MIKE21模型在老哈河铁路桥防洪影响评价中的应用

王光磊，付 鹏，党 磊

（松辽水利委员会水文局（信息中心），吉林 长春 130021）

天然河流中，不同的河流、河段及在时间分布上的水沙变化规律十分复杂。建设项目在河道管理范围内的运行会改变水流形态和局部冲淤平衡，对河势稳定、水利日常管理、防汛抢险乃至第三方的合法水事权益均有较大影响，个别项目甚至影响到河流稳定。因此，进行河道管理范围内的建设项目防洪评价是非常必要和重要。

1 概况

1.1 河流概况

老哈河为辽河的源头，干流全长426 km，流域面积27 411 km2，一级支流共12条，大部分从左侧汇入，形成不对称的扇状水系。左岸较大支流有黑里河、八里罕河、坤兑河、英金河、羊肠子河等，右岸较大支流有海棠河、黑水河、烧锅营子河和崩河等。新建的老哈河铁路桥上游有黑里河和八里罕河汇入。

1.2 工程概况

新建赤峰至京沈高铁喀左站铁路位于内蒙古自治区东部和辽宁省西部地区，沿线经过内蒙古赤峰市宁城县、喀喇沁旗、元宝山区、红山区、松山区、辽宁省喀左县、建平县7个县级及以上行政区。线路自京沈高铁喀左站引出，经建平、宁城、平庄引入赤峰站，终至赤峰西站，正线线路长157.38 km。

拟进行防洪评价的跨河工程为赤峰至京沈高铁跨越宁城老哈河新建铁路桥工程（以下简称老哈河铁路桥）。桥址位于内蒙古赤峰市宁城县四家村南侧，老哈河干流中游，桥址控制流域面积3 000 km2。老哈河铁路桥跨河断面河道宽约500 m，评价河段（自二龙桥至桥址上游1 350 m）范围内的河道较不规整，洪水发生时水流结构复杂。老哈河特大桥所在河道布置多座桥梁，为宁城至赤峰的必经河段，评价河段范围内自上而下分别有：拟建叶赤线改建工程跨老哈河大桥、既有叶赤线铁路跨老哈河大桥、二龙桥，各桥间距较小。老哈河铁路桥下游约60 m有1处供水井，上游约200 m有矿山尾矿库。另外，老哈河铁路桥下布置有内蒙古宁城县汐子镇抗旱应急水源工程的输水管道。

2 模型及控制方程

2.1 模型简介

二维数学模型采用MIKE21进行水流模拟。MIKE21是一个专业的工程软件包，由丹麦水力学研究所开发，广泛用于模拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及环境。MIKE21为工程应用、海岸管理及规划提供了较为有效的设计环境，经国内外诸多工程项目实际应用，证明其精度较高，守恒性较好。

2.2 控制方程

模型基于三向不可压缩和Reynolds值均分布的Navier-Stokes方程，并服从于Boussinesq假定和静水压力的假定。计算区域的空间离散采用有限体积法，将连续统一体细分为不重叠的单元，单元可以是任意形状的多边形。二维非恒定浅水方程组为：

式中：ζ——水位，m；p——x方向的能量，m3/s；q—— y方向的通量，m3/s；t——时间，s；x，y——笛卡尔坐标系坐标，无量纲。

（2）（3）式中：ζ——水位，m；p—— x方向的能量，m3/s；q—— y方向的通量，m3/s；t-时间，s；x，y——笛卡尔坐标系坐标，无量纲；g——重力加速度,m/s2；h——静止水深，m；u，v——流速在，x，y方向上的分量，m/s；ρ——水密度，g/cm3；Ω——哥氏力系数，且Ω=2ωsinψ，无量纲；S ——源项，kg/m3·s；Six，Siy——源项在 x，y方向的分量,kg/m3·s；τxx，τxy，τyy——各方向上的粘滞应力项，Pa。

