基于MIKE FLOOD模型的漫溢洪水演进研究

张 利

(辽宁省水利水电科学研究院， 辽宁 沈阳 110003)

基于MIKE FLOOD模型的漫溢洪水演进研究

张 利

(辽宁省水利水电科学研究院， 辽宁 沈阳 110003)

丹麦水力研究所开发的MIKE FLOOD模型是在国内外大量项目实践中发展起来的，在中国洪水计算领域得到广泛应用。本文以北沙河为研究对象，搭建了主河道一维和淹没区二维的侧向耦合模型，考虑了阻水建筑物及过水涵洞的影响，模拟漫溢洪水的演进过程。

MIKE FLOOD； 漫溢； 洪水演进

1 引 言

研究区域为沈阳市苏家屯区北沙河唐家台至长大铁路桥，河段长34km，洪水主要来源于上游山区洪水和区间平原排水，河道两岸现状无堤防。根据历史洪水调查和两岸地势分析，大洪水时，河道两岸地势低洼地段均有可能发生洪水漫溢，需要建立全河段的漫溢洪水模型。

MIKE FLOOD是丹麦水力研究所开发的一维和二维动态耦合洪水模拟软件[1]，为河流与洪泛区、海洋与内陆水道(海湾、内陆湖)之间提供了有效的动态连接方式，能够很好地模拟溃堤、漫溢洪水，有很高的灵活性和模拟精度。该软件已在丹麦、埃及、澳洲等国家和地区应用多年，在国内的长江实时洪水预报系统、上海苏州河治理、淮河流域水质管理与应用等大型项目中也得到了广泛应用，已纳入全国重点地区洪水风险图编制项目系列软件名录。

2 洪水演进模型的建立

2.1 模型基本原理

一维MIKE 11水动力学模型为眀渠非稳定流隐式有限差分格式模型，采用圣维南方程组，数值计算采用传统的“追赶法”。离散方法采用六点隐式差分格式(Abbott格式)，在每一个网格节点不同时计算水位和流量，按顺序交替计算水位和流量，分别称为h点和Q点(见图1)。

图1 Abott 格式水位点、流量点交替布置

二维模型采用MIKE 21中的FM模块，为非结构化网格。模型依据描述平面水流运动的二维非恒定流方程组，共包括三个方程：水流连续性方程、水流沿x方向的动量方程、水流沿y方向的动量方程，形式如下:

式中h——水深；

ζ——水面高程；

p、q——x、y方向单宽流量；

C——谢才系数；

g——重力加速度；

f——风摩擦系数；

V、Vx、Vy——风速及在x、y方向分量；

Ω——柯氏力参数；

Pa——大气压强；

ρω——水密度；

S、Six、Siy——源汇项及在x、y方向分量；

τxx、τxy、τyy——有效剪切力分量。

MIKE FLOOD 模型耦合连接一维、二维模块计算，可实现侧向连接(见图2)，当河道水位高于二维地形高程即开始漫溢，漫溢型式为侧堰。

图2 MIKEFLOOD侧向连接示意图

2.2 边界条件及网格划分

建立主河道一维模型和淹没区二维模型，河道两侧二维网格采用侧向与一维河道模型连接[2-4]，连接范围为唐家台至长大铁路桥。

一维模型上边界取唐家台断面流量过程，区间入流采用分布式点源方式加入，为消除起点水位对水面线计算的影响，一维模型下边界取研究河段下游10km自然断面的水位流量关系，中间每隔1～1.5km布置一个断面(见图3)；二维模型闭边界根据地形、路网高程值并结合现场查勘确定，以沈阳四环快速路、沈丹铁路及丹阜高速公路为边界，其他无明显阻隔的区域根据一维水面线计算结果与地形高程确定边界(见图4)。

