基于MIKE11水动力模型的河道溃堤洪水模拟研究

王丽文

摘 要：本文通过分析MIKE11水动力模型基本理论和计算方法，对太子河干流河道利用该模型进行模拟分析，然后依据洪水、过流能力、水量平衡等实测数据结果对模型的可靠性与适用性进行验证分析。研究表明：MIKE11水动力学模型能够较好的反映太子河干流河道溃堤洪水实际状况，模型表现出较强的适用性与可靠性；本文研究成果对于准确还原和分析洪水发生过程具有重要意义。

关键词：太子河流域；MIKE11模型；河道溃堤；洪水模拟

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.101

1 MIKE11水力学模型

太子河流域属于温暖带湿润半湿润气候区全年降水量充足其中71.2%降雨量集中在6～8月，全长413km流经本溪、辽阳以及鞍山等市。流域上、下游水位及干支流状况对河道的影响显著，河道内水位流量变化关系复杂，对河道溃堤洪水演算采用传统的水文学法已无法满足相关要求，而利用圣维南方程组可对任意时刻任意河道内的水位、流速和流量等因素进行计算分析[1]。据此，本文通过构建MIKE11模型对太子河防洪保护区的河道溃堤洪水过程利用模型进行模拟分析，然后对模型模拟结果的合理行和可靠行进行了验证，以期为该区域洪水风险图编制和制定防洪减灾措施提供一定的决策依据和理论支持。

1.1 模型原理

河道水流为均质流态、不可压缩的基本假定为MIKE11水动力学模型的前提条件，利用一维明渠非恒定流微分方程即圣维南方程组进行模拟分析。圣维南方程组如下所示：

1.2 构建模型

MIKE11水力学模型主要有河网文件、断面文件、设定边界条件并形成边界文件，利用水文计算结果形成时间序列文件、设定时间步长形成模拟文件，实现一维河道及溃口的概化演算。地形地貌结构参数利用分辨率为50m×50m的数字高程图（DEM）进行处理所得，利用非结构三角网络进行单元网格划分[2]。河道溃堤过程可采用MIKE11模型的溃堤模块进行模拟分析，并分别对溃堤时机、溃口位置以及尺寸进行设置。模型的上游边界以河流的流量为边界，且以上游断面在设定年限内的洪水过程为输入参数，下游边界是利用曼宁公式推算出的水位作为边界，同时应考虑各断面的频率峰值，如下所示：

上述公式中：——分别为分洪流量和堰流系数；

——分别为宽度和堰流指数；

——分别为堰上游水位和堰下游水位；

——堰顶高程。

河道左滩地、主河道和右滩地的Manning系数n分别取值为0.02，0.036和0.05，并引入收缩、扩张分别表征河道能量损失；设定河道的扩张系数和收缩系数分别为0.2和0.1；边界条件是进行河道模拟计算的必要条件，上游1河段的坡降比为0.0006，河道的临界水深分别为3和4河段的边界条件；采取混合流态为研究区域的河流流态。

2 河道溃堤洪水模拟研究

选取太子河防洪保护区河道桥溃口为研究对象，利用MIKE11模型对其进行溃堤洪水时间序列计算分析。计算范围长136.5km，溃口选取历史溃口处，瞬溃为溃口的发生类型其保证水位为45.6m。利用1：1万精度的地形度和上述数据资料建立模型分析的断面和河网文件。选取太子河上游水文站的设计洪水过程作为上游边界条件大支流边界划分为5个区间入流点，并以下游水文站的水位流量关系作为下游边界条件。主河道的糙率为0.025～0.030，滩地及耕田的糙率为0.041～0.048，植被林地糙率为0.06～0.07，村庄糙率为0.08～1.10，所选糙率均满足河道溃口的水力性能要求，将该结果直接输入MIKE11模型。初始水位和流量值分别为25.2m和0并以此构建河道参数文件，本文选取12s作为时间步长。利用MIKE11模型进行模拟分析溃口过程线图1所示。

本研究选取2015年的实测洪水过程对模型的河道糙率取值合理性进行验证，并以上游和下游水文站作为MIKE11模型的上、下边界条件并对河道水位变化过程利用模型进行模拟演化，实测数据与模拟验证过程和对比。研究表明：河道洪水沿程洪痕、监测站和洪水计算水位与实测水文之间的绝对误差最大值不高于20cm。结合模拟结果河道洪水实测值与模拟值保持较高的一致性，在验证的12d洪水过程中仅有个别点其误差相对较大，其他各点的误差均满足相关研究，以此表明所选取的糙率值满足模型的模拟精度要求。

3 结论

（1）溃口上断面河道总洪量在不考虑渗漏、蒸发等损失的条件时，其值与溃口下断面和溃口流入保护区内的流量的和保持一致，根据水量平衡基本理论说明该模型模拟結果较为合理、可靠。

（2）所构建的MIKE11水动力模型能够较好的对溃口洪水变化过程模拟演化，模拟结果可作为二维洪水演算的边界条件和决策依据。

（3）河道洪水实测值与模拟值保持较高的一致性，在验证的12d洪水过程中仅有个别点其误差相对较大，其他各点的误差均满足相关研究，本文所选取的糙率值满足模型的模拟精度要求。

参考文献：

[1]秦大庸，王浩，陈敏健等.西北地区水资源合理配置和承载力烟具[M].郑州：黄河水利出版社，2003：1-20.

[2]吴俊秀，郭清.大凌河流域MIKE BASIN水资源模型[J].水文，

2011，31（01）：70-75.