基于MIKE FLOOD的杜家臺分蓄洪區(qū)運(yùn)用調(diào)度研究

孟長青　周建中　徐少軍　江焱生　孫懷衛(wèi)

摘要：運(yùn)用MIKE平臺建立杜家臺蓄洪區(qū)行洪道MIKEll一維河道模型，模擬并分析了紅星垸堤刨毀前后的分洪道行洪能力。同時(shí)搭建MIKE21分洪區(qū)二維模型，并利用MIKE FLOOD動態(tài)耦合一、二維模塊，以此為平臺研究杜家臺分蓄洪區(qū)分蓄漢江夏、秋洪水與長江洪水時(shí)的調(diào)度工況。結(jié)果表明：紅星垸堤刨毀后分洪道寬度增加，顯著降低了該處分洪道上游的洪水水位，提高了分洪道分洪能力；漢江低量級來水情況下，杜家臺只需運(yùn)用南區(qū)1～4垸分洪，而高量級來水下杜家臺需運(yùn)用1～7垸分洪；長江分洪時(shí)，處于下游的第6垸分洪能力顯著，最終可解除第7、9垸的風(fēng)險(xiǎn)，只需運(yùn)用1～6垸?，F(xiàn)有防洪工程中第5、6垸分洪速度較慢且分洪量小，而處于最上游的第2垸分洪量大且分洪較快，導(dǎo)致與其相臨的1～4垸洪水超高，危及7、9垸，故7、9垸堤頂亟待加高，同時(shí)5、6垸分洪能力需要增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：MIKE21；MIKEll；MIKE FLOOD；分洪運(yùn)用；行洪能力；杜家臺分蓄洪區(qū)

1概述

分蓄洪區(qū)是我國江河防洪體系中重要的組成部分，在防汛緊急關(guān)頭能夠發(fā)揮削減洪峰、蓄滯超額洪水的重要作用，是防洪調(diào)度的重要手段和有效措施。湖北省杜家臺分蓄洪區(qū)是漢江下游和長江中游防洪體系的一部分，1956年4月杜家臺分洪閘建成運(yùn)用，至1970年黃陵磯閘建成后，形成了由杜家臺分洪閘、洪道、蓄洪區(qū)（泛區(qū)）、黃陵磯泄洪閘等四部分組成的杜家臺分蓄洪區(qū)，見圖1。杜家臺分蓄洪區(qū)上接漢江（起點(diǎn)位于杜家臺分洪閘，漢江干堤右岸中心樁號126+200處），下連長江（終點(diǎn)在黃陵磯閘，距長江主河道約5 km），處于通順河水系的下游。獨(dú)特的地理位置使其具備分蓄漢江和長江洪水的雙重功能，同時(shí)也具備漢江洪水經(jīng)洪道直接行洪入長江的條件。當(dāng)漢江分洪而長江水位較低時(shí)，漢江洪水可經(jīng)洪道行洪入長江；當(dāng)漢江分洪流量有限而長江中水過峰時(shí)，可將分入的漢江洪水暫時(shí)滯蓄于分洪區(qū)內(nèi)，待長江洪峰過后再泄入長江；當(dāng)長江發(fā)生特大洪水時(shí)，分蓄洪區(qū)還可容納16億m3長江超額洪水。

