0 前 言

洪澇災(zāi)害是人類社會發(fā)展中比較重要的自然災(zāi)害，往往分布在人口比較稠密、河流相對集中、降雨充足的地區(qū)。我國是世界范圍內(nèi)洪水災(zāi)害頻發(fā)、影響范圍更廣泛的國家，地形相對繁雜，季風氣候明顯［1］。

研究基于青龍蓮花河河道水利規(guī)劃設(shè)計要素，建立適用于該區(qū)域的工程改造后的水動力學數(shù)值模型，在青龍河干渠防洪能力分析中，當遇到頻率P =2%的大洪水時，青龍河干渠右岸樁號為34 070 ～39 500 m處出現(xiàn)較長時間的漫堤狀況。

洪水漫堤會影響到周邊的低洼地區(qū)。不同的洪水的淹沒深度及流速也會對淹沒地區(qū)造成不同程度的破壞。借助數(shù)值模擬的技術(shù)分析該工程實施后各種極端的水文條件下河道的排洪情況，分析對于青龍河河道改造工程是否合理，為日后工程的運行管理提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 區(qū)域概況

青龍蓮花河流域位于三江平原的東北部，東瀕鴨綠河，南部的河流有七星河，北部匯入黑龍江，流域總面積為2 825 km2。青龍河水系地勢平整，流域內(nèi)的地形比較復(fù)雜，長年累月的排水不順暢，讓這個地區(qū)形成了很多的沼澤還有洼地。

蓮花河的發(fā)源地在一片沼澤地中，這片沼澤地位于富陽市北部，河流由西南方向流向東北方向，河流經(jīng)過八屯閘在街津口最后匯入黑龍江，全長有121 km，河流的流域總面積為1 842 km2，在河的下游河床不明顯，河灘很寬，前衛(wèi)鄉(xiāng)以下有明顯的河流通道，一般在60 ～70 m寬，0.5 ～2.0 m水深之間，平槽泄水量10 ～20 m3/s。

青龍河發(fā)源于張洋山下彭家林子里的沼澤地區(qū)，由東南向西北，在青龍山西側(cè)匯入蓮花河，全長61.6 km，流域面積983 km2。青龍河河流是一條順直的河流，河流多處于沼澤地中，只有到了下游十幾公里處能看出明顯的河槽，河道在15 ～20 m寬，水深在1 m左右。

2 青龍河下游二維水動力模型的建立

2.1 MIKE21 模型

自從20 世紀90 代以來，在全球范圍內(nèi)的許多專家成功模擬了很多成熟的平面二維水動力學模型，一個更廣泛的業(yè)務(wù)模型MIKE21 由丹麥水力研究開發(fā)，這種模型能夠模擬不同環(huán)境條件下的水流情況，包括內(nèi)陸河流，靜水湖、或者大洋以及海岸河岸等不同水系環(huán)境。

MIKE21 模型能夠模擬不同環(huán)境條件下的水流情況，包括內(nèi)陸河流，靜水湖或者大洋以及海岸河岸等不同水系環(huán)境［2］。

2.2 MIKE FLOOD 模塊簡介

MIKE FLOOD 是麥克系列軟件模塊，它能動態(tài)耦合的一維，二維水動力仿真。這種新方法結(jié)合了目前世界上廣泛應(yīng)用的洪水模型軟件11 以及21 中的元素，并且專門為了進行各種不同情況下洪水模擬改進了相應(yīng)的功能。

這樣的組合保證了很高的靈活性，用戶可以放大分析使用二維模型區(qū)域的一部分，而在其他區(qū)域與一維模型進行仿真。MIKE FLOOD 提供了有效的河流和洪泛區(qū)之間的動態(tài)連接，海洋和內(nèi)陸水道、內(nèi)陸湖灣連接［3］。

2.3 MIKE FLOOD 模型搭建概況

在對于青龍河干渠防洪能力分析中，當遇到頻率P = 1%、P =2%的大洪水時，青龍河干渠右岸樁號為34 070 ～39 500 m處出現(xiàn)較長時間的漫堤狀況。洪水漫堤會影響到周邊的低洼地區(qū)。不同的洪水的淹沒深度及流速也會對淹沒地區(qū)造成不同程度的破壞。

本文將選取青龍河干渠右岸樁號為34 070 ～39 500 m處洪水漫堤影響到區(qū)域作為研究對象。研究將采用一維二維動態(tài)耦合的模型MIKE FLOOD 進行模擬。一維、二維模型的連接方式采取側(cè)向連接的方式，也就是說一維及二維模型連接是建立在一維水動力模型的一個分支與二維水動力模型的一些網(wǎng)格單元 或者是FM 模塊的單元接口。

當選擇側(cè)向連接方式時，MIKE FLOOD 模型認為水流是從沿垂直于河流流動的方向流出一維模型的模擬區(qū)域，通過一個堰流公式計算出流入到二維模型的水量。該堰的幾何參數(shù)由一維河流斷面岸堤幾何設(shè)置及同一地點的二維地形的最高點確定的［4］。MIKE FLOOD 中提供多種堰流公式模擬不同的一個漫堤狀況。其中，本次模擬中應(yīng)用到的堰流計算公式為:

式中:W 為堰寬;C 為堰的因子系數(shù);K 為指數(shù)系數(shù);h1為堰上游高于堰頂?shù)乃?h2為堰下游高于堰頂?shù)乃睢?/p>

MIKE11 與MIKE21 連接時采用右岸連接方式，本次研究的模型的具體地理位置連接參數(shù)請見表1。

建立MIKE FLOOD 模型首先要確立模型的布局。譬如對于漫堤這樣模擬情況，需確立一維模型需要研究的漫堤起始樁號及結(jié)束樁號。然后建立該河段發(fā)生漫堤情況下洪水會影響的的低洼區(qū)域的地形文件［5］。在此地形文件的基礎(chǔ)上搭建相應(yīng)的二維模型。使用MIKE FLOOD 平臺將一維、二維模型動態(tài)耦合起來，建立洪水演進耦合模型，計算洪水演進的模型。

2.4 模型地形文件的搭建

二維模型搭建地形文件過程中需要生成網(wǎng)格文件，由于洪水漫堤影響涉及到區(qū)域是一維模型右岸區(qū)域，所以在處理地形數(shù)據(jù)時現(xiàn)將一維河網(wǎng)轉(zhuǎn)化為圖片格式的文件，將此文件導(dǎo)入到二維地形邊界描繪中作為底圖，在此基礎(chǔ)上選出相應(yīng)的二維地形邊界，生成地形邊界后導(dǎo)入地形數(shù)據(jù)［6］。

由于接近一維河網(wǎng)的地區(qū)，受到漫堤影響的程度大，在模擬過程中可能更加受到關(guān)注，因此在生成網(wǎng)格時將這些區(qū)域的網(wǎng)格進行局部加密。對于這些區(qū)域，網(wǎng)格生成過程中給予最大網(wǎng)格控制5 000 m2，最小角度控制為26°。二維地形搭建過程中將整個洪水可能影響到的區(qū)域邊界設(shè)置為陸地邊界。

在MIKE FLOOD 模擬中將會自動將一維模型的漫堤水量賦予到二維模型的耦合位置作為新的流量邊界。所以該處不用另外添加流量或者水位邊界。

網(wǎng)格生成效果如圖1 所示。

表1 MIKE 21 與MIKE 11 連接處地理信息匯總

其中生成的二維地形區(qū)域與一維研究區(qū)域存在地理位置上的對應(yīng)關(guān)系，體現(xiàn)在模型中為二維網(wǎng)格坐標與一維河網(wǎng)模型樁號之間的關(guān)系，直觀地反映可以見圖2。二維地形的搭建效果可見圖3。

在搭建二維模型的時候，模型的研究區(qū)域為青龍河右岸較低洼的地區(qū)。研究地區(qū)的左下角坐標(E，132°47＇28.707"N，47°33＇5.45")右上角坐標(E，132°54＇21.891"N，47°38＇51.467")，范圍包括青龍河干渠右岸樁號為34 070 ～39 500 m處洪水漫堤影響到區(qū)域。

將地形數(shù)據(jù)數(shù)字化后轉(zhuǎn)化為模型可以識別的模型地形網(wǎng)格文件，使用三維視角展示該區(qū)域地形數(shù)字化后的效果。

2.5 模型邊界設(shè)置

由于本次模擬采用一維模型與二維模型動態(tài)耦合的方式，所以二維模型的邊界都為閉邊界。在MIKE FLOOD 模擬中將一維模型水位高于岸堤時的漫堤流量結(jié)果動態(tài)賦予到二維模型作為新的邊界條件。也就是說當遇到頻率P = 1%、P = 2% 的大洪水時，青龍河干渠右岸樁號為34 070 ～39 500 m處出現(xiàn)高于岸堤的水位時，MIKE FlOOD 模塊將一部分水量從一維模型中流入二維模型與一維模型連接的邊界中，成為同時間段的二維模型的動態(tài)流量邊界。

圖1 青龍河干渠研究區(qū)域二維網(wǎng)格生成效果圖

2.6 模型參數(shù)設(shè)置

2.6.1 糙率設(shè)置

糙率設(shè)置主要參考相關(guān)的經(jīng)驗來設(shè)置，本次漫堤研究糙率選取n =0.025，在進行二維水動力模擬時要根據(jù)青龍河實測原始的數(shù)據(jù)資料在不同的地方設(shè)置相應(yīng)的糙率值，賦予模型具有空間特性的糙率參數(shù)。

2.6.2 渦黏系數(shù)

使用Smagorinsky formula 確定渦黏系數(shù)計算公式為:

式中:u 為x 方向的垂線平均流速;v 為y 方向的垂線平均流速;Cs 為常數(shù)參數(shù)，取值范圍都在0.25 ～1，MIKE21 水動力模塊中一般取值0.5 ＜E ＜1。

