基于MIKE的杜家台洪道行洪能力研究

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(1.华中科技大学 水电与数字化工程学院，武汉 430074；2.湖北省防汛抗旱办公室，武汉 430071； 3.湖北省水利水电规划勘测设计院 防洪设计处，武汉 430070)

基于MIKE的杜家台洪道行洪能力研究

何典灿1，周建中1，江炎生2，翁朝晖3，彭甜1

(1.华中科技大学 水电与数字化工程学院，武汉 430074；2.湖北省防汛抗旱办公室，武汉 430071； 3.湖北省水利水电规划勘测设计院 防洪设计处，武汉 430070)

2005年、2011年杜家台2次洪道分流以最小损失换取最大安全，为汉江中小洪水调度模式提供新思路。针对杜家台工程现状特点，充分考虑现行预案调度运用，基于MIKE水动力软件，构建汉江、杜家台洪道及围垸的一、二维耦合数值模型，实现杜家台洪道行洪能力及效果分析。模拟结果表明，按照预案调度现状洪道分流，除新农垸及张沉湖垸堤顶高程不足外，可在汉口水位较高时基本实现安全行洪2 000～2 500 m3/s；汉江遭遇设计洪水时，优先利用洪道夹水入江的防洪效益十分显著。研究成果为完善杜家台分洪工程洪道运用模式及类似工程调度提供依据。

杜家台分蓄洪区;行洪能力；MIKE;洪水演进;数值模拟

1 研究背景

分蓄洪区作为江河防洪体系中的重要组成部分，在防汛的紧急关头发挥削减洪峰，蓄滞超额洪水，保障重点地区防洪安全的重要作用。随着社会经济快速发展，如何减少分蓄洪工程运用损失、充分发挥其综合效益是当前研究的热点。

杜家台分蓄洪区上连汉江，下通长江，可分蓄(泄)汉江下游超额洪水，解决汉江上游来量与下游河道安全泄量不相适应的矛盾，是汉江下游唯一的分洪控制工程。围绕该区域目前已取得一些研究成果：翁朝晖等[1]建立了一维洪水演进模型模拟洪道分流，其研究表明在长江水位较低时，洪道具有一定的分流泄洪能力；覃莲超等[2]构建河网数学模型，讨论了杜家台闸不同开度下的进洪量对汉江水位、长江水位及分蓄洪区民垸的影响；张军等[3]初步建立了杜家台分蓄洪区洪水预报模型，对民垸堤防防守提出建议，并成功应用于2011年杜家台分蓄洪区的防洪调度中；肖立国等[4]详细分析了杜家台洪道2005年和2011年2次分流的实况与效果，并由此提出利用洪道分流是对汉江中小洪水调度模式的创新和补充。

针对杜家台分蓄洪区，前人的研究主要是对2011年前原洪道和分蓄洪区的分析与模拟，均未在洪水演进模型中考虑分蓄洪区调度预案的运用。因此在已有研究基础上，本研究基于杜家台分蓄洪区2012年洪道实施整治现状，在水动力模型中充分考虑现行预案关于“围垸分洪前刨毁”、“分批运用”等调度规则[5]的运用，利用MIKE11，MIKE21和MIKE FLOOD水动力模块构建河网非恒定流模型及一、二维耦合数值模型，对现状洪道行洪能力开展研究。

2 研究区域现状

杜家台分蓄洪工程由杜家台分洪闸、分蓄洪区围堤、洪道、黄陵矶泄洪闸等部分组成，自然面积约617.24 km2，在冻结吴淞高程下(下同)，区内设计蓄洪水位30.00 m，相应蓄洪容积38.61亿m3。分蓄洪区示意图如图1所示。