图3 一维模型控制断面位置示意图

图4 二维模型边界示意图

二维模型网格剖分以二维计算范围作为边界约束，以道路、河流等作为内部约束，以北沙河边滩为界将网格划分为左、右岸两部分，并沿主要阻水道路进行网格剖分。模型区域面积251.4km2，平均网格面积0.0064km2，总计39117个不规则三角形网格。不规则网格对复杂地形的适应性好，网格的边可以沿着阻水建筑物，地形概化接近实际(见图5)。

图5 二维模型网格及主要道路示意图

2.3 特殊问题处理

对洪水分析有较大影响的跨河桥梁、拦河建筑物在洪水计算中作为计算节点进行处理。阻水道路、过水涵洞等建筑物在二维地形模型中按照实际高程概化处理。

2.4 参数选取

河道参数率定比较困难，河段内没有洪痕和水文站实测流量过程线，主要参考已有规划成果并结合现场查勘和专家咨询确定。经分析，北沙河陈相屯以上为单一U形河槽，糙率取0.025～0.032，陈相屯以下河道为复式河槽，主河槽糙率取0.03，滩地取0.08～0.1。

二维模型糙率以土地利用类型图层为基础，参考省内已有成果，按照树丛、居民地、农田等不同类型，赋予网格相应的糙率，其中居民地取0.07～0.12，树丛取0.065，旱田取0.06，水田取0.05，空地取0.035。

3 模拟结果分析

3.1 洪水演进过程

北沙河河段河道两岸地势较高，现状防洪标准20年一遇，超标准洪水50年一遇。经计算，20年一遇洪水时，洪水漫溢范围较小，仅集中在沿河500m范围内的部分村庄。故主要介绍50年一遇洪水结果，模拟时长为72h(见图6)。

图6 不同时刻漫溢演进过程示意图

3.2 合理性分析

以50年一遇洪水成果为例，长大铁路桥上游左岸淹没范围最大，淹没面积2.1km2，最大水深2.62m，洪水漫溢后，沿长大铁路桥流向南侧低洼地带，在长大铁路桥与苏长线公路交叉处，水流沿公路穿过长大铁路桥，继续向西南低洼地区漫延。一方面淹没情况与预案比较吻合，另一方面，模型在苏长线与长大铁路桥交叉涵洞的洪水演进过程比较符合实际情况(见图7、图8)。

图7 防洪预案风险区域与模型计算对比

图8 长大铁路桥与苏长线公路交叉涵洞与模型概化

4 结 语

针对缺乏实测资料的北沙河河道，利用MIKE FLOOD一维、二维耦合漫溢洪水模型，河道两岸均以侧堰型式实现34km的大尺度耦合连接，成功模拟计算了漫溢洪水演进过程。经过多方面对比分析，保证了模拟结果的科学性。研究成果可为河道防汛、土地利用规划等提供技术依据，也可为其他河道漫溢模型搭建提供参考。

[1] 刘冀,李伟,张弛,等.碧流河水库下游河道行洪能力及洪水淹没模拟[J].中国农村水利水电,2008(2):22-25.

[2] 王智勇,陈永灿,朱德军,等.一维—二维水动力耦合的河湖系统整体水动力模型[J].水科学进展,2011,22(4):516-522.

[3] 张防修,韩龙喜,王明,等.主槽一维和滩地二维侧向耦合洪水演进模型[J].水科学进展,2014,25(4):560-566.

[4] 赖锡军,汪德爟.非恒定流的一维、二维耦合数值模拟[J].水利水运工程学报,2002,6(2):48-51

Research on overflowing flood routing based on MIKE FLOOD model

ZHANG Li

(LiaoningResearchInstituteofWaterResourcesandHydropower,Shenyang110003,China)

MIKE FLOOD model developed by Danish Water Resources Institute is developed in a lot of domestic and foreign projects. It is applied widely in the field of flood calculation in China. In the paper, Beisha River is adopted as a research object to establish a lateral coupling model of main river channel one-dimension and submerged area two-dimension. The influence of water-resistant building and water culvert are considered for simulating the overflowing flood routing process.

MIKE FLOOD; overflowing; flood routing

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.02.013

TV122

A

1005-4774(2017)02- 0050- 05