對于杜家臺分蓄洪區(qū)水動力數(shù)學(xué)模型的研究已有一些成果，如翁朝暉等建立了一維非恒定流洪水演進(jìn)水動力數(shù)學(xué)模型，對杜家臺分洪道的行洪能力進(jìn)行研究，表明利用分洪道分流行洪“夾水出江”的運(yùn)用模式是可行的：曹志芳等建立了河網(wǎng)區(qū)非恒定水沙數(shù)學(xué)模型，采用汊點(diǎn)分組方法求解水流方程組，并把所建模型應(yīng)用于漢江杜家臺分蓄洪區(qū)的水沙運(yùn)動模擬：覃蓮超等建立了一維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，模擬杜家臺分蓄洪區(qū)洪道、漢江干流仙桃到河口以及長江干流螺山到漢口河段的洪水演進(jìn)情況；鄭敬偉等利用二維水動力學(xué)方法進(jìn)行洪水淹沒計(jì)算，結(jié)合杜家臺分蓄洪區(qū)土地利用狀況，進(jìn)行了災(zāi)情分析和損失評估，根據(jù)淹沒水深與到達(dá)時(shí)問計(jì)算結(jié)果，疊加必要的基礎(chǔ)信息和輔助信息，制成了完整的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖。前人對杜家臺分蓄洪區(qū)數(shù)學(xué)模型的研究主要針對分蓄漢江來水的行洪、分洪建模，而杜家臺兼有分蓄漢江和長江洪水的雙重功能，對于分蓄長江洪水的研究卻少有涉及，隨著杜家臺分蓄洪區(qū)續(xù)建配套工程的完善，依據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，外包線圍堤按防御周幫分洪最高水位28.15 m設(shè)計(jì)（前期按防御周幫分洪最高水位26.65 m作為控制運(yùn)用的條件），杜家臺分別分蓄漢江和長江洪水時(shí)能否順利實(shí)施調(diào)度方案，兩種方案的差異與可能面臨的問題都需進(jìn)一步研究。此外，受計(jì)算機(jī)技術(shù)限制，前人所建模型比較簡單。而丹麥水力學(xué)研究所開發(fā)的MIKESHE軟件具有簡單、快速、精確、可視性好等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外大型工程中得到廣泛應(yīng)用。綜合以上因素，筆者運(yùn)用MIKE平臺分別建立MIKE11行洪道一維河道模型和MIKE21分洪區(qū)二維模型，并利用MIKEFLOOD動態(tài)耦合一、二維模塊，以此為平臺研究杜家臺分蓄漢江洪水與長江洪水時(shí)的不同分洪工況，并對杜家臺分蓄洪區(qū)的分洪效果進(jìn)行研究，以期更好地為運(yùn)用預(yù)案和防洪工程建設(shè)提供技術(shù)支撐。

2杜家臺分蓄洪區(qū)一、二維耦合模型的建立

2.1研究范圍

杜家臺分蓄洪區(qū)的研究范圍：西面以洪道右堤和西圍堤為界，南面以東荊河堤和長江干堤為界，東面以新合堤為界，北面以北圍堤為界，包括洪道以南的13個(gè)圍垸、洪道以北的14個(gè)圍垸（紅星垸與三羊垸已刨毀）。

杜家臺洪道的研究范圍：以漢江鄢灣彎道處的杜家臺分洪閘為起點(diǎn)，以通順河出口段黃陵磯閘為終點(diǎn)。

2.2杜家臺洪道一維河網(wǎng)搭建

杜家臺洪道斷面設(shè)置：杜家臺洪道從杜家臺閘至黃陵磯閘，全長73.85 km。洪道內(nèi)共設(shè)置86個(gè)斷面，斷面間距變化范圍為0.6-3.0 km，斷面數(shù)據(jù)采用2011年實(shí)測資料，缺少部分由1998年資料補(bǔ)充。同時(shí)靠近黃陵磯閘的沿河垸、周家墩垸、趙家垴垸、香城垸、鴛龍山垸、荒五里垸、黃石畈垸在分洪時(shí)即扒開，故全部歸入一維河道處理，不單獨(dú)考慮成垸。

