MIKE11在泄洪闸闸宽比选中的应用——以江西省某灌区为例

范营营

（中铁水利水电规划设计集团有限公司，江西 南昌 330029）

江西省某灌区始建于1958年，设计引水流量3.87 m3/s，设计灌溉面积26.4 km2，分为东西2条干渠。其中，西干渠为傍玉笥山而建，为了保持一定的高水头，多系沿山体等高线半挖半填而成，截断佩贝水等多条山洪沟。洪水直接入渠，易造成局部岸坡崩塌淤塞，给渠道运行安全和周边防洪排涝造成较大压力。随着经济社会发展和城市建设，渠道下游已开发为县城建成区，该干渠同时承担县城的截洪排洪任务，对渠道汛期排洪提出了更高要求[1]。

西干渠沿线水系较发育，地形复杂，汛期边山洪水呈集中和分散式多处入渠，并由沿线泄水闸下泄。汛期水流为明渠一维非恒定流，一般采用圣维南方程组进行描述[2]。MIKE11是以圣维南方程组为基础的一维水动力模拟系统，经过几十年的改进和发展，已在河道治理、涉河工程建设项目数值模拟领域取得很好的应用效果[3]。如丁志良[4]等以浏阳市南川河为例，利用MIKE11模型进行水力计算，计算结果可为生态护岸方案提供依据；张涛[5]以平原河道为例，采用MIKE11一维水动力模型计算水面线，并用验证站洪水进行模型验证，结果表明在大流量阶段模拟水位与实测水位吻合较好，模型具有较好的适应性；陈杜锐[6]以某城市建成区河道为例，基于伯努利方程和MIKE11模型，对不同护岸结构的河道水面线分别进行模拟计算，结果表明，在复杂断面河道水面线计算中，MIKE11模型原理假定、计算结果更为合理。上述MIKE11的应用针对复杂的边山洪水和调度策略的研究较少，本文利用MIKE 11软件分析多泄洪闸联合泄洪时不同泄洪闸闸宽下的水面线，为工程方案优化设计提供依据。

1 工程概况

本次水系整治工程治理范围为江西省某灌区水坑村至工业园段，对应桩号K0+000—K6+070，设计防洪标准为10 a一遇，拟定工程措施为渠道的清淤和衬砌、渠系附属建筑物的新建及改造[1]。

水坑村为工程治理起点，此处佩贝水干流与西干渠平交。为解决暴雨期间洪水倒灌进西干渠问题，拟在交叉处上下游各建节制闸，洪水期间关闭2处闸门，交叉断面以上洪水由西干渠现状泄洪闸排入佩贝水，交叉断面下（桩号K0+150）至本次工程治理终点工业园（桩号K6+070）之间的边山洪水通过沿渠的3座泄洪闸排入现有渠系。其中，泄洪闸1为已建工程，位于桩号K2+755处，本次对其进行原址原规模更新改造；泄洪闸2和泄洪闸3为新建工程，位于桩号K4+780和K5+780处。同时，为控制水流方向，西干渠治理末端桩号K6+070处新建1座工业园节制闸，水系及工程布置概化如图1所示。

图1 水系及工程布置概化

2 数学模型

2.1 控制方程及其求解

MIKE11中水动力模块的控制方程为圣维南方程组，该方程组是由连续性方程和动量方程组成的双曲面偏微分方程组：

连续性方程为：

动量方程为：

式中：Q为流量（m3/s）；q为侧向入流（m3/s）；x为距离（m）；A为过水断面面积（m2）；t为时间（s）；α为动量修正系数；h为水位（m）；g为重力加速度（m/s2）；C为谢才系数（m0.5/s）；R为水力半径（m）。

圣维南方程组是双曲线型微分方程，可用特征线法和有限差分法进行求解，应用于明渠非恒定流时一般使用有限差分法。为使模型运算结果稳定和误差小，MIKE11采用6点Abbott隐式有限差分格式求方程组的数值解，求解之前需将圣维南方程组进行离散。

2.2 渠道平面及断面布置

根据渠道工程方案，设计渠道走向和现状一致，水坑村下和工业园各设置2座节制闸，模型计算范围为2座节制闸之间，对应桩号为K0+150—K6+070，全长5.92 km，计算范围内共有5座可控建筑物。

根据项目性质、占有的地形资料和实测水位数据，本次泄水闸采用MIKE11中的侧向建筑物，计算引擎自动生成一条虚拟侧向河道，泄水闸作为虚拟河道的常规建筑物，软件通过定义侧向河道出流点一个低水位边界条件，假设泄水闸出流和过流都是自由的。

由于渠道疏浚仅按淤积厚度进行清淤，基本保持原水渠纵坡1/1500[1]，西干渠沿线大部分已发展为城区建成区，渠道岸坡应综合考虑道路红线及房屋保护情况，并结合相关规范和渠道衬护方案，确定为1∶0.5和1∶1.5。

