基于MIKE21的冀村沟倒虹吸洪水风险分析

(1.河南省水利勘测设计研究有限公司，郑州，450000；2.重庆铁路投资集团有限公司，重庆 江北区，400023)

1 引言

洪涝灾害是我国发生频繁的自然灾害之一，严重影响了我国社会经济发展，为此国家修建了很多水利工程，在控制洪水灾害方面做出了巨大贡献。近些年，国家的防洪理念逐步由控制洪水向洪水管理转变，加强了防洪非工程措施的投入，尤其是水流数值模拟技术的推广应用。随着计算机技术的发展，数值模拟技术在河道水流模拟方面有着周期短，可操作性强，计算精度高等优势，逐渐被社会各界广泛使用[1]，常见的河流数值模拟软件有荷兰的Delft 3D软件[2]，美国的SMS水动力学模型[3]以及目前广泛应用在实际工程领域的丹麦DHI Mike系列水流模拟软件[4]。随着全国洪水风险图的编制，Mike软件被全国水利行业广泛推广应用。

本文采用Mike21 FM中的水动力学模块建立南水北调中线工程左岸排水建筑物冀村沟倒虹吸上游二维洪水演进模型，分析弃渣场改变原有地形后，冀村沟倒虹吸的流域面积是否改变，及对南水北调中线总干渠和冀村沟倒虹吸造成的洪水风险。

2 工程概况

冀村沟倒虹吸位于河南省禹州市鸿畅镇冀村以南的冀村沟上，是南水北调中线工程总干渠左岸排水建筑物。倒虹吸以上冀村沟流域面积0.66km2，上游沟长为575m，比降0.001。冀村沟倒虹吸管身长91m，单孔2.5m×2.5m(宽×高)。

冀村沟倒虹吸以西800m处为兰河，该区域洪水大部分进入兰河，只有小部分进入冀村沟倒虹吸。近年来，由于基础设施建设需要，冀村沟东侧设置为弃土弃渣场，高出附近地面20m左右，渣场堆弃造成地形改变，可能会引起冀村沟洪水的汇流方式和流域面积变化，进而改变冀村沟倒虹吸的下泄洪峰流量，若洪峰流量大于原设计洪峰流量，则会威胁到南水北调中线总干渠和冀村沟倒虹吸的安全。

冀村东弃土弃渣场东西长约1400m、南北长约1515m。场区顶面由西向东平整为三级平台，弃土弃渣场区内共设置a、b、c共3条浆砌石排水主沟，排水沟a从场区北侧起坡处开始向西，最终汇入截流沟；排水沟b从边坡北端开始沿坡脚向南，汇入排水沟a；排水沟c从东北角开始向南，最终汇入截流沟。小洪水时通过a、b、c三处排水沟排水，大洪水时排水沟漫溢后沿地势向西排洪。

图1 冀村沟倒虹吸上游区域地物分布

3 研究方法

本项目使用MIKE21 FM中的水动力学模块来构建冀村沟倒虹吸上游区域的二维洪水演进模型，以模拟冀村沟倒虹吸上游洪水的淹没演进过程。

MIKE21 FM中的二维地表淹没演进模型采用非结构化网格计算水流运动的二维非恒定流方程组，该方程组包含三个方程，分别是水流连续性方程、水流沿X方向的动量方程以及水流沿Y方向的动量方程，公式如下：

式中：

t为时间(s)；

n为曼宁糙率系统；

x、y为直角坐标系的横纵坐标(m)；

u、v为x、y方向的流速分量(m/s)；

z、h为x、y处的水位和水深(m)；

根据以上方程组，利用迭代法求解即可得到每一时刻在(x，y)处的水位z、水深h及流速u、v。

4 模型构建

4.1 模型范围及网格划分

本次模型范围选取冀村沟上游片区即总干渠左岸，为了准确模拟渣场对汇流方式的影响，将渣场全部包含在模拟范围内。模型西以兰河为界；南以总干渠堤防为界；东以地形最高点为界；北以渣场上边界为界。

用非结构性网络(三角形)对模型范围进行剖分，单一网格面积不超过100m2，最大边长不超过10m。为了精确模拟渣场排水沟、道路、总干渠左侧截流沟等地物对区域汇流的影响，对其进行了网格加密处理。

(1)渣场排水沟网格加密：渣场排水沟设计为开口宽1.5m，底宽0.5m，深0.5m的梯形断面，为了精确模拟渣场排水沟对区域汇流方式的影响，对渣场排水沟以及沟中心线两侧各10m范围内网格进行加密处理，单一网格面积不超过1m2，最大边长不超过1m；

