基于MIKE21 模型的南水北调中线工程防洪复核分析

焦军丽

（黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003）

南水北调中线工程从可研到建成通水前后历经十余载，于2014 年全线通水运行，工程建设期和建成以来随着人类活动的不断加剧， 干渠两侧的洪水流路受到严重影响， 现状运行条件与设计时相比，发生了较大的变化，这给工程的安全运行带来了很大的挑战[1]。

防洪（护）堤是防洪减灾的重要工程，河道的防洪（护）堤高程是根据推求的洪水位加上一定的安全超高和风浪爬高确定[2，3]。 对于南水北调干渠来说，防洪（护）堤的主要作用之一是用来阻止外水入渠。 近些年来，在全球气候变暖的作用下，极端天气事件频发，且随着城市的发展，不透水下垫面的增加导致雨水下渗强度降低， 雨水迅速汇集至低洼地带， 随着积水深度和时间的增加从而引发城市洪涝灾害[4]。 南水北调中线工程自2014 年全线通水以来， 沿线经济社会的发展使得建筑物的运行条件较原设计发生了一定的变化， 且工程沿线多地属于暴雨洪水集中暴发地带， 由此积聚了一些新的防洪风险[5，6]。2021 年7 月18—22 日郑州受连续大暴雨及特大暴雨( 郑州“7.20”暴雨)的影响，市区普遍发生内涝，城区路面积水最深处超过2m[7，8]。 暴雨期间由于南水北调干渠两侧城市积水短时无法排出， 造成干渠两侧低洼地带积水严重，持续淘刷总干渠防洪（护）堤外坡脚，严重威胁总干渠的安全， 加之南水北调中线工程基本是露天明渠，除局部重要部位采用满砌护坡外，大多数渠段都采用工程和植草相结合的护坡型式， 坡高且陡，抵抗雨水冲刷能力较差[9]，导致郑州“7.20”暴雨期间部分部位外水漫过防洪（护）堤直接冲刷防洪（护）堤顶部，造成郑州段大量水毁及外水入渠点。从郑州“7.20”暴雨对南水北调中线工程郑州段造成的严重影响可以看出， 干渠城市段降雨及下垫面均较设计阶段发生了一定的变化， 工程运行面临的风险加大， 为了提高南水北调干渠应对超标准洪水的防御能力， 有必要对干渠周边地形发生明显变化的区段开展防洪复核分析， 尽可能的消除极端天气带来的防洪风险， 确保南水北调中线工程的安全运行。

目前常用的分析城市暴雨洪涝灾害模型有MIKE 系 列 模 型[10，11]、SWMM 模 型[12]及LISFLOOD模型[13]等，其中MIKE 系列模型由于软件界面友好，功能全面，近些年来被广泛应用于我国城市洪涝灾害的危险性评估中[14，15]。 本文基于MIKE21 模型，通过添加降雨过程构建二维降雨径流模型，对南水北调干渠某区段右岸一侧展开防洪复核分析。

1 模型的构建

1.1 模拟区概况

本文拟模拟区段位于南水北调中线工程郑州区域某区段右岸， 下垫面相较于设计阶段发生了明显变化，干渠设计阶段总体地势西高东低，由于设计时干渠右岸汇水地形较干渠堤防低， 所以并未设置截流沟， 但现状干渠右岸地形发生了较大变化， 干渠右岸围网至城市公路之间的绿化带地面回填高程较高， 部分区域高出总干渠围网处地面约2m，在郑州“7.20”极端天气造成的强降雨期间雨水汇流至总干渠侧， 漫过防护堤对边坡造成冲刷， 且由于该干渠段一级马道以上土质为黄土状轻粉质壤土， 本身抗冲刷能力低且有轻微湿陷性，导致在郑州“7.20”暴雨期间拟模拟区域干渠侧沿线有3 处发生严重水毁。 本文拟通过模拟现状地形（沿干渠有明显低洼，无截流沟）和采取工程措施后地形（有截流沟）下干渠侧暴雨积水的分布情况，为下一步干渠防洪（护）堤的水毁修复提供参考。

1.2 模型构建及方案制定

根据模拟区域2021 年9 月实测的1:500 地形图，提取模拟区域的地形坐标，并对其进行网格剖分，网格划分采用三角形和矩形非结构网格，其中拟建截流沟处采用加密的矩形网格， 其余区域为三角形网格， 模拟范围内共划分8 482 个网格单元，计算面积为0.14km2，模拟区域网格剖分及地形见下图1。

图1 模拟区域网格及地形示意图

总干渠设计阶段对于无实测流量资料的河流，采用雨量资料间接推求设计洪水。 鉴于本文研究的为局部水毁段修复工程， 为保持设计成果的协调性， 各区域设计洪水以干渠设计时交叉断面设计洪水为基础进行计算。 本文研究区段干渠设计时交叉断面设计洪水采用的暴雨频率为200 年一遇，因此，本文拟模拟发生200 年一遇降雨时研究区域的积水分布。 模拟情形分为两种，一是现状地形（沿干渠有明显低洼，无截流沟）；二是工程后地形（有截流沟）。 拟建截流沟首端与某公路相交，末端与某河道相交，水排至河道，坡度为1/300，沟深1m，边坡系数为1:1。