渠道断面文件以实测1∶2000条带图和现状地形图为基础，采用工程整治后的断面为模型输入横断面，本次模型共设置123个断面，如图2所示。

图2 模型计算范围及渠道平面

2.3 边界条件

下节制闸（桩号K0+150）至工业园节制闸（桩号K6+070）区间边山洪水主要源于佩贝水支流水系，总集水面积21.3 km2，分5部分汇入西干渠，经调蓄后，由沿渠3座泄洪闸流出。区间洪水汇入点分别位于桩号K2+245、K4+770，各汇入点洪水过程采用推理公式法由《江西省暴雨洪水查算手册》（2010版）中相关参数查算，如图3所示，汇入点之间来水以坡面径流形式汇入渠道，其设计洪峰流量利用简化地区综合法估算，具体为选取工程附近下垫面、地形、集水面积等产汇流条件类似的流域，并由上述推理公式法推算其设计洪水，得出集雨面积和洪峰模数相关关系如图4所示，查得各小流域的设计洪水流量。

图3 边山设计洪水过程示意

图4 工程附近小流域集雨面积和洪峰模数经验关系

模型的边界条件还包括渠道两端桩号K0+150和K6+070各设置1座节制闸，暴雨洪水期间关闭2座节制闸，模型两端为闭边界。

2.4 计算方案

2.4.1 模型参数方案

模型模拟时间和设计洪水持续时间对应，计算时间步长为1 min，空间步长最大值为50 m。一般情况下，在模型计算时，应对渠道糙率等进行验证。由于西干渠缺乏实测水文资料，本次计算的模型断面为衬砌整治护岸的渠道断面，其糙率主要考虑工程实施后的渠道情况，渠道混凝土护坡段采用n=0.018、渠底采用n=0.0275。

2.4.2 洪水调度方案

西干渠泄洪闸调度方案根据渠道的汛期调度方案进行，以“小雨调水、大雨泄水”“大涨提闸、水降压闸”为原则，汛期渠道管理人员密切关注天气预报和各泄水闸段渠道水深，不能使渠道水位超过警戒水位，防止漫顶。

根据江西省某灌区西干渠度汛调度运行方案，汛前预降渠道水位至70.0 m，调节闸门开度，使得进出渠道水量平衡，保持渠道水位70.0 m不变，当各闸来水流量大于泄洪闸泄流能力时，闸门全开敞泄洪水。

2.4.3 闸宽比选方案

本次防洪工程优化方案即在渠道横纵断面、边山洪水、闸门调度方案确定的情况下，计算新建泄洪闸不同闸孔规模组合下的渠道最高水位水面线。桩号K2+755处泄洪闸闸宽受承泄区用地要求的影响，目前无加宽余地，仍采用现状闸宽，仅对其进行除险加固处理。本次比选主要分析桩号K4+870和K5+870处泄洪闸的2、4、6 m的闸宽组合下的渠道最高水位。

3 结果分析

3.1 渠道最高水位分析

基于上述边界条件和计算方案对渠道最高水位进行模拟计算，并选取关键防洪节点最高水位和实测地形进行对比分析，各工况下成果详见表1。

表1 不同闸宽组合下关键节点的渠道最高水位

由计算结果可知，随着闸孔尺寸的加大，泄洪闸泄洪能力增大，西干渠各断面的水位均有所降低。渠道各断面水位降低幅度不同，距离闸址越远，水位变化程度越小，越靠近泄洪闸水位影响越明显。随着泄洪闸尺寸继续加宽，对渠道水位降低的影响越小，水位下降幅度呈逐渐减小趋势，渠道水位的降低同时受区间洪水过程和入渠点不同、渠道自身过流能力等综合影响。因此，在不考虑承泄区过流能力的前提下，泄洪闸闸宽并非越大越好，闸宽组合须与渠道断面相匹配。

本次计算结果中，推荐采用桩号K4+870闸宽为6 m、K5+870闸宽4 m的组合，在考虑0.2 m超高的情况下，现状渠顶高程基本不加高，在满足防洪安全的前提下，兼顾了经济效益，方案较为合理，渠道沿线水面线如图5所示。

图5 西干渠计算范围内水面线成果

3.2 水量平衡分析

为分析模拟时段内渠道计算范围内的水量平衡，汛期设计洪水来临前，渠道预泄水位至70 m，渠道计算范围水量50020 m3，设计洪水结束时水量为68634 m3，渠道蓄水量为18614 m3，边山来水量（侧向入流）为5476117 m3，泄水闸排出水量为5457503 m3。由此可见，模拟时段内边山洪水流入渠道的水量减去由泄水闸流出渠道的水量等于时段内渠道蓄水量，详见表2。

表2 计算范围内渠道水量平衡计算（推荐方案）104 m3

各泄水闸最大泄洪流量如下：桩号K2+755泄洪闸3.63 m3/s，K4+870泄洪闸14.4 m3/s，K5+870泄洪闸16.3 m3/s，总泄洪流量34.33 m3/s。设计情况入渠洪水洪峰流量为63.96 m3/s，经渠道调蓄后，出渠洪水峰值较入渠洪水峰值降低约42.3%。由此可见，对于引洪入渠口沿程分布且峰高量少的山丘区洪水，截洪沟设计需充分考虑沟槽的调蓄作用，避免截洪沟规模过大。

4 结论

（1）本研究以江西省某工程为例，利用河道断面数据和实测地形资料，基于MIKE 11水动力模型建立了西干渠一维明渠洪水水面线模拟系统，较好地模拟了截洪沟洪水演进及多泄洪闸联合泄洪时渠道水面线，克服了传统水力计算方法的不足，为防洪方案比选提供参考。

（2）从水量平衡、削峰滞洪、最高水位等方面综合分析模型的计算结果，在满足现状堤顶高程基本不加高的原则要求下，选定了泄洪闸推荐方案，兼顾了经济效益，方案较为合理。