图1 杜家台分蓄洪工程示意图Fig.1 Sketch map of Dujiatai diversion and storage project

杜家台分洪闸位于汉江下游仙桃市区以东的鄢湾弯道起点，设计流量4 000 m3/s，相应闸前水位35.12 m，校核流量5 300 m3/s，相应闸前水位35.45 m。黄陵矶泄洪闸位于通顺河出口，设计泄洪外江水位26.90 m，内湖水位27.35 m，相应泄流量1 535 m3/s，校核泄洪外江水位26.90 m，内湖水位27.70 m，相应泄流量2 008 m3/s。杜家台分蓄洪区原有29个围垸，三羊垸于2012年被刨毁[6]，成为分流时洪道内过流区域，故现存28个围垸。

杜家台洪道是汉江下游超额洪水经蓄洪区安全下泄的通道，全长73.85 km，由分洪道和行洪道构成。杜家台闸下至周邦为分洪道，长20.65 km，宽约800 m，平时基本干涸，沿堤居民普遍挖鱼池、筑围埂、建菜园，阻洪效果明显。行洪道上起周邦，于王家赛闸处连接通顺河，至黄陵矶闸为止。其左岸上段从周邦至三羊头修筑有洪北大堤，下段分别由三羊垸、赵家垴垸、香城垸、鸳龙山垸、荒五里垸、沿河垸和黄石畈垸等垸堤组成，原河道宽度仅为240～260 m，2012年洪道应急整治工程将三羊垸、赵家垴垸等河宽不足600 m的堤段拆除、退挽，对满足河宽堤段进行了加固。行洪道右岸受天然地形和垸堤约束，尤其是原新农垸堤线拐点突出洪道内，距左岸仅590 m，形成局部卡口导致洪道泄流不畅，2012年整治工程拆除该堤段并新建853 m宽的堤防。通顺河河道起于王家赛闸，经蚂蚁山、黄陵镇至黄陵矶闸后出长江。由于香炉山—蚂蚁山过洪断面狭窄，河道宽400～500 m，故洪水在此段附近宣泄不畅。

3 洪水演进模型建模

3.1 数值模型

3.1.1 汉江及杜家台洪道一维河网模型

采用MIKE11对汉江仙桃—汉口河段和杜家台洪道建立一维河网模型。汉江一维河段为汉江仙桃—汉口河段，共167个断面，杜家台分洪时考虑杜家台闸出流过程；一维杜家台洪道为杜家台闸下—黄陵矶闸下河段，共87个断面；模型糙率率定验证所用断面为湖北省水利水电勘测设计院2011年实测数据；模拟计算时依据2012年洪道整治实施方案对原断面进行调整，并根据现行预案“围垸分洪前刨毁”、“分批运用”等调度规则，将红星垸、赵家垸、香城垸、鸳龙山垸、荒五里垸、沿河垸、黄石畈垸、周家墩垸等应汛前刨毁的围垸归为一维河道；张沉湖垸由于面积大且外凸于洪道，因此作为汛前扒开的二维洪道。

模型上边界为对应站点流量过程，下边界为对应站点水位过程，考虑支流入汇和出流。黄陵矶闸采用MIKE11闸门构筑物建模，并通过“上游水位(Hups)”控制策略实现出流控制。若出流流量>2 008 m3/s，可利用MIKE hotstart热启动计算模式设置其在之后的一段时间内以最大流量出流。

根据蓄、泄汉江常遇洪水实际情况，结合沿程水文(位)站、泵站、闸站分布，划分研究河段如图1所示，分别为：①黄陵矶闸(6+210)—东城闸(18+630)；②东城闸(19+250)—小奓湖低闸(33+250)；③小奓湖低闸(34+120)—北垸闸(40+200)；④北垸闸(41+760)—挖口闸(49+690)；⑤挖口闸(50+690)—周邦(59+880)；⑥周邦(60+610)—杜家台闸(80+390)；⑦汉口—汉川河段；⑧仙桃—汉川河段。

3.1.2 杜家台围垸二维模型

利用MIKE21对张沉湖垸和其他未先行扒开的围垸建立二维水动力模型。采用三角形非结构化网格进行剖分，并对狭窄、高程变化较大如围垸堤、京珠高速、汉洪高速等特殊区域进行局部网格加密，最终形成网格78 394个，最小网格面积1 535 m2，最大网格面积20 049 m2。二维区域糙率参考相似地区确定。

