基于MIKE21模型的盛庄洼蓄滞洪区洪水淹没分析

(河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250)

MIKE21为MIKE系列软件之一，属于平面二维表面流模型。黄萍等[1]采用MIKE21模型模拟圩堤溃决后南新联圩防洪保护区内洪水演进过程；郭凤清等[2]采用MIKE21FM方法对港江蓄洪区的洪水演进进行数值模拟；陈晓更等[3]采用MIKE一、二维耦合方法对月亮泡蓄滞洪区洪水演进进行数值模拟。根据盛庄洼蓄滞洪区及周边河道、堤防情况，蓄滞洪区启用和运用标准、洪水调度方案以及洪水分析方法，考虑现状与规划两种工况，20年一遇、50年一遇两种洪水设计，结合鸦丰公路天津市防浪墙是否存在几种条件，采用MIKE21模型计算分析蓄滞洪区内洪水淹没情况。

1 蓄滞洪区概况

盛庄洼蓄滞洪区位于河北省玉田县和天津市宁河县的交界处，属海河流域北三河系。东南临还乡河故道，西依蓟运河和双城河左堤，北至九丈窝防洪堤。蓄滞洪区地理位置见图1。

图1 盛庄洼蓄滞洪区地理位置示意图

蓄滞洪区面积12.15km2，南北长7.50km，东西宽3.30km。滞洪区围堤(河北境内)13.35km，分洪控制工程为九丈窝分洪闸，设计流量244m3/s，设计分洪水位4.84m，退水工程主要有退水涵闸(设计流量10m3/s)、盛庄子扬水站(现状设计流量6m3/s，规划设计流量10m3/s)。

蓄滞洪区内地面高程在0.7～2.1m 之间，地势东北高，西南低。盛庄洼围堤设计超高2.0m。除蓟运河左堤、还乡河右堤基本达到设计标准外，其他围堤均未达到设计要求。

蓄滞洪区内涉及的围村埝有大盘龙安全区围村埝、北单庄围村埝、流涧头围村埝、盛庄子围村埝。道路有鸦丰公路(玉丰线)、滨玉线、丰台西村村南路。防浪墙位于丰台西村村西的鸦丰公路东侧。

盛庄洼蓄滞洪区现状运用原则：当还乡河发生超10年一遇洪水，流量超过670m3/s，九丈窝分洪闸上水位达到4.84m，且水位继续上涨时，利用九丈窝分洪闸向盛庄洼分洪。滞洪区滞洪后，由盛庄排水涵闸和扬水站退水入蓟运河。

2 模型构建思路与原理

2.1 模型构建思路

根据盛庄洼蓄滞洪区的洪水特点，盛庄洼蓄滞洪区洪水风险分析采用MIRE21水流模型，模型建立步骤如下:

a.根据盛庄洼蓄滞洪区地理位置及周边河道、堤防情况确定模型计算范围。

b.根据蓄滞洪区入流和出流控制工程，确定模型计算上边界和下边界条件。

c.利用MIKE21构建盛庄洼蓄滞洪区二维水动力模型，对蓄滞洪区内的地形进行概化插值，进行网格剖分，对蓄滞洪区内的道路、防浪墙及围村埝等构筑物进行概化计算。

d.设置模型参数，对模拟计算结果进行分析。

2.2 网格剖分

根据蓄滞洪区内地形和水流特点，本次模型计算采用三角形网格，进行网格剖分时，将模型计算范围作为外边界，并且将蓄滞洪区内的道路、围村埝等阻水构筑物作为内部限制边界，对模型计算网格进行局部加密。

模型计算域总面积为13.84km2，根据模型计算范围及计算区域内道路、堤埝的具体情况，确定网格剖分时边界顶点平均间距为50m，各计算条件下网格剖分基本一致，共剖分网格5378个，网格节点2890个，最大网格面积0.02km2，平均网格面积为0.0033km2。蓄滞洪区内网格剖分成果及局部加密剖分网格见图2和图3。

图2 盛庄洼蓄滞洪区网格剖分图

图3 构筑物处网格加密剖分示意图

2.3 模型边界条件及参数选取

模型计算范围确定后，根据蓄滞洪区地理位置、构筑物、地形等情况，确定模型计算的边界条件和参数如下：

a.上边界条件：还乡河超标洪水的设计洪水过程。

b.下边界条件：盛庄扬水站设计排水流量。

c.特殊边界的处理：计算区域内涉及的道路、围村埝及防浪墙等按照溢流坝考虑。盛庄洼蓄滞洪区内地势、道路及堤埝概化见图4。

d.时间步长：根据盛庄洼蓄滞洪区的实际情况，同时考虑退水计算时间及淹没历时等情况，时间步长取10s，20年计算时长为170h，50年计算时长为1418h。

e.涡黏系数(Eddy Viscosity)：选择Smagorinsky系数方法设定涡黏系数，程序缺省值为0.28。

f.耕地地面糙率采用0.040～0.055，村庄及较大的阻水建筑物糙率采用0.080～0.100。

图4 蓄滞洪区内地势、道路及堤埝概化图

3 洪水计算方案及成果

3.1 计算方案

根据盛庄洼蓄滞洪区启用和运用标准、洪水调度方案，依据《海河流域蓄滞洪区建设与管理规划(2012年)》，盛庄洼蓄滞洪区主要分为现状与规划两种工况，20年一遇、50年一遇两种洪水设计，并考虑鸦丰公路天津市防浪墙是否存在几种条件下的洪水淹没情况。

