基于Mike11一维河道溃决模型的暗渠洪水风险分析

赵蕾蕾 张玉杰

（河南省水利勘测设计研究有限公司）

1 研究区域概况

1.1 自然地理

辉县东河属海河流域漳卫河水系百泉河支流，卫河（共产主义渠）二级支流，发源于辉县太行山南麓方山，流经窑村出山，南下经雷庄、大官庄，至辉县市东南入百泉河，于新乡县北注入卫河，干流长12.50 km。辉县东河流至大官庄村东与总干渠相交，交叉断面以上集水面积17.10 km2，干流长7.50 km，干流平均坡降为21.50‰，流域形状似带状，地势北高南低，由北向西南倾斜。流域内为山丘区，山区河段为峡谷，局部基岩裸露，交叉处河床由壤土组成。辉县东河为季节性河流，平时河床干涸，河道内种植农作物，两岸树木较少。

1.2 区域地物

总干渠运行以来，辉县东河下游边界条件发生了较大变化，主要有四个变化：①由于辉县县城快速发展，河道两侧已发展为城市，导致辉县东河下游河道束窄，行洪断面减小。②辉县东河暗渠交叉断面下游约500 m 处辉常路上阻水涵洞拆除后，修建辉常路桥，桥下为3 孔7 m×6 m 的桥孔。③位于总干渠上辉县东河暗渠下游的杨庄沟渡槽改变下游原行洪通道，在杨庄沟排水渡槽出口海漫段下游的沟道右岸，开槽设置进水口，经由总干渠右岸永久占地线以外往北，在辉常路处转向西，沿辉常路往西排水，在辉常路桥处入辉县东河。④辉县东河暗渠交叉断面下游700 m处，幸福桥两孔桥孔阻水。

1.3 风险分析

①辉县东河暗渠交叉断面辉县东河水位超过设计值较大，洪水漫溢进入总干渠，威胁到总干渠安全；②杨庄沟洪水将于辉常路处汇入辉县东河。在遭遇洪水时，若辉县东河水位高，杨庄沟洪水出流不畅，甚至辉县东河洪水会倒灌杨庄沟排水渡槽，进而威胁总干渠安全。

为了保证总干渠安全，发生洪水时，辉县东河暗渠交叉断面水位不能超过设计值，同时辉常路处水位不能超过杨庄沟涵洞顶高程。

文章采用Mike11 一维水动力模型模拟在现状地形、地物条件下的辉县东河洪水溃决演进过程，分析洪水对总干渠及辉县东河上下游城区可能产生的风险，提供相应的工程措施建议，保证总干渠的安全，也为中线工程汛期应急抢险提供决策支撑。

2 模型分析

2.1 模型原理

MIKE 11 水动力学模型的微分方程是一维明渠非恒定流方程，即圣维南（Saint-Venant）方程组。具体形式为：

式（1）和（2）中：t 为时间坐标；x 为河道沿程坐标；Q 为流量；Z 为水位；A 为过水断面的面积；B 为水面宽度；K 为流量模数；g为重力加速度；q为旁侧入流流量。

式（3）中：n为河道糙率系数；R为水力半径。

MIKE 11采用六点Abbott-Ionescu 有限差分格式对圣维南方程组进行离散，离散后的方程组用追赶法求解。该离散格式在每一个网格点并不同时计算水位和流量，而是按顺序交替计算水位或流量，分别称为h点和Q点，如图1所示。

图1 六点有限差分格式水位点、流量点交替布置示意图

2.2 模型构建

2.2.1 河道断面

利用无人机测量了辉县东河附近地形及河道断面，利用航测资料，每隔100 m提取一个断面，构建断面文件，生成了计算范围0+000（上游）～2+500（下游）内共26个断面，其中辉县东河暗渠位于1+000 断面，该断面数据采用总干渠设计断面值。辉常路桥位于1+500断面，幸福桥位于断面1+700断面。