3.1.3 一、二维耦合模型

通过构建虚拟河道和MIKE FLOOD标准连接建立杜家台洪道和围垸的一、二维耦合模型。为模拟围垸“分批运用”的调度过程，在各二维围垸扒口处的杜家台洪道上引出长100 m的虚拟河道，虚拟河道上断面底高程与连接里程处杜家台洪道断面一致，虚拟河道下断面底高程与围垸扒口内地面高程一致。虚拟河道中部设有溃坝构筑物，采取瞬间溃决的方式溃坝[7]，依据杜家台运用预案要求，设置周邦控制水位到达时刻为溃坝构筑物的起溃时刻，并在较短时间内发展成宽50～180 m[5]、且高程与扒口内地面高程一致的溃口。因张沉湖垸汛前扒开，故其连接的虚拟河道中不设任何构筑物。

3.2 参数率定与验证

分别选取2005年、2011年分洪实测资料率定验证汉江仙桃—汉口河段和杜家台洪道糙率。2005年10月份和2011年9月份，汉江发生秋汛，为确保汉江下游汉川、武汉河段及杜家台分洪闸防洪安全，湖北省防汛抗旱指挥部2次利用行洪道分流超额洪水。彼时三羊垸还未刨毁，红星垸等围垸未先行扒开，洪水经原洪道泄入长江，新农垸、红星垸溃口。

研究参考水力学手册及有关文献， 在初步确定糙率经验值基础上， 由下至上多次调整， 使各水文(位)站点计算水位过程线与实测水位过程线误差最小。 经反复计算比较所得糙率n如下： ①黄陵矶闸—东城闸,n=0.018； ②东城闸—小奓湖低闸,n=0.02； ③小奓湖低闸—北垸闸,n=0.037； ④北垸闸—挖口闸,n=0.065； ⑤挖口闸—周邦,n=0.07； ⑥周邦—杜家台闸,n=0.065； ⑦汉川—汉口河段,n=0.023； ⑧仙桃—汉川河段,n=0.022。 其中， 洪道上段杜家台闸至北垸闸河段内大量围垦鱼塘和树木， 故其糙率较大。 冻结吴淞高程下， 2011年验证期洪道沿程站点水位计算值与实测值比较如图2所示。

图2 2011年验证期水位比较Fig.2 Comparison of water level between calculated data and measured data in verification period in 2011

由图2可知，各控制站实测洪峰与计算洪峰水位误差均在0.2 m以内，说明糙率取值合适，模型可正确反映洪道实际情况。验证结果表明，除新农垸和红星垸外，沿程最高水位均低于相应堤岸高程，两岸堤防未出现明显异常情况，在汉口水位20 m时原洪道可基本安全分流1 180 m3/s。图3给出了汉江与杜家台洪道联合运算结果，数据显示2011年洪道分流降低仙桃水位0.70 m、汉川水位0.57 m，符合实际情况。

图3 2011年仙桃、汉川水位过程比较Fig.3 Comparison of hydrograph between Xiantao station and Hanchuan station

4 计算与分析

研究基于上述河网模型，考虑杜家台运用预案调度，将张沉湖垸作为二维区域，汛前刨毁的其他围垸归为一维河道，建立杜家台概化洪道和围垸的一、二维耦合模型，分析了不同来流、洪道底水及下游水位组合工况下洪道分流中小洪水的能力，模拟了当汉江发生设计洪水且优先利用洪道分流时现状洪道的行洪能力。

4.1 洪水组合分流计算

根据杜家台运用历史情况，组合初始条件和边界条件，计算分流汉江中小洪水共40种组合。设置洪道夏季、秋季分洪底水位分别为22.00，24.35 m，杜家台闸分流流量1 500,2 000,2 500,3 000 m3/s，组合汉口水位22,23,24,25,26 m，当黄陵矶闸前水位高于闸后水位时开闸泄水，考虑最不利情况，计算至沿程水位稳定为止。洪道堤防高程[5]如表1所示。

