Mikell模块耦合模型在小流域防洪评价中的应用

才学工

(辽宁省观音阁水库管理局，辽宁 本溪 117100)

Mikell模块耦合模型在小流域防洪评价中的应用

才学工

(辽宁省观音阁水库管理局，辽宁 本溪 117100)

防洪评价是工程建设中的重要内容，直接关系到广大群众的生命财产安全。文章以辽宁省大连市庄河市崔家屯村地质灾害搬迁项目为研究对象，结合当地的气象水文资料，基于Mike11模块构建出小流域河流水动力模块(HD)和坡面降雨径流(NAM)耦合模型。通过模拟计算，分析了20 a一遇洪水对项目的影响，并提出了相应的应对举措。

Mikell；耦合模型；小流域防洪评价

1 研究区概况

根据《大连市人民政府关于加强地质灾害防治工作的实施意见》，将对庄河北部山区突发性地质灾害高发区的地质灾害实施调查，地质灾害危险区内的群众要进行搬迁避让。本次研究的小流域治理搬迁项目位于辽宁省大连市庄河市崔家屯村的北沟与头道沟交汇处。该项目所在的流域为蛤蜊河流域，流域总面积117.5 km2，其中平原面积约5.4 km2。蛤蜊河是大连市著名河流碧流河的重要支流，发源于辽南第二高山——老黑山，经步云山、桂云花两个乡流入碧流河，全长50多km，年均流量约1.58 亿m3[1]。北沟和头道沟都属于蛤蜊河水系，其中北沟全长14.7 km，头道沟全长2.54 km，沟道的平均纵坡为0.113。

研究区属于温带大陆性季风气候，年平均气温8.5 ℃，最高气温37.4 ℃，最低气温-36.8 ℃[2]。研究区位于黄海西岸的迎风坡上，降雨量比较充沛，属于大连市的多雨区之一，年平均降水量约1134 mm。由于主要降雨集中于夏季的7、8月份，且多短时强降雨，因此,产生突发性山洪的可能性较大，极易诱发地质灾害。

在2014年夏季暴雨灾害发生之后，大连市计划实施地质灾害高发区搬迁工程。本次搬迁工程涉及研究区内的5个自然村，有农户409户，1207人。项目计划三年完工，于2017年底基本完成搬迁任务。此次搬迁工程建设需要新增建设用地1.99 hm2，为搬迁村民建设标准化住宅。整个项目按沟道走向分为8个不同的建设地块。由于项目区位于庄河市洪水高发区，流域内在历史上曾多次遭受洪水袭击，因此，防洪影响评价极为重要。

2 Mikell耦合模型

2.1 河流水动力模型(HD)的原理与构建

Mikell模型中的河流水动力模块(HD)是一种非恒定流方程，这种一维明渠方程的理论基础是圣维南方程组[3]，主要由连续方程和动量方程组成，其数学表达式如下。

(1)连续方程：

(1)

(2)动量方程：

(2)

式中：Q为流量，m3/s；q为侧向入流，m3/s；t为时间，s；x为沿水流方向的距离，m；A为过水断面面积，m2；h为水位高度，m；α为动量修正系数；R为水力半径，m；C为谢才系数；g为重力加速度，m/s2。

河流水动力模块(HD)的建模需要河网文件、断面文件、边界文件、参数文件、模拟文件和时间序列文件等六个主要文件[4]。由于研究区属于小流域，不便于单一考虑，因此，在建模中要对沟道进行合理概化，生成能够显示所有断面及其相关水文信息的沟道文件。根据项目建设情况，汇总研究区各沟道基本参数，其中北沟长352.7 m，比降为0.112，下游直接汇入总沟；头道沟长330.6 m，比降为0.110，下游汇入总沟；总沟长1074.3 m，比降为0.109。研究中根据野外调查的相关信息，共设置17个断面，其中在北沟设置10个断面，在汇流后的总沟设置7个断面。依据《庄河市防洪规划报告》中的相关计算成果，结合研究区的地形图，可得其桩号1+540所对应17#断面为下游边界，沟道底部的高程为424.9 m，20 a一遇洪水位为427.01 m。参照相关经验[5]，本次研究中的初始流量定为0，糙率范围在0.025～0.030。

2.2 HD模块与NAM模块的耦合

Mikel1中的降雨径流模块包括众多模拟方法，其中最常用的是NAM模块。该模块可以通过对地表储水层、土壤储水层、积雪储水层以及地下水储水层分别模拟，从而获得更为准确的流域降水产汇流过程[6]。NAM模型的构建需要流域数据、气象数据和水文数据[7]，相关数据均由庄河市水利局的相关资料获得。大连地区的洪峰流量经验公式如下：

