基于MIKE 11模型的鹅头分汊型河道水面线及分流比计算

2020-06-08张洪霞耿文杰连雷雷

陕西水利 2020年1期

顾盼，张洪霞，耿文杰，连雷雷，左建

（长江水利委员会水文局汉江水文水资源勘测局，湖北襄阳 441000）

1 研究背景

丹江口水库枢纽蓄水运用后，汉江中下游水沙条件及河势发生了根本变化，河道由亚分汊淤积型向稳定分汊侵蚀型演变，河床冲刷，主支易位，鱼梁洲滩尾下延，遇大水年份，深泓线变迁，顶冲点迁移，但由于人为活动的干预，修筑河堤，实施河道护岸工程、建造河势控制工程，致使河道外形已不大可能发生大的变化，唯江心河滩及汊道进行冲淤的交替。另外，建库后襄崔河段来水长期较为平稳，水流的流向、流路变化较小，左汊曾经经历过长期清水冲刷，河床冲刷达到一定程度后很难继续发展，且2009年10月崔家营航电枢纽蓄水运用前，对鱼梁洲洲体进行了整治，在洲滩上修建了防洪子堤，开挖了南北汊河道及鱼梁洲洲滩，子堤的高程为64.3 m。因此，汉江鱼梁洲河段未来河势不会发生大的变化。

汉江鱼梁洲河段属典型的鹅头分汊道型河道，在丹江口水库和崔家营水库调度的双重影响下，河段水流状态较复杂。本文采用2015年最新实测固定断面资料，对不同来水条件下鱼梁洲河段水面线及左、右汊分流比进行了计算和研究。研究结果对于此河段分汊河道设计修建涉水工程可提供一定的参考。

2 河段概况

襄阳～崔家营河段，河道穿越城区将襄阳市一分为二，右岸为襄城区，左岸为樊城区。北河段为弯曲的河道，形状为开口向西南方向的“U”形。汉江河床在由西向东流经襄阳市区中部呈Y字型分流，主河道开始转向北偏东30°左右的流向，在汉江铁路桥以下，河流由东折向东南，河床宽1000 m～6000 m。在其分流处下游约3 km小清河从自西北方向汇入，下游约6 km与唐白河汇合后转向南偏东流向而后逐渐转向南，在两河口下游12 km处与分流河道汇合。分流河道流向东偏南方向后逐渐转为南偏东、最终向南与主河道汇合。由于小清河、唐白河自西北方向汇入，形成回流，经历次洪水的冲刷、淤积、切割，演变成现在的鱼梁洲。鱼梁洲洲滩高程一般在62.0 m～66.5 m，枯水期其东西宽约5.3 km，南北长约10.6 km，全洲面积约为27 km2，洲头距襄阳水文站约2.5 km。

20世纪60年代以前左汊为主汊，20世纪60年代末丹江口水库蓄水后清水下泄，河床下切，主流归槽，70年代以后，右汊逐渐发展为主汊。襄阳水文站断面1974年至1992年实测河床平均冲深达1.79 m。目前该河段因水流冲走床面泥沙中的较细颗粒，使床面的泥沙组成粗化，冲刷基本平稳，河势相对稳定。鱼梁洲是河段内最大江心洲，崔家营水电枢纽建成蓄水后，鱼梁洲的可开发面积约13 km2。现阶段，鱼梁洲的开发利用应坚持“不碍洪、稳河势、保民生、促发展”的原则，在崔家营航电枢纽正常蓄水位62.73 m（黄海）以上的部分洲滩进行适度利用。

3 MIKE 11模型

3.1 模型原理

MIKE 11模型由丹麦水力研究所（DHI）开发，包括HD模块、RR模块、DA模块、FF模块、ST模块、AD模块和SO模块。MIKE 11HD作为MIKE 11模型建立过程中的核心模块，可以对一维地表明渠流的水动力进行动态模拟，适用于山溪性、平原性河流的水力计算，应用范围包括单一河道河流、汊状河网及环状河网。

模型的基本方程为圣维南方程组，其连续方程、动量守恒方程分别为：

式中：A为河道过水面积；Q为流量；u为侧向流在河道方向的流速；t为时间；x为沿水流方向的水平坐标；q为河道的侧向流量；α为动量修正系数；g为重力加速度；y为水位；Sf为糙率系数。

MIKE 11模型采用Abbott-Ionesco[3]六点中心隐式差分格式对圣维南方程进行数值离散化，并应用“追赶法”求解差分方程。由于Abbott六点中心隐式差分算法为无条件稳定方法，具有较高的计算稳定性，误差率＜2%，且计算速度较快，一般比常规四点差分格式快5～6倍。

3.2 模型的构建

MIKE 11软件主要用于河口、河流、灌溉系统和其他内陆水域的水文、水力、水质和泥沙传输模拟，在防汛、洪水预报、水资源水量、水质管理、水利工程规划、设计、论证等领域得到广泛应用。

基于MIKE 11系统的模型构建主要包括河网概化、断面文件处理、边界与初始条件设置、模型参数率定和验证等。MIKE 11 HD包含河网文件、断面数据、边界条件和模型参数四个文件，前三个为建模基础数据资料，模型参数文件为需率定的参数，根据模型原理可知，率定的参数为糙率系数。MIKE 11 HD的模型结构，见图1。

图1 MIKE 11 HD模型结构

3.2.1 模型输入

（1）河网及实测断面

本次计算以襄崔河段1∶5000实测河道地形图为基础资料，生成计算区域的河网文件，建立左、右汊河道的拓扑结构，进行水系概化；采用河段2015年实测的11个固定断面为基本控制断面，示意图如图2。

图2 襄阳～崔家营河段河道及实测断面布置及洪痕位置示意图

（2）边界与初始条件

根据河道分汊情况，确定模型的边界条件，选取襄阳水文站上游约1 km处HZ49-1为上游边界输入断面，崔家营电厂大坝坝址处HZ55-1为下游边界出口断面；上边界输入流量，下边界输入对应控制水位。

3.2.2 模型率定

以2017年10月在河段5个位置处的实测水位以及左、右汊分流比为控制目标，对模型中反映河床糙率的糙率系数进行率定。经过反复率定，汉江右汊糙率为0.025，左汊糙率为0.021。模拟水位与实测断面水位相差不超过0.05 m，见表1；模型率定水面线与实测洪水位见图3；模拟的左汊流量1785 m3/s、右汊流量6225 m3/s，占总流量比例为22.3%和77.7%，实测左汊流量1800 m3/s、右汊流量6210 m3/s，占总流量比例为22.5%和77.5%，见表2。

表1 模型率定水位与实测水位

图3 模型率定水面线与实测洪水位

表2 模型率定分流比与实测分流比

3.2.3 模型的验证

模型的验证采用2011年9月汉江洪水，襄阳站流量13000 m3/s，崔家营水位62.86 m，用实测水位与分流比对模型进行验证，其计算成果与实测成果的比较，见表3、表4和图4。结果表明，模拟水位与实测水位偏差较小，相差不超过0.03 m，模拟的左汊流量、右汊流量占总流量比例为22.8%、77.2%，实测左汊流量、右汊流量站总流量比例为23.0%：77.0%。可见率定的MIKE 11模型具有较高精度，可用于本河段中高型典型洪水水面线及分流比的推求运用。