表1 洪道堤防高程Table 1 Embankment elevations of Dujiatai flooddiversion channel

组合计算主要结果如表2、图4所示。表2、图4数据为洪道底水位24.35 m条件下的模拟结果。

图4 不同入流量下组合分流水面线计算结果Fig.4 Calculated results of water surface profile under different incoming discharges

表2 组合分流洪峰水位主要计算成果Table 2 Main calculated results of water level atflood peak stage

计算结果表明：①由于黄陵矶闸开启泄洪，且模型计算至水位稳定状态，故分洪底水位对沿程最终稳定水位影响不显著，不同底水的最终稳定水位差不超过0.06 m；②汉口水位25 m相应分流1 500 m3/s时，洪道全段堤防超高可安全行洪；③汉口水位25 m相应分流2 000 m3/s时，除新农垸外的其他堤防仍满足不漫溢要求，当分流量增至2 500 m3/s及3 000 m3/s时，除新农垸外，张沉湖垸水位超高0.3～0.9 m，与其相邻的曲口垸和消泗外垸有较大淹没风险，安全行洪需清除卡口，临时加高堤防；④汉口水位26 m相应分流2 000 m3/s时，新农垸堤防发生漫溢，张沉湖垸水位超高0.7 m，当分流量增至2 500 m3/s时，除新农垸、张沉湖垸垸堤高程不足外，北垸闸附近曲口垸堤段欠高0.089 m，曲口垸将面临较大淹没威胁；⑤汉口水位26 m相应分流3 000 m3/s时，挖口闸、北垸闸附近的兴无垸、张沉湖垸、曲口垸垸堤多段欠高，周邦水位超过30 m，仅靠洪道无法安全分流，需运用围垸分洪。

4.2 汉江设计洪水分流计算

丹江口水库加高后，汉江中下游防御洪水标准为100 a一遇大洪水(1935年型)。考虑较不利情况，设置洪道分洪底水位24.35 m，汉口水位25 m，黄陵矶闸前水位高于闸后水位时开闸泄洪。若洪道调蓄和黄陵矶泄洪仍不能控制周邦水位不超过30 m，则根据杜家台运用预案依次扒开围垸分洪。

结果显示，当汉江遭遇100 a一遇洪水时，杜家台累积分洪11.49亿m3，洪峰流量4 131 m3/s，洪道蓄洪2.05亿m3，黄陵矶闸泄洪6.24亿m3，黄陵矶闸最大出流2 008 m3/s。由于洪峰到来时洪道行洪不足，周邦水位上涨将超30 m，故逐次扒开新农垸、曲口垸、兴无垸、消泗外垸等民垸分洪(张沉湖等民垸已先行扒开)。通过对围垸分洪进行洪水影响损失评估，发现同不采用洪道分流相比，优先考虑洪道分流将减少洪北刘家垸、成功外垸、南边湖垸、军山外垸等约65.59 km2的淹没面积，可避免经济损失约5.1亿元。通过杜家台洪道、围垸配合调度，降低了仙桃水位2.22 m，汉川水位1.89 m。

5 结论与建议

研究基于MIKE水动力软件，建立一维河网非恒定流模型和一、二维耦合模型，考虑杜家台预案调度，模拟了洪道组合分洪及分蓄汉江设计洪水2类工况，开展了杜家台现状洪道行洪能力研究，主要结论及建议如下：

(1) 洪道组合分流计算结果表明，按照杜家台运用预案调度现状洪道分洪，可在汉口水位≤25 m时基本实现洪道安全行洪2 000～2 500 m3/s；新农垸堤顶高程偏低，应适当加高或分洪前尽早转移人、畜；建议张沉湖垸围堤适当加高，其他民垸通过防守基本能安全度汛。

