基于MIKE21的冀村溝倒虹吸洪水風(fēng)險分析

(1.河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，鄭州，450000；2.重慶鐵路投資集團(tuán)有限公司，重慶 江北區(qū)，400023)

1 引言

洪澇災(zāi)害是我國發(fā)生頻繁的自然災(zāi)害之一，嚴(yán)重影響了我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，為此國家修建了很多水利工程，在控制洪水災(zāi)害方面做出了巨大貢獻(xiàn)。近些年，國家的防洪理念逐步由控制洪水向洪水管理轉(zhuǎn)變，加強(qiáng)了防洪非工程措施的投入，尤其是水流數(shù)值模擬技術(shù)的推廣應(yīng)用。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)在河道水流模擬方面有著周期短，可操作性強(qiáng)，計算精度高等優(yōu)勢，逐漸被社會各界廣泛使用[1]，常見的河流數(shù)值模擬軟件有荷蘭的Delft 3D軟件[2]，美國的SMS水動力學(xué)模型[3]以及目前廣泛應(yīng)用在實(shí)際工程領(lǐng)域的丹麥DHI Mike系列水流模擬軟件[4]。隨著全國洪水風(fēng)險圖的編制，Mike軟件被全國水利行業(yè)廣泛推廣應(yīng)用。

本文采用Mike21 FM中的水動力學(xué)模塊建立南水北調(diào)中線工程左岸排水建筑物冀村溝倒虹吸上游二維洪水演進(jìn)模型，分析棄渣場改變原有地形后，冀村溝倒虹吸的流域面積是否改變，及對南水北調(diào)中線總干渠和冀村溝倒虹吸造成的洪水風(fēng)險。

2 工程概況

冀村溝倒虹吸位于河南省禹州市鴻暢鎮(zhèn)冀村以南的冀村溝上，是南水北調(diào)中線工程總干渠左岸排水建筑物。倒虹吸以上冀村溝流域面積0.66km2，上游溝長為575m，比降0.001。冀村溝倒虹吸管身長91m，單孔2.5m×2.5m(寬×高)。

冀村溝倒虹吸以西800m處為蘭河，該區(qū)域洪水大部分進(jìn)入蘭河，只有小部分進(jìn)入冀村溝倒虹吸。近年來，由于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需要，冀村溝東側(cè)設(shè)置為棄土棄渣場，高出附近地面20m左右，渣場堆棄造成地形改變，可能會引起冀村溝洪水的匯流方式和流域面積變化，進(jìn)而改變冀村溝倒虹吸的下泄洪峰流量，若洪峰流量大于原設(shè)計洪峰流量，則會威脅到南水北調(diào)中線總干渠和冀村溝倒虹吸的安全。

冀村東棄土棄渣場東西長約1400m、南北長約1515m。場區(qū)頂面由西向東平整為三級平臺，棄土棄渣場區(qū)內(nèi)共設(shè)置a、b、c共3條漿砌石排水主溝，排水溝a從場區(qū)北側(cè)起坡處開始向西，最終匯入截流溝；排水溝b從邊坡北端開始沿坡腳向南，匯入排水溝a；排水溝c從東北角開始向南，最終匯入截流溝。小洪水時通過a、b、c三處排水溝排水，大洪水時排水溝漫溢后沿地勢向西排洪。

圖1 冀村溝倒虹吸上游區(qū)域地物分布

3 研究方法

本項(xiàng)目使用MIKE21 FM中的水動力學(xué)模塊來構(gòu)建冀村溝倒虹吸上游區(qū)域的二維洪水演進(jìn)模型，以模擬冀村溝倒虹吸上游洪水的淹沒演進(jìn)過程。

MIKE21 FM中的二維地表淹沒演進(jìn)模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格計算水流運(yùn)動的二維非恒定流方程組，該方程組包含三個方程，分別是水流連續(xù)性方程、水流沿X方向的動量方程以及水流沿Y方向的動量方程，公式如下：

式中：

t為時間(s)；

n為曼寧糙率系統(tǒng)；

x、y為直角坐標(biāo)系的橫縱坐標(biāo)(m)；

u、v為x、y方向的流速分量(m/s)；

z、h為x、y處的水位和水深(m)；

根據(jù)以上方程組，利用迭代法求解即可得到每一時刻在(x，y)處的水位z、水深h及流速u、v。

4 模型構(gòu)建

4.1 模型范圍及網(wǎng)格劃分

本次模型范圍選取冀村溝上游片區(qū)即總干渠左岸，為了準(zhǔn)確模擬渣場對匯流方式的影響，將渣場全部包含在模擬范圍內(nèi)。模型西以蘭河為界；南以總干渠堤防為界；東以地形最高點(diǎn)為界；北以渣場上邊界為界。

用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)絡(luò)(三角形)對模型范圍進(jìn)行剖分，單一網(wǎng)格面積不超過100m2，最大邊長不超過10m。為了精確模擬渣場排水溝、道路、總干渠左側(cè)截流溝等地物對區(qū)域匯流的影響，對其進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理。

(1)渣場排水溝網(wǎng)格加密：渣場排水溝設(shè)計為開口寬1.5m，底寬0.5m，深0.5m的梯形斷面，為了精確模擬渣場排水溝對區(qū)域匯流方式的影響，對渣場排水溝以及溝中心線兩側(cè)各10m范圍內(nèi)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，單一網(wǎng)格面積不超過1m2，最大邊長不超過1m；

(2)截流溝加密：截流溝底寬1m，深1.5m，邊坡1∶1，開口寬4m，單一網(wǎng)格面積不超過4m2，最大邊長不超過2m；

(3)對區(qū)域內(nèi)的道路最大邊長不超過5m。

共剖分網(wǎng)格數(shù)量154 822個，網(wǎng)格云圖見圖2。通過航測得到的DEM數(shù)據(jù)對生成的網(wǎng)格進(jìn)行地形插值得到模擬范圍內(nèi)的地形文件。

