基于MIKE11的安徽省淮河干流六坊堤段河道分流比演变分析

王 宁

(安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230088)

分汊型河道是冲积平原河流中常见的一种河型[1]，分流比是描述分汊河道演变规律的重要特征参数，分流比的变化对河道防洪、除涝、灌溉、航运等功能具有重要影响[2]。陆齐等[3]对长江下游安庆段河道治理进行初步研究，得出促淤锁坝工程、潜坝工程可以改善汊道分流格局、稳定河势；黄伟杰等[4]对珠江河口口门洪水分流比变化及成因进行分析，得出泄洪断面宽度不变、河槽冲刷加深，有利于口门洪水宣泄；王志兴等[5]对黑龙江干流松花江汇口江段进行了三维数值模拟研究，明确了不同工况下松花江汇口段各汊道分流比、流态分布。

六坊堤段河道是安徽省淮河干流一处典型的分汊型河段，该段河道为灯草窝圩至淮南平圩子段，位于凤台县城至淮南市区之间，在灯草窝圩上口处分南北2汊，南北汊分别长24.08、24.06km，2汊在淮南平圩子处汇合。上、下六坊堤行洪区概化图如图1所示。

图1 上、下六坊堤行洪区概化图

上、下六坊堤为淮河流域低标准行洪区，自设立以来至今均启用了13次，进洪机率约5年一遇。近年来，受水文气象变化、河道整治、人工采砂的共同作用，淮河的水沙条件及河床边界发生了明显的变化。为量化分析六坊堤段河道南汊、北汊过流能力演变情况，本文基于1971、1979、1992、2005、2012、2019、2020年等不同年份的实测断面资料，采用MIKE11数值模型，研究分析六坊堤段河道演变情况。

1 研究方法

1.1 分流比公式

对于双分汊河道，汊道分流比为：

ηm=Qm/(Qm+Qn)

(1)

式中，Qm—主汊流量;Qn—支汊流量;ηm—主汊分流比。

1.2 模型构建

1.2.1模型简介

本次采用MIKE11水动力学模型计算上下六坊堤段分汊河道分流比，模型可用于洪水预报及河道设计、调度研究，具有计算稳定、精度高、可靠性强等特点，能方便灵活地进行复杂河网水流、模拟闸门、溃口等各类水工建筑物的运营调度，尤其适合应用于水工建筑物众多、控制调度复杂的情况[6- 8]。MIKE11水动力学计算模型是基于垂向积分的物质和动量守恒方程，即一维非恒定流Saint-Venant方程组来模拟河流或河口的水流状态[9]。

(2)

式中，x、t—计算点空间和时间的坐标;A—过水断面面积;Q—过流流量;h—水位;q—旁侧入流流量;C—谢才系数;R—水力半径;α—动量校正系数;g—重力加速度。

方程组利用Abbott-Ionescu六点隐式有限差分格式求解[10]。该格式按顺序交替计算水位或流量，分别称为h点和Q点。Abbott-Ionescu格式具有稳定性好、计算精度高的特点。离散后的线形方程组用追赶法求解。

1.2.2河道及建筑物概化

本次采用MIKE11模型模拟计算河段分流比，构建了六坊堤段南汊河道长24.08km、北汊河道长24.06km、二道河长2.5km，各断面间距按800m左右控制。上六坊堤行洪区及下六坊堤行洪区分别按一维河道进行概化，概化的一维河道上六坊堤长7.6km、下六坊堤长8.1km。上、下六坊堤的分洪口门以MIKE11 SO模块的Control Structure功能进行概化，包括分洪口门结构物的工程尺寸、调度运行情况等，详见表1。构建的六坊堤段河道河网模型示意图如图2所示。

表1 上、下六坊堤分洪口门按规划调度规则概化设置表 单位：m

图2 六坊堤段河道河网模型示意图

1.2.3糙率及边界选用

《安徽省淮河洪水及行蓄洪区调度决策风险管理系统》等[11]研究中已对淮河干流糙率做了系统性论述，根据其中的率定及验证成果，淮河干流河道主槽糙率为0.0215，滩地糙率为0.0335，行洪区糙率为0.0375。其中河道上边界采用淮河干流百年一遇设计流量10000m3/s，下边界采用六坊堤段河道下交汇口设计水位24.71m。

1.3 分流比验证

汊道是从单一河段分汊而成的，为进一步验证模型计算结果的准确性，根据中国工程院谢鉴衡院士《河床演变及整治》[1]中定义的汊道各要素，如流量、水面宽、过水面积和流速等进行验证。以双汊为例,如图3所示，设单一段与汊道段的河相系数ζ，糙率n，比降J都相等，则：

(3)

式中，Q0、Qm、Qn—单一段、主汊和支汊的过流流量。换算得：

(4)

(5)

过水面积：

(6)

(7)

图3 汊道区各水力要素变化图

2 演变分析与验证

2.1 分流比演变分析

从历年测量万分之一平面图来看，受左岸淮北大堤，右岸黑李段、老应段及上、下六坊堤行洪堤等堤防影响束缚，该段河道平面形态经过多年演变没有较大变化。

从计算结果来看，上六坊堤段河道的南汊为主汊河道，经多年河道演变，南汊分流流量占比从54%增加至65%，各年份测量断面过流能力如下：1992—2005年北汊分流流量由2700m3/s降低至2000m3/s，2012年后分流流量基本稳定；1992—2005南汊分流流量由5400m3/s增加至6400m3/s，2019年又增加至6500m3/s，2020年分流流量无变化。上六坊堤行洪区分洪流量由1900m3/s逐步降低至1500m3/s。

下六坊堤段河道的南汊为主汊河道，经多年河道演变，南汊分流流量占比从38%增加至42%，各年份测量断面过流能力如下：1992—2005年北汊分流流量由3600m3/s降低至3350m3/s，2019年后分流流量又降低到3200m3/s，2020年分流流量无变化；1992—2005南汊分流流量由3800m3/s增加至3950m3/s，2019年又增加至4200m3/s，2020年分流流量无变化。下六坊堤行洪区分洪流量基本稳定，在2600m3/s左右。

不同年份上、下六坊堤北汊、行洪区、南汊分流情况分别如图4—5所示。

2.2 分流比结果验证

经分析，上六坊堤南汊河道满足主汊分流比ηm>0.5条件，为进一步对比验证模型计算结果，本次采用上六坊堤南汊1971、1979、1992、2005、2012、2019、2020年等不同年份实测断面的水面宽度、过水面积、流速3个水力要素进行分流比结果验证，详见表2。可以看出，各年份主汊的3个水力要素均与模型计算结果差距在10%以内，在现行规范及技术导则等[12- 13]要求的误差以内，模型演算成果较为可靠。

图4 不同年份上六坊堤段分汊河道分流流量图

图5 不同年份下六坊堤段分汊河道分流流量图

表2 上六坊堤南汊不同年份水面宽度、过水面积、流速、单宽流量验证

3 结论

本文采用MIKE11模型基于7个年份的实测断面模拟计算了淮河干流六坊堤段河道南汊、北汊、行洪区分流比情况，同时采用水力学方法对模拟结果进行了验证，MIKE11数学模型计算结果精确度高，模拟可靠。结果表明，南汊分流流量逐渐增加，而北汊分流流量逐渐降低，河段主汊向南汊演变加强，行洪区分流流量总体变化不大。本次研究成果不仅对分汊河道分流演变分析具有基础性的指导意义，也为淮河干流六坊堤段河道整治提供了理论支撑。同时，本次研究分析主要是基于数值模型方法，今后可通过增设水文测站和建设物理模型等进一步深化研究六坊堤段的河道演变。