Q=KNmFn

(3)

式中：Q为洪峰流量，m3/s；K为综合系数，本次研究中取0.9；N为重现期，a；F为流域面积，km2；m、n为指数，取0.4和0.65。

基于研究区域的相关资料可以计算获得各沟道的流量，计算结果如表1所示。

表1 各沟道洪峰流量计算成果

在河网文件中填写流域信息和相关沟道的名称和位置，将北沟和头道沟以及总沟流域的NAM模型汇入水动力模型(HD)中，并利用Mikell模型中的RR模块进行模拟计算。

研究中对模型的主要参数糙率进行优化，以期获得更好的拟合效果，通过多次模拟计算结果与当地的水文资料对比，获得如表2所示的结果。从结果可知，当糙率为0.027时，模拟计算的误差在10%以内。因此，模型模拟结构较为准确，可以用于下一步研究。

表2 模型模拟与实测结果对比表

3 结果与分析

本次防洪评价利用Mikell水动力模型对17个预设断面的水位进行模拟计算，考虑到模型的计算稳定性要求，计算步长取0.1 s，最终获得的北沟以及汇流后的总沟17个断面在遭遇20 a一遇洪水袭击的情况下的水位值，具体结果如表3所示。

表3 20 a一遇洪水情况下各断面水位值

利用上述计算获得的各断面遭遇20 a一遇洪水袭击时的洪水位，与建设项目用地在各断面的最低高程进行比较，结果如表4所示。由表格中的数据可以看出，建设用地中的绝大部分位置都高于20 a一遇洪水位，基本不存在防洪隐患。但是14#断面对应的7号地块低于洪水位，出于安全考虑在建设过程中应该采取设置挡水墙等工程举措。结合当地的地形分析，项目区的部分道路和农田地势较低，在洪水侵袭时有被淹没的危险，应该注意防范。

表4 20 a一遇洪水位与建设用地高程对比表

4 结 语

基于Meik11模块构建了水动力与坡面降雨径流耦合模型，并对辽宁省大连市庄河市崔家屯村搬迁项目的防洪评价问题进行了分析。结果显示，除7号建设地块以外，其他建设用地在遭遇20 a一遇洪水侵袭时没有淹没危险。Meik11模型虽然在水利水文领域得到了广泛应用，但经常受到缺乏实测资料和成本因素的限制。本文的方法为模型的检验提供了一种新思路，对模型的广泛应用具有一定的帮助。从整体来看，该模型的应用技术仍不够成熟，且缺少规范性的要求，这就需要进一步的研究和提高。

[1] 吴洪涛,武春友,郝芳华,等.绿水的多角度评估及其在碧流河上游地区的应用[J].资源科学,2009(3):420-428.

[2] 周惠成,王福兴,梁国华.碧流河水库后汛期汛限水位及控制运用方式[J].水科学进展,2009(6):857-862.

[3] 李国强,张琪,刘伟,等.MIKEll软件系统在穆棱河流域面源污染估算中的应用[J].中国水利,2007 (23):59-60.

[4] 李云良,张奇,姚静,等.鄱阳湖湖泊流域系统水文水动力联合模拟[J].湖泊科学,2013(2):227-235.

[5] 李传奇,侯贵兵.一维二维水动力模型耦合的城市洪水模拟[J].水利水电技术,2010(3):83-85，90.

[6] 冯艳,薛梅,周炫,等.察尔森水库洪水预报模型的研究与应用[J].东北水利水电,2014 (2):32-33，47.

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The application of Mikell module coupling model in flood control evaluation of small watershed

CAI Xuegong

(LiaoningprovinceGuanYinGeReservoirManagementBureau,Benxi117100,China)

Flood control evaluation is an important part of the project construction, directly related to the broad masses of the people's lives and property.tThis paper taked the geological disaster relocation project of Cuijiatun Village in Zhuanghe City, Liaoning Province as the research object,and combined with the local meteorological and hydrological data, the Mike11 module is constructed based on small watershed water power (HD) and runoff (NAM) coupling model. Finally, through the simulation calculation, the paper analyzes the influence of the 20 year flood on the project, and put forward the corresponding countermeasures.

Mikell; coupling model; small watershed flood control evaluation

才学工(1960-)，男，辽宁本溪人，工程师，主要从事水利工程经济管理工作。E-mail：cxg1100@163.com。

P331.1

A

2096-0506(2017)01-0036-03