MIKE21 FM 模型在河道防洪评价中的应用

2023-11-28刘皓

山西水利科技 2023年3期

关键词：阳江防洪码头

刘皓

（中水北方勘测设计研究有限责任公司天津 300222）

1 概况

1.1 区域概况

诸暨市店口综合港区工程，是新地址建设码头工程。选址位于东西江汇合湄池上游1.5 km，东江的解放湖北端位置，后侧是店口解放湖工业新区。

诸暨市店口综合港区工程所在位置较为特殊、敏感。首先，浦阳江中游诸暨段，历史上防洪压力最大，洪水危害最严重。2011 年浦阳江梅雨，湄池水文站（店口大桥）出现历史第二高水位，且高水位持续时间之长历史罕见。其次，工程选址地处诸暨下游出口的咽喉位置，是东西江汇合处、诸暨出境的唯一水道咽喉。

1.2 水文气象概况

诸暨市店口综合港区工程地处浙中内陆，属亚热带季风气候区，多年平均气温16.3℃，多年平均日照时间1 996.6 h，极端最高气温40.2℃，极端最低气温-13.4℃，相对湿度82%，多年平均蒸发量882.1 mm，多年平均无霜期250 多天，多年平均风速为2.3 m/s，最大风速为20.5m/s[1]。

浦阳江中游诸暨段是浦阳江历史上防洪压力最大河段，洪水危害也最严重。浦阳江上游浦江县河段，是山区性河道，水流顺畅；下游萧山区经济实力强，河道岸线短。地处中游的诸暨市，上游汇聚，下游受限萧山，外排路径遥远，上泄下顶，洪水停滞在诸暨，往往造成重大洪灾[2]。

1.3 工程概况

从防洪角度出发，选择两个工程方案进行分析，研究方案基本情况见表1。

表1 工程方案基本情况表

2 平面二维MIKE 21FM模型

2.1 理论控制方程

浦阳江江道相对较窄，根据涉水建筑物情况，考虑资料条件和河道特性，丹麦水力学研究所研发的平面二维MIKE 21FM 模型可以应用于本次计算当中。该模型是无结构网格的，其网格节点布置非常灵活，而且可以根据需求进行局部加密，河道弯曲边界也可以得到非常精准的拟合[3]。故该模型具有非常突出的优点，例如其算法和计算数据稳定可靠、界面应用便捷友好等。

流场计算的基本方程选用沿水深平均的二维浅水方程，包括一个连续方程和二个动量方程：

水流连续方程：

x 向的动量方程：

y 向的动量方程：

式中：z 为水位；p、q 为x、y 方向单宽流量；h 为水深；s 为源、汇项；six、siy分别为源、汇项在x、y 方向的分量；c 为谢才阻力系数；Ω 为科氏力；E 为紊动扩散系数。

2.2 模型边界

如何选取模型边界考虑以下两个因素：1）水边界选在边界条件较容易选定的地方；2）水边界要离工程所在区域足够远，防止工程建设实施对边界条件产生影响[4]。根据以上原则，本次计算范围设置为：上边界设置在浦阳江西江、浦阳江东江，下边界设置在诸暨—萧山交界断面。方案一、方案二上、下水边界条件见表2。

表2 各方案上、下水边界条件

3 工程所在河段流态（流速）变化分析

3.1 工程对周边水域流速影响分析

为了定量比较工程前后的流速变化，本研究对20年一遇洪水条件下工程前后流速作了比较分析，见图1～3。

图1 方案一一期工程建设后河段落潮流速变化/（%）

图2 方案一二期工程建设后河段落潮流速变化/（%）

图3 方案二工程建设后河段落潮流速变化/（%）

方案一流速变化主要集中在码头前沿港池疏浚地带，对东江左岸、右岸总体流速没有大的影响。方案二对江道流速具体影响：1）修建码头后，由于码头及栈桥对洪水的隐蔽作用以及码头前滩地的疏浚，流速最大减小幅度可达90%；因此可以看到对河道产生淤积影响。2）由于码头占据东江江道主通道，行洪断面减小且江道较窄，不仅引起东江左岸靠近堤防局部区域流速增大，加剧对堤防的冲刷，对解放湖堤防不利，而且码头以下东江右岸堤防沿线流速增加20%，明显威胁对岸的店口城区的堤防。

3.2 工程所在河段水位影响分析

1）方案一码头采用重力式挡墙结构，码头平台沿河道堤线布置。数模分析结果表明：方案一条件下，除因岸线变化造成的岸线局部水位变化外，工程建成后江道的水位变化小，工程建设的影响范围也不大，岸线处为主要的影响区域[5]。

2）方案二码头为高桩式码头，码头平台布置在河道内，通过栈桥与岸上连接，方案二桩群阻水，桩基之间透空过水[6]。数模分析结果表明：方案二条件下，由于桥墩的阻水，码头区域水位升高，水位变化值最大为2.4 cm，发生在码头上游位置，下游水位变化相比上游较小，变化值为0.6 cm。工程实施后，洪水位对比图见图4～6。