现状与规划两种工况的主要区别为护村围埝埝顶高程与盛庄子扬水站排水流量。

现状条件北单庄围村埝现状顶高程3.40～4.09m，大盘龙围村埝现状顶高程2.9～4.35m，盛庄子围村埝现状顶高程2.52～5.57m，刘涧头围村埝现状顶高程2.98～4.60m。规划条件下各围村埝顶高程不足3.89m的按3.89m加高培厚考虑。

现状条件盛庄子扬水站设计排水流量6m3/s，规划条件设计排水流量为10m3/s。

20年一遇洪水条件下，考虑鸦丰公路东侧有无防浪墙两种情况。

综上，模型计算方案共6个，各方案计算条件见表1。

3.2 计算成果

根据模型计算成果，分别从淹没水深、洪水到达时间及淹没历时3个方面对模型计算结果进行分析。

3.2.1 淹没水深

20年一遇洪水条件下，各方案淹没水深均较小，除湘子村局部村基被淹没外，其他村庄由于围村埝保护未被洪水淹没。

表1 盛庄洼蓄滞洪区洪水风险分析计算方案

现状条件50年一遇洪水淹没水深大于20年一遇，丰台西村由于村基较高未被洪水淹没，其余村庄淹没水深0.33～2.00m不等；规划条件出流流量大于现状条件，故50年一遇洪水规划条件淹没水深小于现状条件，由于围村埝的加高，现状条件下被淹没的刘涧头、徐家胡同、盛家庄在规划条件下未被淹没，其余村庄淹没水深1.01～1.98m不等。具体数据见表2。

表2 堤防及护村围埝位置洪水分析成果

根据蓄滞洪区入流及出流过程，20年一遇洪水条件下，现状和规划条件下蓄滞洪区最大滞洪量分别为0.035亿m3和0.034亿m3；50年一遇洪水条件下，现状和规划条件下蓄滞洪区最大滞洪量分别为0.301亿m3和0.298亿m3；根据蓄滞洪区水位-容积曲线，20年一遇洪水条件下，现状和规划条件下蓄滞洪区最高滞洪水位分别为1.755m和1.747m；50年一遇洪水条件下，现状和规划条件下蓄滞洪区最高滞洪水位分别为3.469m和3.451m。蓄滞洪区滞洪量及滞洪水位成果见表3。

表3 盛庄洼蓄滞洪区滞洪量及滞洪水位成果

由表2可知，遭遇20年一遇洪水时，受围村埝和鸦丰公路保护，除湘子村外，其余村庄均未被洪水淹没；现状条件下，遭遇50年一遇洪水时，由于丰台西村村基达到3.6m左右，未被洪水淹没，其余村庄围村埝高程局部低于滞洪水位，均被洪水淹没；规划条件下，遭遇50年一遇洪水时，湘子村和窑头村无围村埝均被洪水淹没，北单庄虽有围村埝，但紧靠鸦丰公路，公路高程不到3.0m，故北单庄被洪水淹没，其余村庄由于围村埝埝顶高程达到3.89m，均未被淹没。

综上，模型计算村庄淹没成果与由滞洪水位、围村埝埝顶高程、村基高程和鸦丰公路路面高程对比分析得到村庄淹没成果基本一致。

3.2.2 到达时间

根据模型计算成果(表4)，20年一遇洪水流速小于50年一遇洪水流速，20年一遇洪水条件下，淹没村庄洪水到达时间较长。

50年一遇洪水条件下，不考虑鸦丰公路的阻水作用，淹没村庄的洪水到达时间与村庄距分洪闸的距离呈正相关关系，该结果符合洪水的传播规律。

表4 特征点位置洪水到达时间分析成果

图5 20年一遇洪水条件下蓄滞洪区滞洪量-退水时间关系

3.2.3 淹没历时

根据模型计算结果，不同工况下蓄滞洪区滞洪量-退水时间关系见图5和图6，现状、规划条件下20年一遇洪水淹没历时均小于7天；现状、规划条件下50年一遇洪水淹没历时最长为59天，最短不足1天。根据蓄滞洪区的滞洪量及盛庄排水泵站设计排水流量分析计算洪水淹没历时，上述两种方法计算结果基本一致。

图6 50年一遇洪水条件下蓄滞洪区滞洪量-退水时间关系

现状防洪工程不变的情况下，可适当提高排洪工程规模，以缩短蓄滞洪区的淹没历时。

4 结 语

a.本次采用二维非恒定流洪水演进数学模型，按盛庄洼蓄滞洪区的调度运用原则，对蓄滞洪区不同标准的洪水风险进行模拟分析计算，模型计算结果与采用蓄滞洪区水位-容积方法分析得到的淹没成果基本一致，模型计算成果可作为盛庄洼蓄滞洪区防汛调度、蓄滞洪区建设与管理的参考依据。

b.由于资料匮乏，本次采用MIKE21模型和蓄滞洪区水位-容积方法分析蓄滞洪区淹没情况，有待进一步收集蓄滞洪区历史洪水资料，对模型计算淹没成果作进一步分析验证。