2.2.2 河道建筑物概化

河道上共有两个建筑物，分别为改建后的辉常路桥（3 孔7 m×6 m 的桥孔）和幸福桥（共一孔半，其中半孔不过水，单孔为城门洞型10 m×3 m）。模型设置上将两座桥梁概化为涵洞与宽顶堰的组合建筑物，水位低的时候，水流过涵，水位过高时，变为涵洞的有压流，同时出现堰流，模型会根据水位自动调整采用堰流公式或者有压流公式进行计算。

考虑到洪水实际演进情况，在辉常路桥和幸福桥处洪水会大量集中漫溢，所以在模型中，这两处均设置溃口，进行溃口溃决模拟，当水位超过桥面高程时，洪水沿桥面向周围漫溢，随周围地势继续演进。

2.2.3 边界条件

模拟采用辉县东河遭遇5、10、20、50 和200 a 一遇共5 个洪水量级。模型共设置3 个边界条件，上边界0+000 处为5 个频率对应的洪峰流量，下边界2+500 处为该断面的水位流量关系，最后一个为辉常路桥处杨庄沟渡槽入流辉县东河，该入流作为点源在辉常路桥处加入。

2.2.4 参数选取与模型验证

一维模型中涉及到的参数主要为河道糙率，根据查勘情况，结合设计阶段辉县东河糙率值，初步选取糙率值，通过模型计算不断调试，最终确定辉县东河主槽糙率为0.03、滩地糙率为0.06。

模型验证与总干渠设计标准和校核标准一致，选取50 a和200 a 一遇两个工况，同时河道沿程不漫溢，河道建筑物也与设计阶段一样，通过模型计算出辉县东河沿程水面线，并选取辉县东河暗渠处洪水位与总干渠设计值对比分析，对比结果见表1。结果显示，模型计算结果均高于总干渠设计值，差值较小，均不超过0.20 m，精度满足要求，说明模型是可靠的。

表1 模型计算结果与总干渠设计结果对比情况表

2.2.5 洪水方案

采用最不利洪水组合，辉县东河上游洪水频率对应相同频率杨庄沟涵洞入流组合，计算中有5、10、20、50 和200 a 一遇共5个频率洪水组合。

3 模拟结果

通过模型计算，得到了现状地形及行洪边界条件下5 中工况辉县东河沿程水面线。经过计算结果分析，①总干渠交叉断面处50 a 和200 a 一遇水位均低于总干渠设计阶段水位成果，对总干渠安全。②只有在5 a 一遇时辉常路桥处水位低于杨庄沟涵洞顶高程106.00 m，辉县东河洪水不会倒灌入杨庄沟，洪水频率高于5 a 一遇就可能倒灌杨庄沟，威胁总干渠的安全。所以现状边界条件对总干渠存在很大的风险。

从计算结果来看，幸福桥处水位落差接近1 m，明显是幸福桥的阻水作用推高了上游水位，如果将幸福桥拆除，辉常路桥处水位就会降低很多，也许可以满足总干渠防洪要求。为了寻求更合理的方案，排出总干渠的防洪安全隐患，将上述模型调整，拆除幸福桥，模拟计算5个工况下水面线。

从调整后结果分析，幸福桥拆除后，辉常路桥处的水位降低明显，200 a 一遇洪水时，辉常路桥水位为105.38 m，低于杨庄沟涵洞顶高程106.00 m，不会威胁到杨庄沟的安全，同时总干渠处水位也明显降低，50 a 和200 a 一遇洪水时，总干渠处水位分别低于设计结果1.74 m和1.81 m，总干渠也是安全的。

4 结论

①为了分析辉县东河暗渠下游边界条件改变后，洪水对总干渠的风险，文章基于Mike11 软件，以辉县东河为研究对象，建立辉县东河一维河道溃决水动力模型，模拟计算了辉县东河在现状边界条件下的洪水溃决演进过程，得到了5种工况下辉县东河沿程水面线。②通过模拟计算结果来看，现状边界条件改变后，洪水对总干渠的安全有很大威胁，风险很大。经过调整下游边界，模拟得出，拆除幸福桥以后，总干渠的洪水风险基本消除。为了保证总干渠安全，建议拆除幸福桥。