2.3杜家臺分蓄洪區(qū)二維區(qū)域建模

對杜家臺分蓄洪區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格剖分，模型形成網(wǎng)格67 483個(gè)，其中最小網(wǎng)格面積1 614.86 m2，最大網(wǎng)格面積12 898.41 m2，計(jì)算總面積497.344 km2。區(qū)域內(nèi)計(jì)算單元圍垸邊界（不含二維邊界部分）采用堰（weirs）模擬：計(jì)算單元圍垸內(nèi)部圍垸邊界采用加高網(wǎng)格地形的方式模擬；阻水道路為漢洪高速，其土基段采用修改局部網(wǎng)格地形的方式模擬，橋梁段若有橋墩，則采用橋墩進(jìn)行模擬，其他部分不作處理。一、二維耦合邊界為實(shí)際爆破口門，模擬方法為虛擬河道加閘門控制開啟，更多MIKE操作細(xì)節(jié)可參考文獻(xiàn)。

2.4計(jì)算方案

2.4.1分蓄漢江洪水時(shí)的兩種工況

（1）秋季漢江發(fā)生1983年型200 a一遇洪水，杜家臺分洪閘一次性全開，最大分洪流量為5 300 m3/s，當(dāng)分洪量達(dá)到丹江口水庫加高后杜家臺200 a一遇設(shè)計(jì)分洪量時(shí)，關(guān)閉杜家臺分洪閘；長江黃陵磯閘開啟，閘外水位采用漢口水位23.15 m對應(yīng)的黃陵磯水位23.41 m。

（2）夏季洪水、受長江干流頂托影響情況，漢江發(fā)生1935年型200 a一遇洪水，杜家臺分洪閘一次性全開，最大分洪流量為5 300 m3/s，當(dāng)分洪量達(dá)到丹江口水庫加高后杜家臺200 a一遇設(shè)計(jì)分洪量時(shí)，關(guān)閉杜家臺分洪閘，長江黃陵磯閘關(guān)閉。

2.4.2分蓄長江洪水時(shí)的一種工況

杜家臺分洪閘關(guān)閉，黃陵磯閘開啟，長江發(fā)生放大1998年實(shí)測洪水至螺山站最大流量70 000 ma/s的洪水。

由于歷史上長江、漢江洪水遭遇概率較小、時(shí)間較短，更未出現(xiàn)過同頻率洪水遭遇的惡劣情況，因此計(jì)算方案不再考慮兩江洪水遭遇的情況。

2.5調(diào)度規(guī)則

《杜家臺分蓄洪區(qū)運(yùn)用預(yù)案》（2014版）指出：分蓄洪區(qū)內(nèi)各控制運(yùn)用圍垸破口蓄洪原則為先洪道以南，再洪道以北，后通順河以南。圍垸逐個(gè)或同時(shí)扒口，不足時(shí)再運(yùn)用洪北垸、銀蓮湖垸、上東城垸，遇特大洪水時(shí)，最后運(yùn)用保豐垸和下東城垸。杜家臺二維分蓄洪區(qū)共27垸，有8垸分洪前扒開，與洪道同時(shí)分洪，模型計(jì)算時(shí)各垸依據(jù)地形與堤頂高程情況將二維計(jì)算范圍內(nèi)的19個(gè)圍垸分為九大垸（圍垸1～9），每個(gè)大垸設(shè)置一個(gè)爆破口門，分洪時(shí)依次爆破。

根據(jù)《杜家臺分蓄洪區(qū)運(yùn)用預(yù)案》（2014版），各垸爆破順序見表1。

2.5.1漢江洪水爆破口門分洪條件

《杜家臺分蓄洪區(qū)運(yùn)用預(yù)案》（2014版）指出：當(dāng)利用洪道調(diào)蓄和黃陵磯閘泄洪仍不能控制周幫水位上漲，預(yù)計(jì)周幫水位將超過控制水位28.15 m時(shí)，依照1～9大垸順序依次爆破圍垸。

2.5.2長江洪水爆破口門分洪條件

由于《杜家臺分蓄洪區(qū)運(yùn)用預(yù)案》（2014版）未分別對漢江與長江來水進(jìn)行調(diào)度的具體方案，筆者首先依據(jù)周幫控制蓄洪水位28.15 m控制1-9垸依次爆破圍垸。而試算結(jié)果表明，該方案洪道下游段將出現(xiàn)30 m的超高水位，行洪道洪水將漫堤直接淹沒8、9垸。為此，采用了更為合理的調(diào)度方案進(jìn)行長江分洪調(diào)度，即監(jiān)測各垸爆破口門前水位。當(dāng)水位達(dá)到垸堤頂高程以下1.5 m時(shí)，爆破垸口門進(jìn)行分洪。

