基于MIKE 11法对现状堤防防洪能力研究

2016-02-06刘跃猛

黑龙江水利科技 2016年11期

关键词：主槽海城糙率

刘跃猛

(海城市河务管理处，辽宁海城 114200)

基于MIKE 11法对现状堤防防洪能力研究

刘跃猛

(海城市河务管理处，辽宁海城 114200)

MIKE11以求解圣维南方程组作为理论基础，包含了众多的水文模拟方法，是动态模拟河流和水道水力的世界级标准，具有无限的河流模拟能力，它是国际多个国家模拟河流使用验证的标准工具，文章对现状河堤防防洪能力分析的方式、方法进行论述，研究结果将为MIKE11在河道中现状防洪等问题提供参考借鉴。

MIKE11；防洪能力；分析；河流模拟；工具

1 研究情况

Mike一维洪水演进主要是应用海城河河道断面，建立完整的河网模型，输入水文资料，确定边界条件，进行海城河水面线的推求。模型结构见图1。以海城河东三道桥至高铁桥段，以此为例进行研究讨论。

2 模型建立

2.1 河网文件

生成河网文件有两种方法，①利用DEM数据；②利用BMP地图进行数字化。海城河河网文件如图2。

图1 基本资料与MIKE 11文件关系图

2.2 断面文件

将某年实测断面数据(河道各断面x，z数据)转换为MIKE 11需要的文档格式，导入断面文件，见图3。

图3 海城河断面文件

其中各断面里程从CAD图中计算得出，起始点东三道明水桥，桩号为22+527。海城河断面多为复式断面，呈阶梯型形，主槽多位于河道的中心[2]。本次计算中，糙率根据实地勘测河道地形及组成确定。自东三道至东外环桥糙率系数n主槽选定为0.03，滩地为0.04，东外环桥至铁路桥之间，主槽糙率选定为0.025，滩地糙率定为0.065；铁路桥至高铁桥，主槽糙率选定为0.03，滩地糙率确定为0.065。

2.3 边界条件和时间序列文件

本次模拟区域下游高铁桥处，距离河口较远，该处水位随着流量的变化而变化，且无实时水文监测资料[3]，下游边界不宜设为Z(t)、Q(t)。

2.4 参数文件

本次计算中，糙率根据高分辨率卫星图片和多光谱实地勘测河道地形确定[4]。自东三道至东外环桥主槽糙率系数n选定为0.035，边滩糙率定为0.04；东外环至铁路桥之间河道经过几次整修已形成较为规整的堤防，糙率选定为0.025，滩地糙率定为0.065；铁路桥至高铁桥，该段内边滩多为树木和农作物，主槽糙率选定为0.03，边滩糙率系数选定为0.065[5]。

2.5 模拟文件

模拟文件共有5个菜单，下面就逐一介绍各个菜单的设定。

1)模型菜单。模型类型选择水动力模型，模拟方式选择非恒定流。

2)输入菜单。在这里可以引入刚才生成的所有文件：河网文件、断面文件、边界文件、HD参数文件，并且可以随时编辑这些文件。

3)模拟菜单。时间步长的确定经常要通过反复试算调整，与河床地形与边界条件密切相关，我们选择固定时间步长为30sec。

模拟的起始时刻和结束时刻要在边界条件设置的时间之内，不然模型无法起算。接下来选择初始条件设定。本次计算中。糙率在断面文件和参数文件中均进行了设立[6]。稳态和参数文件的选择并不能改变模型模拟的结果。计算中，我们采用稳态(steady state)进行模拟。

4)计算结果菜单。定义输出结果文件名和保存频率。在模拟菜单中计算时间步长为30sec，我们不需要这么密的计算值，0.5h一个结果已经足够，那么就可以定义保存频率为6个时间步长，即计算6个时间步长保存一次结果。这样可以减小结果文件大小。

5)开始菜单。进入Start菜单，准备开始计算。在验证状态框内都是绿灯时，就可以按Start键开始计算了；如有红灯，那么在下面的验证信息框内就会出现相应的出错信息，按照提示进行修改，直到出现绿灯。