对于现状地形的模拟， 由于本次建模区域有限， 现状地形条件下模拟区域内并无明显的开边界条件，因此现状地形的模拟只在Precipitation-Evaporation 添加24 小时的降雨过程， 无开边界条件， 模拟目标为研究区域内现状地形整体的水深分布趋势，为拟建截流沟提供一定的指导。 对于工程后地形的模拟， 根据截流沟的设计资料， 利用CAD 中在关键节点处进行插值， 后将其生成.shp的数据格式， 在ArcGIS 中再转化为.tin 的格式进行插值，最后处理成.xyz 的格式，并与截流沟区域外的实测地形合并，最后在Mesh Generator 中插值得到工程后的地形。 添加截流沟后的模拟区域，对于降雨产生的洪水有了明显的流路， 因此除在Precipitation-Evaporation 添加24 小时的降雨过程外，在截流沟末端设定为开边界，开边界条件为拟建截流沟末端断面的水位流量关系。

模拟区域24 小时降雨过程见表1， 模型区域边界条件为拟建截流沟末端断面的水位流量关系，见表2。

表1 模拟区域24 小时净雨过程

表2 拟建截流沟末端断面水位流量关系表

2 计算结果分析

2.1 现状地形（沿干渠有明显低洼，无截流沟）

图2 为模拟区域现状地形24 小时内最大水深分布图，图3 为模拟区域现状地形24 小时内最大流速分布图。 由图可以看出，模拟区域整体地势表现为右下区域地势高，左上区域地势低，在200年一遇降雨产流的条件下， 模拟区域靠近干渠防洪（护）堤侧水深和流速存在几处峰值，具体表现为：1 号区最大水深约1.8m，由于1 号区紧邻公路侧，当发生暴雨时，此处极易产生急流，威胁干渠安全，但由于本次实测地图十分有限，未能将公路对干渠的影响体现出来；2 号区最大水深约2.8m，此处地势低洼，积水严重，水深和流速均在此处存在峰值，暴雨产流易漫过防洪（护）堤，造成外水入渠的严重后果；3 号区最大水深约2.8m，靠近与南水北调相交的河道，但由于现状排水流路不畅，此处易积水，同时由于此处地势整体偏低，暴雨产流在此处的流速较大， 干渠受外水入渠和冲刷的双重威胁。

图2 模拟区域现状地形24 小时内最大水深分布图

图3 模拟区域现状地形24 小时内最大流速分布图

郑州“7.20”暴雨对南水北调中线干渠郑州段防洪 （护） 堤造成多处冲毁， 本次模拟区域的1号—3 号区也均发生了不同程度的损毁，这与模拟结果中这三处存在水深和流速的高峰值相吻合，说明本模型模拟结果较为合理可靠。 但同时受限于本次地形测量范围， 只能在一定程度上反映小区域的积水分布情况。

2.2 工程后地形（有截流沟）

图4 为模拟区域工程后24 小时内最大水深分布图，图5 为模拟区域工程后24 小时内最大流速分布图。 由图可以看出，修建截流沟后，模拟区域的洪水可以通过截流沟得到及时排泄， 在200一遇的降雨条件下无明显的积水区， 水深和流速的峰值均在干渠侧沿线的截流沟内。 为进一步分析拟建截流沟的排水效果， 提取截流沟沿程的最大水深，见下表3，可以发现截流沟沿程水深呈现为逐渐升高的趋势， 截流沟最大水深位于截流沟末端，最大水深值约1.3m，泄洪效果较好。

图4 模拟区域工程后24 小时内最大水深分布图

图5 模拟区域工程后24 小时内最大流速分布图

表3 拟建截流沟沿程水深

从上面的分析可知， 研究区域修建截流沟后可以有效的排泄暴雨产生的积水， 大大降低了暴雨引发的漫溢和防洪（护）堤溃决风险，同时，模拟结果也为防洪（护）堤的修复设计提供了参考。

3 结语及建议

本文利用MIKE21 模型，搭建了南水北调中线工程某区段右岸水力学模型，并对现状地形（沿干渠有明显低洼，无截流沟）及工程设计后地形（有截流沟）分别进行了模拟，通过对模拟结果分析可知，当模拟区域发生200 年一遇暴雨时，现状地形条件下，模拟区域紧邻干渠侧有多处积水，干渠侧沿线积水峰值点与郑州“7.20”暴雨水毁点相吻合。对于工程设计后地形（有截流沟），模型模拟结果显示紧邻干渠侧无明显积水， 暴雨产生的洪水可沿截流沟排至下游河道， 可以较大程度上避免暴雨对干渠的安全运行带来的安全隐患。

本次模拟分析区域有限， 今后将分析城区较大范围内的洪水形成与排泄机理， 为全面复核洪水对干渠的影响提供技术依据。 □