2.6.3 干濕水深

為了使該模型在計算中不間斷的得到最終結(jié)果記憶準確數(shù)據(jù)，來為了判別所要計算地域洪水來時的淹沒程度，模型需要用“dry”與“wet”來決定，如果所要計算的河流水深＜1 cm的時候需要把“unit”改成“dry unit”，不考慮到模型計算里面;如果所要計算的河流水深＞5 cm的時候需要把“unit”改成“wet unit”，重新加入計算。

3 計算結(jié)果分析

取青龍河干渠右岸34 070 ～39500 m樁號處漫堤流量作為二維模型的東邊邊界入流量，該流量邊界是MIKE FLOOD 模型自動計算，當一維模型耦合地帶水位高于岸堤高程時，使用堰流公式，計算出每個時間步長從一維模型流入二維模型的水量，作為二維模型的動態(tài)邊界，模型計算時間步長設(shè)為60s，計算時間為60 h。如圖4 所示。

從圖4 中可以看出當P=1%時右堤防漫堤時的不同時間段淹沒范圍，靠近河網(wǎng)比較低洼的地區(qū)首先出現(xiàn)淹沒現(xiàn)象，模型運行48 h后該范圍的平均水深為0.53 m，模型運行60 h后該范圍的平均水深為0.59 m。同時模型可以輸出該模擬時刻的平均流速及流向圖。

從圖5 中可以看出當P =2%時，模型運行60 h后該范圍的平均水深為0.49 m。同時模型可以輸出該模擬時刻的平均流速及流向圖。

圖6、圖7 分別是二維模型運行60 h后兩種頻率下網(wǎng)格點(341685，5278500)附近的流速分布圖，其中箭頭所指方向為流向。

圖2 青龍河干渠研究區(qū)域一維河網(wǎng)及二維地形概化圖

圖3 青龍河干渠研究區(qū)域二維地形概化圖

模型運行48 h后，當P =1%整個時淹沒范圍的平均流速為0.04m/s，模型運行60 h后整個淹沒范圍的平均流速為0.02 m/s;當P =2%時整個淹沒范圍的平均流速為0.07 m/s，模型運行60 小時后整個淹沒范圍的平均流速為0.03 m/s。

調(diào)整二維模型的模擬時間為583 h，輸出網(wǎng)格點(341600，5275988)點水深長時間尺度的變化序列，見下圖8、圖10。同時輸出改點的流速點水深長時間尺度的變化序列，見下圖9、圖11。

圖4 P =1%二維模型運行60 h等深線圖

圖5 P =2%二維模型運行60 h 等深線圖

圖6 P =1%二維模型運行60 h 流場

圖7 P =2%二維模型運行60 h 流場

圖8 P =1%時網(wǎng)格點(341600，5275988)水深時間序列

圖9 P =1%時網(wǎng)格點(341600，5275988)水深時間序列

圖10 P=2%時網(wǎng)格點(341600，5275988)水深時間序列

圖11 P =2%時網(wǎng)格點(341600，5275988)流速時間序列

4 結(jié) 語

當青龍河干渠右岸在P = 1%、P = 2% 洪水的情況下34 070 ～39 500 m樁號處將發(fā)生不同程度的漫堤，建議在此區(qū)域加固加高堤防。在相同的模型運行時間下，二維模型研究區(qū)域呈現(xiàn)不同程度的淹沒情況，其中P =1%洪水的工況下兩個時間段的模擬結(jié)果比P =2%洪水洪水的工況下的淹沒情況嚴重。平均深度的比較也呈現(xiàn)前者大于后者。

對于模型結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，淹沒范圍網(wǎng)格點在P =2%洪水的工況下水流的平均流速比P=1%洪水的工況時要大。另外，在二維模型中可以對各種結(jié)果進行后處理，方便了對洪水淹沒地區(qū)的減災(zāi)防災(zāi)分析。

從結(jié)果分析看，使用二維模型對整個漫堤過程進行模擬可以得到較直觀的展示效果，結(jié)果的后處理也對淹沒程度的量化提供簡便的處理方式。該二維模擬的結(jié)果進一步引證一維模型的結(jié)論，該河段在遇到100 a一遇洪水及50 a一遇洪水時將發(fā)生洪水漫堤，建議在蓮花青龍河34 070 ～39 500 m的樁號處之間加高加固右岸堤防。

［1］朱汝雄.MIKE FLOOD 在某碼頭工程防洪評價中的應(yīng)用［J］. 廣東水利水電，2010(07):26 －28.

［2］武智宏. 青龍河河口段設(shè)計洪峰流量分析［J］. 水科學與工程技術(shù)，2009(06):14 －16.

［3］高金燕，劉志高. 青龍河流域的水文特性［J］. 河北水利水電技術(shù)，2004(01):27 －28.

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［5］吳騰，朱瑞虎. 漫灘水流動量修正系數(shù)特性分析與模擬［J］. 水道港口，2011，32(01):54 －59.

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