3 防洪影响模拟计算

3.1 设计洪水

在《内蒙古辽河流域老哈河治理工程可行性研究报告》中，对位于老哈河干流上游的4个水文站，包括甸子、太平庄、兴隆坡、乌敦套海站，进行了单站天然设计洪峰流量分析计算。将系列延长至2010年，经复核计算，与原设计成果相比差别不大，说明老哈河流域洪水成果相对稳定，故推荐采用原设计成果。依据此4个水文站10年、20年、100年一遇的设计洪峰流量点绘地区综合线，根据地区综合线推算老哈河铁路桥址处设计洪水。设计参证站及老哈河桥址设计洪水成果，见表1。

表1 参证站及老哈河铁路桥址设计洪峰流量成果表m3/s

3.2 地形资料及网格划分

对老哈河铁路桥所在河段上下游约2 km范围的地形进行实地勘察测量，测量采用RIEGL三维激光扫描仪，结合1∶10 000地形图处理后得计算区域地形图。二维数学模型的计算区域为老哈河中游宁城河段，由老哈河铁路桥下游约1 000 m至上游约1 350 m，全长约2 350 m，宽度800～1 200 m。计算区域网格划分采用三角形网格，网格在各桥梁桥墩位置进行了局部加密，三角形边长2～5 m，其他位置网格边长约10～30 m，总节点数21 609，总网格数42 303。在计算时计算区域的上下游边界保持不变，两侧边界则根据计算单元干湿情况自动调整。

3.3 边界条件处理

模型计算中，上游给定流量、下游给定水位以确定模型计算的边界条件。老哈河铁路桥所在河段两岸规划堤防设计防洪标准为20年一遇，桥梁自身的设计洪水标准为100年一遇。因此，分别对20年一遇、100年一遇设计洪水进行二维数学计算，所对应流量分别为1 970 m3/s和4 410 m3/s。

3.4 模拟计算

1）对水位影响的模拟计算

对糙率等参数率定后，进行模拟计算。经计算，老哈河铁路桥桥墩壅水最大处为桥墩上游2 m左右，桥墩下游水位略有减小。在最不利工况（4桥共存）条件下，桥梁壅高最大。老哈河铁路桥在20年一遇洪水时局部水位壅高0.07 m，100年一遇洪水时局部壅高0.11 m。老哈河铁路桥在20年一遇设计洪水时，桥墩沿线水深在0.19～4.32 m之间；100年一遇洪水时桥墩沿线水深在0.25～5.68 m之间；100年一遇洪水时桥墩位置最高水位为540.78 m，与梁底最低高程543.83 m相差3.05 m，大于规范要求的最小净空高度0.50 m。

2）对流场影响的模拟计算

由于桥墩尺寸与河面宽度相比，桥墩尺寸相对较小，因此桥墩对该河段流场的影响较小。20年一遇洪水时，除个别桥墩处流速减小超0.2 m/s外，其余位置流速变化均较小，断面平均流速变化在0.015 m/s以内；100年一遇洪水时，流速变化也不大，只有个别桥墩处流速减小超0.3 m/s外，断面平均流速变化在0.065 m/s以内。

3.5 计算结果

根据模拟计算结果，老哈河铁路桥修建后壅水高度较小，桥下净空满足规范要求，对河道行洪安全影响较小。建桥后的流场与建桥前相比整个河段等流线分布变化不大，除桥址附近等流线分布略有变化外，其余河段等流线分布同建桥前基本相同。

4 结语

经多方法验证，此次模拟计算的成果合理，MIKE21模型模拟河道水流效果良好，能够为工程的防洪安全提供了保障。在建设项目防洪影响评价工作中，MIKE21模型模拟河道水流已经得到广泛应用，取得良好效果。特别需要指出的是，在MIKE21模型模拟计算过程中，糙率的选择对计算结果的影响很大。因此，在实践中应做好对糙率等参数的率定，以保证模型的正确运行。