2.6糙率率定

本研究河網(wǎng)模型采用2005年漢江、杜家臺行洪道各水文（位）站的實(shí)測水位、流量資料進(jìn)行率定；采用2011年漢江、杜家臺行洪道各水文（位）站的實(shí)測水位、流量資料進(jìn)行驗(yàn)證，糙率取值見表2。本次計(jì)算根據(jù)水力學(xué)手冊的糙率經(jīng)驗(yàn)值選取杜家臺分洪區(qū)不同土地利用類型的糙率值。若某網(wǎng)格內(nèi)含有多種地形，則按照各地形糙率的加權(quán)平均值確定該網(wǎng)格的糙率。

3計(jì)算結(jié)果分析

3.1紅星垸堤創(chuàng)毀前后行洪道行洪能力測試

行洪道原紅星垸堤段斷面狹窄、嚴(yán)重阻水，已于2011年刨毀。筆者首先模擬1 500 m3/s恒定流量人流情況紅星垸堤扒開前后行洪道過水能力（未扒開稱為窄斷面，扒開稱為寬斷面），黃陵磯閘下邊界為漢口水位25.00 m對應(yīng)的黃陵磯閘外江水位23.41 m。如圖2所示，從零時(shí)刻起算，初始時(shí)刻分洪道前段水位有波動，6 h 3 min寬斷面洪道水流推進(jìn)至洪道末端，而窄斷面在5 h 56 min水流推進(jìn)至洪道末端，6 h前兩方案水位過程接近。12 h時(shí)洪水繼續(xù)向下游演進(jìn)，此時(shí)里程2 000-3 000 m處，窄斷面水位比寬斷面水位最大高出1 m，而其前后兩端水位接近。至24 h行洪道水位繼續(xù)上升，里程0至27 788 m處水位差從小到大遞增。48-144 h行洪道水位變化不大，這是因洪道內(nèi)水流過程趨于穩(wěn)定所致。此外，24 h 4 min窄斷面洪道里程73 803 m處水位到達(dá)23.41 m。而24 h48 min寬斷面洪道里程73 803 m處水位到達(dá)23.41 m，兩方案在對應(yīng)時(shí)刻打開黃陵磯閘排水入江。紅星垸刨毀后斷面下游水位上升較窄斷面時(shí)慢，故黃陵磯開閘較晚，但其過閘流量過程線線型與窄斷面時(shí)相近。

為反映不同量級來水情況下的寬、窄斷面行洪能力，筆者模擬了流量3 000 m3/s與4 500 m3/s時(shí)的行洪情況，結(jié)果顯示大流量下行洪道水位分布同1500m3/s流量下類似，最終水位穩(wěn)定后里程27 788 m處以上寬、窄斷面行洪道內(nèi)水位差從大到小遞減。此外，洪水量級越大，水位差越大，而27 788 m處以下水位相差較小。在下游水位到達(dá)23.41 m的時(shí)間上，隨著洪水量級增大，寬斷面比窄斷面依次慢44、33、30 min（篇幅所限，不再展示3 000 m3/s與4 500 m3/s流量行洪過程）。

