基于MIKE的咸宁市淦河碧桂园分洪渠扩建规模确定

2019-10-18闫伟伟廖文俊

水电与新能源 2019年9期

闫伟伟，朱丹，廖文俊

(1.湖北省水利水电科学研究院，湖北武汉 430070；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉 430072)

淦河系长江中游南岸支流金水上游的主干，发源于大幕山南麓通山县万家乡门楼村，由南向北流经咸安区桂花、马桥等乡镇，穿咸宁市城区后沿向阳湖垸北缘于龚家澥注入斧头湖，汇入金水经金水闸最后注入长江。淦河(金水斧头湖以上)流域面积854 km2，占金水流域面积2 615.9 km2的32.6%。

淦河咸宁市城区段自徐家湾至熊家湾，位于淦河中下游河段，城区河段长约22 km。淦河碧桂园分洪渠位于淦河彩虹大桥至碧桂园一号桥段。该分洪渠现状进口为3孔，单孔宽7 m，高4.5 m，底板高程19.90 m。分洪渠中间段较宽，为不规则形状，平均宽度200 m左右，淤积较为严重，杂草丛生，平均底部高程21.50 m左右。出口较窄，宽34 m左右，两边有土台，右侧土台顶部高程26.60 m，左侧土台顶部高程26.50 m。该分洪渠建设目的就是为分泄淦河洪水，降低淦河水位。

2016年7月咸宁地区普降大雨，淦河流域发生洪水灾害，碧桂园分洪渠泄流能力受限，进出口导致该段河道受灾严重。

1 模型建立

淦河系统治理工程拟对碧桂园分洪渠进行疏挖，并拟对分洪渠进出口段进行扩宽，以提高分洪能力。由于分洪渠的存在，淦河彩虹大桥至碧桂园一号桥段地形和水力条件较为复杂，本次采用平面二维水流数学模型进行水动力计算[1]。

采用MIKE系列软件作为洪水分析模型，对行洪区域采用MIKE21进行二维水动力建模。MIKE21模块属于平面二维水流模型，适合模拟具有自由表的港口、河流、湖泊及海洋等，采用二维非恒定流方程组作为控制方程，包括水流连续性方程、水流沿x方向及y方向的动量方程[2-3]。

模型采用Alternating Direction ImPlicit对方程组进行离散，所得的矩阵方程用Double SweeP Algorithm求解。MIKE21具有两套离散系统，分别是矩形结构和三角形非结构网格有限差分格式，本次选用后者。

采用MIKE21模型进行求解，原始控制方程组在空间上的离散方法采用基于单元中心的有限体积法。为解决由此引发的压力波动问题，采用动量插值计算交界面上的速度值，运用压力校正法SIMPLE对水位、流速进行耦合求解。

对行洪区域均采用三角形非结构化网格进行网格剖分，通过耦合亚地形数据，实现多点线重组的网格边界，以将整个计算区域覆盖。以两岸堤防作为边界约束条件，将桥梁、涵洞等阻水建筑物作为内部约束条件，并根据实测地形数据为模型网格赋高程，河道计算区域及网格划分见图1。

图1 河道计算区域及网格剖分图

针对二维水流模型的计算收敛性特点，对模型计算区域给定下游边界初始时刻计算条件水位为27.67 m(该水位由下游水位采用河道一维恒定非均匀流能量方程推算而来)，上游边界初始时刻计算条件流量为1 430 m3/s(50年一遇)。

糙率取值同河道水面线计算中采用值一致。根据十好桥水文站高水实测糙率分析成果，河道糙率主槽取0.028，滩地取0.030。淦河干流河道基本情况与十好桥水文站断面较为接近，主槽相对清洁，滩地有零星灌木，河道糙率率定值采用十好桥站分析成果。

紊动黏性系数对水流计算边界变化急剧、有回流产生的区域很重要，模型根据Smagorinsky公式[4-5]确定，见式(1)。

(1)

式中：U、V为x、y方向垂线平均流速；Δ为网格间距；Cs(柯朗数)为计算参数，一般选0.25

模型计算网格构建完成后，合适的时间步长选择是模型计算结果收敛的关键。模型的时间步长选择与网格大小及格网单元的流速有关。时间步长选取的计算公式见式(2)，根据Courant数(CR)选取时间步长。

(2)

式中：h为水深；Δt为时间步长；Δx为空间步长。根据模型参数，结合上述公式确定模型计算时间步长为3 s，满足模型数值计算要求。涵洞采用MIKE21的涵洞构筑物，直接加进模型中。

2 模型验证

咸宁市水利水电工程测试所2008年8月完成了《咸宁市淦河盘泗河段分洪工程水工模型试验报告》，盘泗河段分洪工程即碧桂园分洪渠。

水工模型按弗汝德相似准则，根据试验任务的要求，河道水力学防冲模型见图2，几何尺寸选定1/80，为定床水工模型。

图2 模型试验原理图

河道长约2 570 m，模型长32.13 m；河宽70～100 m，模型宽度0.875～1.25 m；主河深8～10 m，模型0.10～0.125 m。河道按防洪及分流设计方案，模型缩比尺寸进行模型制作。模型均用砖砌筑，河道边坡水泥砂浆抹面，河底为砂砾石，分洪工程进、出口及人工湖为水泥砂浆抹面。

根据《咸宁市淦河盘泗河段分洪工程水工模型试验报告》，50年一遇设计洪峰流量1 430 m3/s情况下，分洪渠分洪流量460 m3/s。

本次模型在按分洪渠原设计条件，即不考虑渠道淤积情况下进行模拟计算，得到50年一遇设计洪水情况下，分洪渠分洪流量460 m3/s左右，与水工模型试验成果基本一致，说明模型参数取值合理。

3 计算成果

根据模型计算结果，在分洪渠内部疏挖和出口扩宽等工程措施一致的前提条件下，分洪渠进口不扩挖及扩挖1孔、2孔、3孔和4孔，扩挖单孔尺寸均为单孔宽7 m，高4.5 m，底板高程19.90 m，淦河流量均按50年一遇洪峰流量1 430 m3/s考虑，分洪渠进口前的水位对比见表1。

表1 分洪渠进口扩挖水位对比表(P=2%)

由表1可知，当扩挖由2孔增加至3孔时，水位仅仅降低0.05 m，当扩挖由3孔增加至4孔时，水位仅仅降低0.04 m，而扩挖由1孔增加至2孔时，水位降低0.22 m。因此，扩挖2孔相对来说，收益与投入比值相对较高，继续扩宽显然不经济。

通过分洪渠进出口扩宽和分洪渠内部疏挖，当分洪渠进口扩挖2孔时(单孔宽7 m，高4.5 m，底板高程19.90 m)，分流量可达720 m3/s，约为淦河设计流量1 430 m3/s的1/2，此时分洪渠进口前淦河水位降幅最大。本次以分洪渠进口扩挖2孔方案作为推荐方案。通过分洪渠进出口扩宽和分洪渠内部疏挖工程的实施，分洪渠进口处淦河水位较现状降低0.86 m(见图3)。