD图形，测量计算出各个断面数据总计模型概化了61个河流断面。断面数据是通过现有CAD图纸测量计算得到的。所有断面数据都是工程开挖河道过后得到的断面数据，本文主要研究开挖河道之后洪水对下游区域的主要影响[1]。

2.4 模型设置参数

2.4.1 模型边界条件

上游边界条件根据实测条件直接输入。青龙河尾端为单向流动边界，根据测量所得的下游端点断面数据通过曼宁公式计算能够得到的水位～流量值做成曲线同见图1。

图1 下游边界终点Q～H关系图

2.4.2 糙率设定

由于青龙河河道整顿工程中规定青龙河引水干渠里程为24+570m至54+010m的糙率M=40。作为模型验证，此次测试中模型各个里程段的河道糙率设置为M=40，已验证模型符合设计要求的各个水力要素。

2.5 模型验证

建立青龙河总干渠MIKE11一维水动力模型，初始条件设置为水深0.1m，模拟的时间步长为30s。模型糙率按照上文中所示设置。模型的运算时间为1个月。当模型运算时间为209h，模型中各项水利要素趋于稳定。提取这时刻的运算结果作为模型的验证数据。模型的模拟得到每个断面的水位过程曲线。如图2所示。

图2 青龙河沿程设计水位演示

对模拟的水深结果进行分析研究，整个趋势与青龙河河道整顿工程中设计方案的水面线基本吻合，如表2设计水深与模拟平均水深比较所示。

表2 设计水深与模拟平均水深比较

对模拟的流量结果进行分析研究，整个趋势与青龙河河道整顿工程中设计方案的流量完全吻合，设计流量与模拟平均流量比较，见表3。

表3 设计流量与模拟平均流量比较

对模拟的流速结果进行分析研究，整个趋势与青龙河河道整顿工程中设计方案的流速基本吻合，设计流速与模拟平均流速比较见表4。

表4 设计流速与模拟平均流速比较

从模型总体验证结果来看，在断面改造过后、设计糙率M=40的情况下，模型的流量、水深及流速模拟结果接近青龙河河道整顿工程的设计值。说明使用模型对河道开挖后的防洪能力分析具有现实意义。

3 莲花青龙河不同工况下的防洪能力分析

模型模拟了3种工况下洪水演进过程，下面对演进结果进行分析。在青龙河主干渠及青三干、青四干、青五干、青六干、青七干分别同时遭遇50a，20a和10a一遇的洪水时，建立相应的洪水入流边界。详见表5。

表4 青龙河干渠在3种频率设计洪水下水位达到最高点时水深汇总表

从表5中可以看出青龙河在经历频率P=2%的洪水时各个断面的水深部分高出设计水深，模拟水深高于设计水深较明显的情况出现在49180m至51570m的桩号段，模拟水深高出设计水深0.57m。各个河流段的模拟水深平均超出设计水深约0.4m。在经历3个频率的洪水时各个断面的水深部分低于设计水深，但部分河段还是出现洪水漫堤的状况。在经历频率P=10%的洪水时各个断面的水深部分低于设计水深。基本没出现漫堤现象。

MIKE11可以计算出的青龙河水面线结果并可以动态演示。图3为青龙河干渠在3个频率工况下水位达到最高点时水面线展示图。可以看出频率P=2%时青龙河干渠右岸在洪水水位达到最高时刻25250～27015m、30230～39500m、40990～41980m处出现漫堤现象，青龙河干渠左岸在洪水水位达到最高时刻2457026620m、28110～30230m处出现漫堤现象。

在P=5%时青龙河干渠右岸在洪水水位达到最高时刻26150m、31650～32170m、35730m处出现漫堤现象，青龙河干渠左岸在洪水水位达到最高时刻24570～25250m、26150m、29670m处出现漫堤现象。但漫堤情况比P=2%工况的漫堤有明显改善。在P=10%时青龙河干渠右岸在洪水水位达到最高时刻基本没有出现漫堤现象。

图3 青龙河干渠在3种频率的设计洪水下最高水位图

从图3的分析中可以看出在河道里程处35730m的断面的右岸高程明显比水位要低，这个位置在整条河道中防洪能力相对较弱，本文将提取这一断面的水位变化结果作为防洪能力分析。

图4显示在P=2%时岸堤高程最低35730m的断面水位大部分时间都在左岸岸堤高程以下，在模拟的4393h的时间段内，有576h的水位比右岸岸堤高程高。最高水位达到53.85m，比右岸岸堤高程52.27m高出1.58m。遭遇P=5%的设计洪水时，在模拟的4393h的时间段内，有332h的水位比右岸岸堤高程高。最高水位达到53.18m，比右岸岸堤高程52.27m高出0.91m。青龙河断面35730m的防洪形势任然比较严峻，建议在此河段加高右岸岸堤。在遭遇P=10%的设计洪水时，岸堤高程最低35730m的断面水位全部时间都在左岸岸堤高程以下。在P=10%下的青龙河断面35730m不存在漫堤现象。

图4 青龙河桩号35730m处的水位变化曲线图

4 结 语

本文对青龙河主干渠下游建立了MIKE11数值模型，分别对频率P=2%，5%，10%的情况下进行洪水演进数值模拟，得到在这3种工况下各个断面的流量，水位等水文信息，验证在对河道进行开挖改造后洪水来临时是否能应对极端洪水灾害。

水动力模型对于河道的断面资料完整度的要求比较高，而在本工程中有些断面的设计值并不是完全合理，如35730m处右岸较低，造成水面的溢流。一维水动力模型在调节参数时主要需要调节的是河床糙率系数，而在实际的调节过程中，河床糙率系数对模型计算结果的精确度的影响不是很敏感，猜测这可能是由于断面资料不全，并且在计算中也都忽略了蒸发、渗漏等自然因素的影响。

根据验证，在10a一遇的工况下，河道完全没有漫堤现象，而对于更加极端的洪水，大部分情况下，对于某些断面右岸都有明显的漫堤现象，所以建议要在上文中提到的几个断面加高右堤保证洪水顺利通过。在青龙河主干渠及青三干、青四干、青五干、青六干、青七干均遭遇极端洪水时，35730m处都会有漫堤现象，建议在此河段加高右岸岸堤。

[1]周雪漪.计算水力学[M].北京：清华大学出版社，1994.

1007-7596(2014)01-0001-03

2014-01-15

潘薪宇(1988-)，女，黑龙江绥化人，在读研究生；张洪雨(1957-)，男，黑龙江齐齐哈尔人，教授，博导，曾获中船总科技进步三等奖，黑龙江省科技进步三等奖。

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