MIKE11在复杂地理环境中的应用——以宁乡市城区河道整治为例

卿 颖，郑 颖，宋 平

（湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司，湖南 长沙 410007）

宁乡市城区河道位于沩水中游，为弯曲分汊河道，左汊主河道长2.8 km，宽（160～230）m，右汊为人工开挖的沙河，全长2.1 km，宽（30～60）m。河床较左侧主河道高，过洪能力偏小，在沙河下游出口处建有黄泥湖节制闸。左侧主河道和沙河之间的南苑洲宽（200～650）m，现状洲滩高程为（45.0～53.2）m，洲上开发程度较高，洲头为木材市场，洲中段高层建筑物林立。南苑洲以下刁子潭洲滩淤积，主河槽明显缩窄，水面宽最窄处仅150 m，河道过洪能力受限。

2017 年7 月1 日沩水流域发生了大洪水，是宁乡历史上有记录以来最大的洪水，沩水干流多处溃堤，洪水泛滥，宁乡城区内涝严重，大面积被淹。宁乡城区沿沩水河两岸地势低平，跨河建筑物、洲滩较多，对宁乡城区防洪造成了很大威胁。

为了减小宁乡市中心城区防洪压力，降低洪水期间水位，并与中心城区防洪总体规划协调，本次制定的方案中河道治理工程主要有护岸加固、建筑物改造、河道疏挖。总体布置如下：结合河道情况进行疏浚及清障，保证行洪通畅；对当冲河段进行护岸护砌，确保河道的行洪安全；对跨河拦河建筑物进行改造，降低河道建筑物阻水影响。结合宁乡市城市规划，初拟计算方案见表1，整治工程布置见图1。

图1 整治工程布置图

表1 初拟计算方案表

1 MIKE11 模型构建

MIKE11 HD 主要用于洪水预报、水库联合调度、河渠灌溉系统的设计调度以及河口风暴潮的研究，是目前应用最为广泛的商业软件，具有计算稳定、精确度高、可靠性强等特点，能方便灵活地对复杂河网水流、模拟闸门、水泵等各类水工建筑物进行运营调度，尤其适合应用水工建筑物众多、控制调度复杂的情况[1～2]。本次采用MIKE11 建立宁乡市城区河道一维模型，选用恒定流进行计算。模型构建内容如下。

1.1 河网概化

计算区域为宁乡市主城区沩水主河道，总长7.1 km，共布置31 个断面，断面间距为（100～300）m；分汊河道沙河总长2.18 km，布置16 个断面，断面间距为（50～200）m。采用MIKE11 建立河网模型，建筑物断面上下游增加计算断面。

1.2 边界条件确定

上游溜子洲尾为流量边界，下游金洲大桥为水位边界，宁乡水文站下游的平水河入流作为点源输入。

1.3 建筑物设置

根据实际情况，主河道设置汽车桥、南门桥、沩丰坝水闸和沩丰坝大桥等建筑物，沙河上设置沙河大桥、南门桥和黄泥湖水闸等建筑物。桥梁尺寸依据测量值，沩丰坝水闸相关尺寸参考以往工程数值。由于建筑物上下游水位较少有实测资料，建筑物壅水根据经验公式（其中桥梁采用铁科院陆浩公式，沩丰坝水闸采用堰流公式）进行计算[3]，计算结果见表2、表3。模型中桥梁按照堰和涵组合建筑物的形式进行处理，根据计算结果对模型中预设参数进行试算调整。

表2 桥梁壅水计算表

表3 沩丰坝水闸上下游水头差

1.4 模型率定

采用主城区河段50 年一遇设计洪水成果（表4）对一维河道模型进行率定。按照现状条件下（南苑洲过洪，沩丰坝水闸未改建）进行率定，得到溜子洲至宁乡（二）站段糙率为0.044 6～0.024 3，宁乡（二）站至金洲大桥段糙率为0.024 3～0.023 0，沙河段糙率为0.030。

表4 50 年一遇设计洪水

2 模拟计算成果与分析

2.1 分流情况分析

在50 年一遇设计标准下，主城区河段上游总来水流量为5 470 m3/s，沩水河道与沙河分流量计算结果见表5。由表5 看出，方案1～6 主城区河道分流量均占79%以上；整治方案实施后（方案2～5），与未实施整治工程（方案1）相比，沩水河道过流量均有增大。沩丰坝水闸改建后（方案2）主河道过流略有增多；河道疏挖和汽车桥改造后（方案4），与方案2 相比，主河道过流增加较多；南门桥改造后（方案5），与方案4 相较，主河道分流略有增加。沙河拓宽后（方案6），沙河过流增大，与方案1 相比，过流量增加了274.2 m3/s。

