基于MIKE21模型的定州沙河流量与分流比关系分析

刘 迪

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

1 项目区概况

沙河是大清河水系南支潴龙河的一条主要支流，发源于山西省灵丘县和繁峙县。沙河上游北支源出灵邱县太白卫山， 西北支源出繁峙县五台山东白坡头，两支于河北省阜平县杜里元汇合，流经阜平、曲阳县至新乐南辛店小吴村入定州市大吴村， 至怀德、子远、东西张歉村以下分为两支：北支在邵村、西留春、西王耨、马阜才等村南；南支在李亲顾镇东、东湖村西、西丁、子位村北，至安国市大李庄南两支合流。 北支为主流，至大定村出境入安国市境，至安平县北郭村附近与磁河、孟良河汇合后注入潴龙河，河道全长242km，北郭村以上流域面积5560km2。定州市段主河长26.4km，南支15.2km，西部河宽3.3km，东部河宽300～500m，境内流域面积105.7km2。

2 研究内容及技术路线

沙河定州市段长26.4km， 本课题主要以李亲顾镇段5.6km为研究对象， 为保证模型可靠上游延长5km，下游南支延长3.1km，北支延长6.6km，共18km，旨在基于MIKE21 FM水动力模块进行各种工况下的二维数值模拟，计算南北支分流比。 如图1。

图1 技术路线

3 河道模型的建立

本次研究以沙河定州段规划后河道为例构建数学模型。 沙河定州市段长约26.4km，主要为李亲顾镇段5.6km为研究对象，为保证模型可靠上游延长5km，下游南支延长3.1km，北支延长6.6km，共18km。 采用2019年1∶1000实测地形图，并结合沙河设计断面，作为建模基础进行转化、提取，将沙河河道堤线作网格剖分边界，以100m为边长，形成三角形，模型总面积18.13km2，对分汊口段河道进行了模型加密，内部有1561个节点，2521个非结构网格。网格剖分如图2，沙河区域内高程模型如图3。

图2 沙河区域网格剖分

图3 沙河区域高程模型

上游边界条件为模型入流。本次模型建设研究为流量与分流比的关系，将上游边界条件分为5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇4种工况。 入流条件选择恒定流。 下游边界条件为模型出流。 下游边界为规划南支桩号5+100，北支桩号25+000的设计水位。

糙率是反映地面阻水程度的参数， 本次参照以往模型率定成果按经验选取。 现状滩地糙率取0.045，主槽糙率取0.025。

3.1 模型计算方案

本次研究以规划沙河河道为模型， 计算不同流量情况下的分流比关系。模型采用了共计4种工况进行计算。 如表1。

表1 设计工况

3.2 模型计算结果

经计算，在不同的行洪流量下，南北支流量及分流比计算结果计算结果如表2。

表2 计算成果统计 单位：m3/s

入流源设置在桩号7+000处，2h后，5年一遇洪水行洪至桩号13+000附近；10年一遇洪水行洪至桩号15+000附近；20年一遇洪水行洪至桩号18+400附近；50年一遇洪水行洪至桩号21+000附近。

5年一遇洪水行洪至模型终点（桩号25+000）历时5.5h；10年一遇洪水行洪至模型终点历时4.8h；20年一遇洪水行洪至模型终点历时3.2h；50年一遇洪水行洪至模型终点历时2.7h。 从淹没过程上看，各时段淹没范围基本合理；从洪水流场图上看，各时段流场分布合理，变化趋势符合水流运动规律。

4 分流比结果分析

影响分流比的因素有河宽比、地形、糙率、河道拐角、流量等。本次模型采用沙河定州段规划后设计断面，控制了河宽、地形、糙率、弯道拐角等因素，单独分析总流量对分流比产生的影响。

根据模型计算成果统计表2，南北分支分流比与沙河总流量呈一定的线性关系， 绘得各个工况流量走势图及流量与分流比关系如图4、图5。

图4 各个工况流量走势

图5 流量与分流比关系

根据模型计算结果计算得出南支分流比y与总流量x的关系如式（1），北支分流比y与总流量x的关系如式（2）。

5 结语

（1）沙河定州李亲顾镇段现状河道分为南北两支， 现状分流比为0.4∶0.6。 2013年定州市为发展需要，规划将南北支分汊口下移1.85km，分流比发生了变化。 地形变化对河流比产生了影响。

（2）本次模型采用沙河定州段规划后设计断面，控制河宽、地形、糙率、弯道拐角等因素，单独分析总流量对分流比的影响， 由计算结果可知南北分支分流比与沙河总流量呈一定线性关系，南支分流比y与总流量x的关系式为：y=0.88×10-5x+0.193； 北支分流比y与总流量x的关系式为：y=-0.88×10-5x+0.807。

（3）规划后的沙河分汊口不同流量下的分流比计算结果， 为以后沙河治理等相关水利工程设计提供了技术依据。