3.2漢江來水方案測試

3.2.1秋季1983年型200 a一遇洪水

秋季1983年型200 a一遇洪水方案下各垸分洪過程見圖3。從零時(shí)刻算起，12 h時(shí)圍垸1閘前水位高于閘后水位，故爆破該圍垸閘門，人流量穩(wěn)步上升。28 h 14 min周幫水位達(dá)到控制水位28.15 m，此時(shí)爆破圍垸2閘門，因圍垸2口門在行洪道上游，分洪能力顯著，故周幫水位迅速下降，此時(shí)圍垸1流量有所下降。45 h 24 min黃陵磯閘前水位到達(dá)23.41 m，打開黃陵磯閘排水入江，其流量過程見圖3（流量為正即圍垸入流，為負(fù)即出流）。48 h時(shí)，圍垸2裝滿水且水漫堤進(jìn)入圍垸4，圍垸1裝滿漫入圍垸4。72 h時(shí)，圍垸1、2繼續(xù)分洪，圍垸1水漫堤進(jìn)入圍垸3，此時(shí)圍垸1-4皆被洪水淹沒。各垸分洪水深過程見圖4～圖7。分洪前初始水深見圖4，圍垸5、7有明顯的積水，圍垸4、6有少量的積水。分洪后20 h，圍垸1入口（張沉湖）最大水深已超過0.95 m（見圖5），蓄水能力顯著。分洪后28 h 20 min，圍垸2入口處洪水向南邊低洼處積聚，而圍垸1水深已超過2.4 m（見圖6）。此后，圍垸2迅速蓄滿漫過垸堤淹沒圍垸4，且向圍垸1、3演進(jìn)。78 h時(shí)分洪結(jié)束，各圍垸最終淹沒水深見圖7。

3.2.2夏季1935年型200 a一遇洪水

各圍垸分洪過程見圖8。從零時(shí)刻算起，6 h30 min圍垸1閘前水位高于閘后水位，故爆破該圍垸1閘門，人流量穩(wěn)步上升；31 h 1 min，周幫水位達(dá)到控制水位28.15 m，此時(shí)爆破圍垸2閘門，由于圍垸2口門在行洪道上游，分洪能力顯著，因此周幫水位迅速下降。79 h 38 min，圍垸1-4水位全境達(dá)到27.00 m，而與圍垸3相鄰的圍垸7、9有被漫堤的危險(xiǎn)，故此時(shí)打開圍垸5、6的閘門分洪。圍垸5、6打開后，圍垸1出現(xiàn)倒流后又入流的周期性過程。圍垸2人流仍為正，導(dǎo)致1-4垸水位繼續(xù)升高，81 h其全境水位到達(dá)27.60 m，有漫過垸堤進(jìn)入7、9垸的危險(xiǎn)，為保護(hù)圍垸9的安全，此時(shí)扒開圍垸7分洪。圍垸7分洪能力顯著，最終使得南片圍垸水位降低，解除了圍垸9被淹沒的危險(xiǎn)。138 h分洪結(jié)束，各圍垸最終淹沒水深見圖9。

3.3長江來水方案測試

各圍垸分洪過程見圖10。從零時(shí)刻算起，1 h時(shí)圍垸1閘前水位高于閘后水位，故爆破該圍垸1閘門，人流量穩(wěn)步上升；41 h時(shí)，圍垸1水流漫堤將圍垸3、4全部淹沒并漫入圍垸2。50 h 2 min圍垸5閘前水位達(dá)到堤頂以下1.5 m，此時(shí)爆破圍垸5閘門。58 h圍垸6閘前水位達(dá)到堤頂以下1.5 m，此時(shí)爆破圍垸6閘門。由圖10看出，圍垸5遠(yuǎn)離黃陵磯閘入口，人流量較小，而圍垸6開始時(shí)人流迅猛且影響行洪道水位變化，水位變化又影響其流量過程。而在圍垸5、6開啟后，圍垸1流量出現(xiàn)入水退水的多次反復(fù)。110 h 30min分洪結(jié)束，各圍垸最終淹沒水深見圖11。

3.4對比分析

（1）紅星垸堤狹窄段使得洪道里程27 788 m以上水位壅高，而對27 788 m以下段水位影響不大，并且洪量越大，水位壅高越顯著，洪水漫堤入垸的危險(xiǎn)性越高。而窄斷面情況下，下游水位升高較寬斷面時(shí)更快，可提前打開黃陵磯閘排水入江，但其時(shí)間不超過1 h。總體來說，相同來水下紅星垸堤刨毀后寬斷面洪道水位上升較慢，洪道可以蓄滯更多的洪水，可減少各圍垸受災(zāi)損失。