表5 各方案沩水主河道和沙河分流量

2.2 水面线成果分析

在50 年一遇设计标准下，各方案河道沿程水面线成果见表6，由表6 可知：

表6 河道沿程水位表 m

1）方案1（南苑洲不过洪）。南垸洲已被宁乡市列为规划开发区域，为不过洪区域。根据计算成果，汽车桥至木材市场水位差0.39 m，汽车桥壅水0.32 m，南门桥壅水0.22 m，沩丰坝水闸上下游水位差达0.88 m。

2）方案2（方案1+沩丰坝水闸改建）。与方案1 相比，改建后，自沩丰坝水闸上游至溜子洲尾河段水位沿程均有降低，其中水闸上游水位降低值最大为0.30 m，溜子洲尾河段水位降低值最小为0.08 m，结果说明方案2 影响集中于水闸上游附近区域。

3）方案3（方案2+南门桥以下疏挖）。与方案2 相比，疏挖工程以上河段水位均有降低；沙河和城区主河道汇流点下游水位降低值最大为0.63 m；城区主河道水位降低值大都在0.30 m 以上，说明南门桥以下疏挖降低城区主河道水位效果显著。

4）方案4（方案3+南门桥以上疏挖）。与方案3 相比，南门桥以上疏挖河段水位均有下降，其中木材市场水位降低值最大为0.52 m，汽车桥上游水位降低值均在0.20 m 以上。可见，南门桥以上疏挖对城区河段水位降低具有明显作用。

5）方案5（方案4+南门桥改造）。南门桥在50 年一遇洪水条件下，阻水率超过8%，超过《湖南省涉河桥梁水利技术规定（暂行）》中控制指标，制定相应方案进行改造。改造后与方案4 相比，水位降低最大值位于南门桥上游，最大降低值为0.11 m，南门桥以上河段水位降低在0.07 m 左右，结果说明南门桥改造对上游河道水位降低有一定的效果。

6）方案6（方案2+沙河拓宽）。与方案2 相比，主城区左汊河道至溜子洲尾沿程水位均有降低，沩丰坝水闸上游河段水位降低值在0.12 m 以上，江心公园河段水位降低值最大为0.29 m。可见，拓宽沙河对降低左汊主河道水位有一定效果，但涉及的占地多，工程量大，对两岸居民生活影响很大。

综合考虑水位降低效果、影响范围、实施必要性以及方案实施难度，本次主城区河段整治方案建议选用方案5，工程主要包括沩丰坝水闸改建、南门桥以下疏挖、南门桥以上疏挖和南门桥改造。整治工程完全实施后，与原规划方案（方案1）相比，木材市场河段水位降低值最大达1.12 m，南门桥以上河段水位降低值均在0.60 m 以上。

3 结 论

1）本文通过MIKE11 建立了宁乡市城区河道一维模型，结合经验公式进行模型建筑物参数设置，设置多种计算方案对河道整治效果进行量化和比较分析，研究成果可为宁乡市河道整治方案的拟定提供决策依据。

2）根据分流量计算结果分析，随着整治措施

（方案1～5）逐项增加，城区主河道的过流量也逐渐增加，更利于主河道的河势稳定。根据水面线成果分析，沩丰坝水闸改建后，水闸上游水位最大降低0.30 m；南门桥以下疏挖后，城区主河道水位降低值均增加0.30 m 以上；南门桥以上疏挖后，汽车桥上游水位降低值增加0.20 m 以上，木材市场水位降低值最大增加0.52 m；南门桥改造后，南门桥以上河段水位降低值增加0.06 m 以上，降低值最大增加0.11 m。

3）综合考虑水位降低效果、影响范围、实施必要性以及方案实施难度，本次主城区河段整治工程主要包括沩丰坝水闸改建、南门桥以下疏挖、南门桥以上疏挖和南门桥改造。工程实施后，河道水位降低效果好，能够较大程度减轻宁乡市城区的防洪压力。为保障主城区两岸的交通，建议可先期完成沩丰坝水闸改建、南门桥以下疏挖，再实施南门桥以上疏挖工程，最后进行南门桥改造工程。