(2)截流沟加密：截流沟底宽1m，深1.5m，边坡1∶1，开口宽4m，单一网格面积不超过4m2，最大边长不超过2m；

(3)对区域内的道路最大边长不超过5m。

共剖分网格数量154 822个，网格云图见图2。通过航测得到的DEM数据对生成的网格进行地形插值得到模拟范围内的地形文件。

图2 冀村沟网格划分

4.2 边界条件

模型采用设计标准50年一遇和校核标准200年一遇的净雨过程，降雨历时为24h，与设计成果一致，净雨过程见图3。下边界为冀村沟倒虹吸进口，采用设计水位流量关系成果，冀村沟倒虹吸进口处水位流量关系见图4。通过坡面洪水流向的模拟来确定受渣场影响下的流域面积的变化，分析倒虹吸和总干渠处的洪水风险。

图3 设计净雨过程

图4 冀村沟倒虹吸水位流量过程

4.3 河道糙率及模型验证

糙率按居民地、耕地、道路、空地、河道等下垫面，分别赋予不同的值。模型中各糙率结合现场查勘情况，参考南水北调中线总干渠设计阶段的赋值和近年完成的全国洪水风险图项目《洪水风险图编制导则》推荐值赋予糙率初值，然后通过不断调试，使冀村沟水位与设计成果基本吻合，最终确定糙率值见表1。

表1 各下垫面糙率取值

通过改变模型边界条件来进行模型验证。因渣场未占用冀村沟原河道，故将冀村沟设计洪水作为上边界，下边界不变，仍为冀村沟倒虹吸进口处，采用冀村沟倒虹吸进口设计水位流量关系，模拟得到冀村沟沿线的水位，并与设计成果比较，结果如图5。从结果来看，模拟水面线成果与设计水面线成果吻合较好，误差在0.20m以内，说明模型参数选取合理，模型结果可靠。

图5 模拟成果与设计成果对比

5 成果分析

5.1 计算结果

通过对现状地形下洪水演进的模拟计算，得到了冀村沟倒虹吸上游遭遇50年一遇和200年一遇设计净雨时洪水的淹没演进过程、淹没范围、水深分布、流速分布、到达时间等各类水力要素。在淹没演进过程中通过水流流速流向分布情况，可以明显的区分出冀村沟倒虹吸的流域界，从而统计出冀村沟倒虹吸的流域面积。淹没水深分布情况见图6和图7，水流流速及流向分布见图8。

从流速流向分布图可以看出，遭遇暴雨时，初期雨水通过排水沟汇集后排向总干渠截流沟，再向冀村沟倒虹吸排泄；随着降雨过程的增大，排水沟集满后会漫溢出槽，沿地势排向兰河。根据二维模型模拟的水流方向，流域右侧为渣场高地为自然边界；北部水流大部分流向兰河，受横向村庄道路(道路二)阻挡，道路二以南的洪水流向冀村沟；左侧边界受跨总干渠生产路(道路三)引道影响，把水流分为两侧，一部分流向兰河，一部分流向冀村沟，道路三上段路基基本平地面，对洪水阻碍较小，洪水越过道路流向兰河。由此划分出有渣场情况下的冀村沟流域边界，即图8中红线范围。

图6 50年一遇暴雨洪水淹没水深分布

图7 200年一遇暴雨洪水淹没水深分布

图8 洪水流速流向分布

5.2 风险分析

由模拟结果可以看到水流的流动过程，由此划定冀村沟倒虹吸在现状地形下的汇流区域，量算得到汇流面积为0.59km2，而冀村沟汇流面积设计值为0.66km2，模拟结果比设计成果减小0.07km2，占设计成果的10.6%，模拟成果与设计成果基本一致，因此，上游地形的改变未增大冀村沟倒虹吸和南水北调总干渠的防洪风险。通过GIS图层叠加航测的影像图，将设计阶段划分的流域界与模拟得到的流域界进行对比，见图9。

6 结论

(1)本文选取南水北调中线总干渠左岸包含弃渣场在内的冀村为研究区域，基于无人机航测生成的DEM数据，构建MIKE21 FM二维洪水淹没演进模型，采用设计洪水进行模型验证和参数率定，模拟计算了50年一遇和200年一遇设计降雨下的洪水淹没演进情况，并进行风险分析。

图9 模型计算流域界与设计流域界对比

(2)经过模拟并对结果分析，弃渣场造成的地形变化对南水北调中线总干渠和冀村沟倒虹吸造成的洪水风险较小，不需要采取具体工程措施。但由于弃渣场地形较高，周围地形较低，发生大暴雨时有边坡滑动甚至坍塌的风险，建议加强弃渣场边坡防护。