圖2 冀村溝網(wǎng)格劃分

4.2 邊界條件

模型采用設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)50年一遇和校核標(biāo)準(zhǔn)200年一遇的凈雨過程，降雨歷時為24h，與設(shè)計成果一致，凈雨過程見圖3。下邊界為冀村溝倒虹吸進(jìn)口，采用設(shè)計水位流量關(guān)系成果，冀村溝倒虹吸進(jìn)口處水位流量關(guān)系見圖4。通過坡面洪水流向的模擬來確定受渣場影響下的流域面積的變化，分析倒虹吸和總干渠處的洪水風(fēng)險。

圖3 設(shè)計凈雨過程

圖4 冀村溝倒虹吸水位流量過程

4.3 河道糙率及模型驗(yàn)證

糙率按居民地、耕地、道路、空地、河道等下墊面，分別賦予不同的值。模型中各糙率結(jié)合現(xiàn)場查勘情況，參考南水北調(diào)中線總干渠設(shè)計階段的賦值和近年完成的全國洪水風(fēng)險圖項(xiàng)目《洪水風(fēng)險圖編制導(dǎo)則》推薦值賦予糙率初值，然后通過不斷調(diào)試，使冀村溝水位與設(shè)計成果基本吻合，最終確定糙率值見表1。

表1 各下墊面糙率取值

通過改變模型邊界條件來進(jìn)行模型驗(yàn)證。因渣場未占用冀村溝原河道，故將冀村溝設(shè)計洪水作為上邊界，下邊界不變，仍為冀村溝倒虹吸進(jìn)口處，采用冀村溝倒虹吸進(jìn)口設(shè)計水位流量關(guān)系，模擬得到冀村溝沿線的水位，并與設(shè)計成果比較，結(jié)果如圖5。從結(jié)果來看，模擬水面線成果與設(shè)計水面線成果吻合較好，誤差在0.20m以內(nèi)，說明模型參數(shù)選取合理，模型結(jié)果可靠。

圖5 模擬成果與設(shè)計成果對比

5 成果分析

5.1 計算結(jié)果

通過對現(xiàn)狀地形下洪水演進(jìn)的模擬計算，得到了冀村溝倒虹吸上游遭遇50年一遇和200年一遇設(shè)計凈雨時洪水的淹沒演進(jìn)過程、淹沒范圍、水深分布、流速分布、到達(dá)時間等各類水力要素。在淹沒演進(jìn)過程中通過水流流速流向分布情況，可以明顯的區(qū)分出冀村溝倒虹吸的流域界，從而統(tǒng)計出冀村溝倒虹吸的流域面積。淹沒水深分布情況見圖6和圖7，水流流速及流向分布見圖8。

從流速流向分布圖可以看出，遭遇暴雨時，初期雨水通過排水溝匯集后排向總干渠截流溝，再向冀村溝倒虹吸排泄；隨著降雨過程的增大，排水溝集滿后會漫溢出槽，沿地勢排向蘭河。根據(jù)二維模型模擬的水流方向，流域右側(cè)為渣場高地為自然邊界；北部水流大部分流向蘭河，受橫向村莊道路(道路二)阻擋，道路二以南的洪水流向冀村溝；左側(cè)邊界受跨總干渠生產(chǎn)路(道路三)引道影響，把水流分為兩側(cè)，一部分流向蘭河，一部分流向冀村溝，道路三上段路基基本平地面，對洪水阻礙較小，洪水越過道路流向蘭河。由此劃分出有渣場情況下的冀村溝流域邊界，即圖8中紅線范圍。

圖6 50年一遇暴雨洪水淹沒水深分布

圖7 200年一遇暴雨洪水淹沒水深分布

圖8 洪水流速流向分布

5.2 風(fēng)險分析

由模擬結(jié)果可以看到水流的流動過程，由此劃定冀村溝倒虹吸在現(xiàn)狀地形下的匯流區(qū)域，量算得到匯流面積為0.59km2，而冀村溝匯流面積設(shè)計值為0.66km2，模擬結(jié)果比設(shè)計成果減小0.07km2，占設(shè)計成果的10.6%，模擬成果與設(shè)計成果基本一致，因此，上游地形的改變未增大冀村溝倒虹吸和南水北調(diào)總干渠的防洪風(fēng)險。通過GIS圖層疊加航測的影像圖，將設(shè)計階段劃分的流域界與模擬得到的流域界進(jìn)行對比，見圖9。

6 結(jié)論

(1)本文選取南水北調(diào)中線總干渠左岸包含棄渣場在內(nèi)的冀村為研究區(qū)域，基于無人機(jī)航測生成的DEM數(shù)據(jù)，構(gòu)建MIKE21 FM二維洪水淹沒演進(jìn)模型，采用設(shè)計洪水進(jìn)行模型驗(yàn)證和參數(shù)率定，模擬計算了50年一遇和200年一遇設(shè)計降雨下的洪水淹沒演進(jìn)情況，并進(jìn)行風(fēng)險分析。

圖9 模型計算流域界與設(shè)計流域界對比

(2)經(jīng)過模擬并對結(jié)果分析，棄渣場造成的地形變化對南水北調(diào)中線總干渠和冀村溝倒虹吸造成的洪水風(fēng)險較小，不需要采取具體工程措施。但由于棄渣場地形較高，周圍地形較低，發(fā)生大暴雨時有邊坡滑動甚至坍塌的風(fēng)險，建議加強(qiáng)棄渣場邊坡防護(hù)。