(2) 当汉江遭遇100 a一遇设计洪水，优先考虑洪道分流时，虽然现状洪道调蓄能力不足，致使部分围垸分洪，但此期间通过洪道蓄、泄洪约达8.29亿m3，大大减少了淹没范围，有效避免了部分围垸运用造成的巨大经济损失，同时降低了汉江水位超高的洪水过流风险，减轻了中下游堤防防洪压力，充分发挥了洪道分流的综合效益。

(3) 基于分洪闸及其他建筑物设计条件建模分析，未能考虑水闸年久失修、病险多的实际情况，这可能成为杜家台工程实际运用时除分洪峰量外的又一大安全隐患。因此，建议在加强洪道工程建设管理的同时，及时对工程内闸站、穿堤建筑物等整修加固，以满足现行规范要求及工程安全运用需要。

[1] 翁朝晖，王 煌，张晚祺.杜家台分蓄洪区的必要性及洪道行洪能力研究[J].人民长江，2006，37(4):50-52.

[2] 覃莲超，余明辉，李二明，等.杜家台分蓄洪区洪水调度数值模拟及分洪效果研究[J].泥沙研究，2011，(4):38-43.

[3] 张 军，皮凌华，向德明,等.杜家台分蓄洪区运用预案研究[J].中国防汛抗旱，2012，22(3):44-45.

[4] 肖立国，王卫民，陶圣红，等.汉江杜家台分洪工程行洪道分流效果分析[J].中国水利，2012，(9):48-50.

[5] 湖北省防汛抗旱指挥部汉江防汛办公室.杜家台分蓄洪区运用预案[R].武汉：湖北省防汛抗旱指挥部汉江防汛办公室,2014.

[6] 湖北省水利水电勘测设计院.杜家台分蓄洪区洪道应急整治工程实施方案[R].武汉：湖北省水利水电勘测设计院,2012.

[7] 廖威林，周小文，何勇彬.城市地区水库溃坝洪水演进模拟[J].长江科学院院报，2014，31(10):98-103.

(编辑：占学军)

Flood Discharge Capacity of Dujiatai Flood DiversionChannel Based on MIKE

HE Dian-can1, ZHOU Jian-zhong1, JIANG Yan-sheng2, WENG Zhao-hui3, PENG Tian1
(1.School of Hydropower & Information Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074,China; 2.Flood Control and Drought Relief Office of Hubei Province, Wuhan 430071, China; 3.Design Department for Flood Control, Hubei Provincial Water Resources and Hydropower Planning Survey and Design Institute, Wuhan 430070, China)

The use of Dujiatai flood diversion channel in 2005 and 2011 provided a new idea of regulation mode for medium and small floods in Hanjiang River, achieving the goal of minimum loss and maximum safety. According tothe present condition and regulation schemes of Dujiatai diversion area, a 1D and 2D coupled numerical model was established on the basis of hydrodynamic software MIKE to simulate the flood discharge ability and effects of Dujiatai flood diversion channel. Hanjiang River, Dujiatai flood diversion channel and inner embankments are taken into account in the model.Results show that the safe discharge of Dujiatai flood channel is about 2000-2500 m3/s, except for the insufficient embankment top elevations at Xinnongyuan and Zhangchen Lake when Hankou station is at a higher water level. In addition, when Hanjiang River suffers from design flood, operation of Dujiatai flood diversion channel in priortity could obviously reduce flood losses. In conclusion, the results offer reference for improving regulation modes of Dujiatai diversion project and other similar projects.

Dujiatai diversion and storage project;flood discharge capacity; MIKE; flood propagation; numerical simulation

2016-05-24；

：2016-09-07

国家自然科学基金重点项目(91547208，51239004)；国家自然科学基金面上项目(51579107)

何典灿(1992-)，女，湖北武汉人，硕士研究生，主要从事河流动力学与水文分析计算方面的研究，(电话)13986236331(电子信箱)xxy004@163.com。

周建中(1959-)，男，湖北武汉人，教授，博士，主要从事水电能源科学研究，(电话)13607174132(电子信箱)jz.zhou@hust.edu.cn。

10.11988/ckyyb.20160514

2017,34(9):52-56,78

TV872

：A

：1001-5485(2017)09-0052-05