计算运行时，有时会出现警告信息，但这些问题还不至于影响到模型的运行。若是出现错误信息，则会停止运行。按照错误信息的提示修改各文件，或是调节某个参数，直到模型成功运行到100%。这样模型就建立成功，只需要进行参数的率定验证了[7]。

2.6 模型验证

采用2002年海城水文站实测水文资料对模型进行检验。对比海城水文站，模型计算水位值与实测水位值见表1及图4。

表1 实测水位与MIKE11模拟水位结果表

图4 模拟水位与实测水位对比

分析表1及图4发现，模型模拟结果与实测结果吻合较好，两者最大差值为0.41m发生在洪水涨水期，在洪峰期，模拟值与实测值基本一致。计算实测-模拟相关系数，达到0.994，证明模型具有一定的准确性[8]。

3 模型推求洪水水面线

采用2002年作为典型洪水过程线，以水位-流量作为下游边界条件根据，利用mike11建立海城站一维洪水演进模型。

3.1 计算水面线

采用2011年实测断面，2002年典型年设计洪水为计算条件，模拟计算50a遇洪水水面线。在不靠考虑风浪影响的情况下，各频率设计洪水，模型计算水面线与左右岸堤防关系，如图5、6所示，海城河典型地段水面线计算成果见表2。

图5 50a一遇洪水水面线与左岸堤防对比

图6 50a一遇洪水水面线与右岸堤防对比

桩号位置模拟洪水水面线现状堤顶高程P=2%左岸右岸最深河底高程桥梁底部高程22+527东三道桥374385441316914+728东外环桥28428729233145+583二台子大桥2022522252310+000高速铁路桥16318751918858

3.2 漫溢险情分析

根据所绘制的河道行洪水面线，结合各个断面的左右岸堤防，可以确定河道的堤防淹没情况。遭遇50a一遇洪水时，15+605断面至11+611断面，除11+864断面右岸没有被淹没外，其余断面左右岸均有不同程度的漫堤；22+369、21+279、18+832、16+476、10+113、5+677和4+123断面的右岸也出现漫堤情况。遭遇20a一遇洪水时，14+663断面至11+611断面右岸漫堤，其中14+568和13+539断面轻微淹没；左岸漫堤的断面有18+832、12+539、14+663和11+968断面，13+539、5+677和4+123断面轻微淹没。发生10a一遇洪水时，14+663断面和12+539至11+611断面右岸有漫堤情况；左岸淹没的断面有18+832、12+539和11+968断面。

建立洪水演进模型对规划堤防进行防洪能力评价分析。在考虑风浪情况下，城区段分别采用100a一遇和50a一遇设计洪水水面线，与堤防进行对比。对比结果显示原规划堤防共有12处断面是由于左岸堤防过低发生漫溢情况；有1处断面是由于右岸堤防过低，发生漫溢险情、桩号为12+347和11+968断面两岸均发生了漫堤。

由于项目段主要位于在市区内，两岸用地都较为紧张，河道拓宽成本较高，难以实现。在河道重新规划过程中，主要采用加筑堤防，拓宽、清淤主槽增大河道过流能力等方式达到防洪要求。

综上所述，12+539至11+611断面右岸为主要漫堤线，应采取加高堤防或拓宽河道等规划措施。

3.3 桥梁的壅水分析

50a一遇桥梁壅水分析见图7。

图7 50a一遇洪水桥梁壅水分析

图7中蓝线为在有桥梁情况下，50a一遇设计洪水演进水面线；粉线为为有桥梁情况下，50a一遇设计洪水演进水面线。由于桥梁的壅水作用，整体上水位模拟结果包含桥梁的模型略高于未包含桥梁的模型。

3.4 典型河段流场分析

河道走势的变化，会导致水流方向的改变。而对于河流走势发生较大的堤段，由于水流的冲刷作用，往往会导致漫堤、甚至溃堤的可能。利用MIKE Zero中的Result Viewer工具，可以将模拟时间段河道内的流场变化呈现出来。以下示意图分别是遭遇50年一遇的洪水时，典型断面及河道转弯处的流场分布情况[9]。15+605断面流场分布见图8。