（2）區(qū)域內(nèi)蓄水量滿足水量平衡是檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的基本保證，為此需要對區(qū)域內(nèi)水量是否平衡進(jìn)行檢驗(yàn)。針對3套模擬方案，表3列出了每套方案的洪水方案實(shí)際入洪量、黃陵磯閘排水量（針對漢江來水方案）、行洪道蓄水量以及分洪區(qū)蓄水量，并列出了模擬蓄水值的相對誤差。由表3可知，模擬值與實(shí)際入洪量接近，計(jì)算可知模擬值相對誤差均在±1%以內(nèi)，滿足水量平衡要求。漢江洪水方案與長江洪水方案的洪水計(jì)算結(jié)果能夠?yàn)楹樗L(fēng)險(xiǎn)分析提供參考（1983年200 a一遇洪水方案簡稱83_200，1935年200 a一遇洪水方案簡稱35_200，長江來水70 000 m3/s方案簡稱長江7萬）。

（3）漢江秋季洪水來水較夏季小，且黃陵磯閘外水位低，洪水可通過黃陵磯閘排水入江，減輕杜家臺分蓄洪區(qū)分洪壓力，減少受災(zāi)損失。夏季低量級來水情況下，杜家臺分蓄洪區(qū)只需運(yùn)用南區(qū)1-4垸分洪，而夏季高量級來水下杜家臺分蓄洪區(qū)需運(yùn)用1-7垸分洪，夏季方案分洪時(shí)5、6垸雖未裝滿，但2垸入水較大，導(dǎo)致1-4垸水位上升較快，3垸洪水將要漫堤淹沒與其相接的7、9垸，故爆破7垸以保護(hù)第9垸。而長江分洪時(shí)，洪水總量大于35_200方案的，而第6垸處于下游，分洪能力顯著，最終可解除7、9垸的風(fēng)險(xiǎn)，只需運(yùn)用1-6垸。同時(shí)，35_200淹沒范圍明顯大于83-200淹沒范圍，因而相應(yīng)的蓄洪量、最高水位也較大。長江7萬雖比35_200少運(yùn)用一個(gè)垸，但其最大水深皆比35_200的高。不同方案下各垸最大水深、淹沒面積、蓄洪量見表4。

4結(jié)語

（1）本研究搭建了MIKE11杜家臺分蓄洪區(qū)行洪道一維河道模型，并計(jì)算分析了紅星垸堤刨毀后對行洪道行洪能力的影響，結(jié)果顯示：紅星垸堤刨毀后對應(yīng)斷面以上段的洪水水位顯著降低，保護(hù)了該段相接處各垸的安全。

（2）搭建了MIKE21杜家臺分蓄洪區(qū)二維模型，并利用MIKE FLOOD動態(tài)耦合一、二維模塊，分析了漢江夏季與秋季來水以及長江來水方案下的不同分洪工況。通過模型計(jì)算，模擬洪水演進(jìn)過程，利用可控建筑物監(jiān)測并動態(tài)控制各垸的爆破過程，為滯洪區(qū)的防洪及減災(zāi)提供了決策依據(jù)。

（3）統(tǒng)計(jì)并分析了不同洪水方案下各垸的受災(zāi)情況，結(jié)果顯示：現(xiàn)有分洪區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施下，分洪夏季200 a一遇洪水時(shí)，5、6垸分洪較慢且能力較弱，而處于最上游的2垸分洪能力較強(qiáng)，導(dǎo)致與其相臨的1-4垸洪水危及7、9垸，故7、9垸堤頂亟待加高，同時(shí)5、6垸分洪能力需要加強(qiáng)（可加大爆破口門的寬度）。