王麗文

摘 要：本文通過(guò)分析MIKE11水動(dòng)力模型基本理論和計(jì)算方法，對(duì)太子河干流河道利用該模型進(jìn)行模擬分析，然后依據(jù)洪水、過(guò)流能力、水量平衡等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)模型的可靠性與適用性進(jìn)行驗(yàn)證分析。研究表明：MIKE11水動(dòng)力學(xué)模型能夠較好的反映太子河干流河道潰堤洪水實(shí)際狀況，模型表現(xiàn)出較強(qiáng)的適用性與可靠性；本文研究成果對(duì)于準(zhǔn)確還原和分析洪水發(fā)生過(guò)程具有重要意義。

關(guān)鍵詞：太子河流域；MIKE11模型；河道潰堤；洪水模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.101

1 MIKE11水力學(xué)模型

太子河流域?qū)儆跍嘏瘞駶?rùn)半濕潤(rùn)氣候區(qū)全年降水量充足其中71.2%降雨量集中在6～8月，全長(zhǎng)413km流經(jīng)本溪、遼陽(yáng)以及鞍山等市。流域上、下游水位及干支流狀況對(duì)河道的影響顯著，河道內(nèi)水位流量變化關(guān)系復(fù)雜，對(duì)河道潰堤洪水演算采用傳統(tǒng)的水文學(xué)法已無(wú)法滿足相關(guān)要求，而利用圣維南方程組可對(duì)任意時(shí)刻任意河道內(nèi)的水位、流速和流量等因素進(jìn)行計(jì)算分析[1]。據(jù)此，本文通過(guò)構(gòu)建MIKE11模型對(duì)太子河防洪保護(hù)區(qū)的河道潰堤洪水過(guò)程利用模型進(jìn)行模擬分析，然后對(duì)模型模擬結(jié)果的合理行和可靠行進(jìn)行了驗(yàn)證，以期為該區(qū)域洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制和制定防洪減災(zāi)措施提供一定的決策依據(jù)和理論支持。

1.1 模型原理

河道水流為均質(zhì)流態(tài)、不可壓縮的基本假定為MIKE11水動(dòng)力學(xué)模型的前提條件，利用一維明渠非恒定流微分方程即圣維南方程組進(jìn)行模擬分析。圣維南方程組如下所示：

1.2 構(gòu)建模型

MIKE11水力學(xué)模型主要有河網(wǎng)文件、斷面文件、設(shè)定邊界條件并形成邊界文件，利用水文計(jì)算結(jié)果形成時(shí)間序列文件、設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)形成模擬文件，實(shí)現(xiàn)一維河道及潰口的概化演算。地形地貌結(jié)構(gòu)參數(shù)利用分辨率為50m×50m的數(shù)字高程圖（DEM）進(jìn)行處理所得，利用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分[2]。河道潰堤過(guò)程可采用MIKE11模型的潰堤模塊進(jìn)行模擬分析，并分別對(duì)潰堤時(shí)機(jī)、潰口位置以及尺寸進(jìn)行設(shè)置。模型的上游邊界以河流的流量為邊界，且以上游斷面在設(shè)定年限內(nèi)的洪水過(guò)程為輸入?yún)?shù)，下游邊界是利用曼寧公式推算出的水位作為邊界，同時(shí)應(yīng)考慮各斷面的頻率峰值，如下所示：

上述公式中：——分別為分洪流量和堰流系數(shù)；

——分別為寬度和堰流指數(shù)；

——分別為堰上游水位和堰下游水位；

——堰頂高程。

河道左灘地、主河道和右灘地的Manning系數(shù)n分別取值為0.02，0.036和0.05，并引入收縮、擴(kuò)張分別表征河道能量損失；設(shè)定河道的擴(kuò)張系數(shù)和收縮系數(shù)分別為0.2和0.1；邊界條件是進(jìn)行河道模擬計(jì)算的必要條件，上游1河段的坡降比為0.0006，河道的臨界水深分別為3和4河段的邊界條件；采取混合流態(tài)為研究區(qū)域的河流流態(tài)。

2 河道潰堤洪水模擬研究

選取太子河防洪保護(hù)區(qū)河道橋潰口為研究對(duì)象，利用MIKE11模型對(duì)其進(jìn)行潰堤洪水時(shí)間序列計(jì)算分析。計(jì)算范圍長(zhǎng)136.5km，潰口選取歷史潰口處，瞬潰為潰口的發(fā)生類型其保證水位為45.6m。利用1：1萬(wàn)精度的地形度和上述數(shù)據(jù)資料建立模型分析的斷面和河網(wǎng)文件。選取太子河上游水文站的設(shè)計(jì)洪水過(guò)程作為上游邊界條件大支流邊界劃分為5個(gè)區(qū)間入流點(diǎn)，并以下游水文站的水位流量關(guān)系作為下游邊界條件。主河道的糙率為0.025～0.030，灘地及耕田的糙率為0.041～0.048，植被林地糙率為0.06～0.07，村莊糙率為0.08～1.10，所選糙率均滿足河道潰口的水力性能要求，將該結(jié)果直接輸入MIKE11模型。初始水位和流量值分別為25.2m和0并以此構(gòu)建河道參數(shù)文件，本文選取12s作為時(shí)間步長(zhǎng)。利用MIKE11模型進(jìn)行模擬分析潰口過(guò)程線圖1所示。

本研究選取2015年的實(shí)測(cè)洪水過(guò)程對(duì)模型的河道糙率取值合理性進(jìn)行驗(yàn)證，并以上游和下游水文站作為MIKE11模型的上、下邊界條件并對(duì)河道水位變化過(guò)程利用模型進(jìn)行模擬演化，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬驗(yàn)證過(guò)程和對(duì)比。研究表明：河道洪水沿程洪痕、監(jiān)測(cè)站和洪水計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水文之間的絕對(duì)誤差最大值不高于20cm。結(jié)合模擬結(jié)果河道洪水實(shí)測(cè)值與模擬值保持較高的一致性，在驗(yàn)證的12d洪水過(guò)程中僅有個(gè)別點(diǎn)其誤差相對(duì)較大，其他各點(diǎn)的誤差均滿足相關(guān)研究，以此表明所選取的糙率值滿足模型的模擬精度要求。

3 結(jié)論

（1）潰口上斷面河道總洪量在不考慮滲漏、蒸發(fā)等損失的條件時(shí)，其值與潰口下斷面和潰口流入保護(hù)區(qū)內(nèi)的流量的和保持一致，根據(jù)水量平衡基本理論說(shuō)明該模型模擬結(jié)果較為合理、可靠。

（2）所構(gòu)建的MIKE11水動(dòng)力模型能夠較好的對(duì)潰口洪水變化過(guò)程模擬演化，模擬結(jié)果可作為二維洪水演算的邊界條件和決策依據(jù)。

（3）河道洪水實(shí)測(cè)值與模擬值保持較高的一致性，在驗(yàn)證的12d洪水過(guò)程中僅有個(gè)別點(diǎn)其誤差相對(duì)較大，其他各點(diǎn)的誤差均滿足相關(guān)研究，本文所選取的糙率值滿足模型的模擬精度要求。

參考文獻(xiàn)：

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[2]吳俊秀，郭清.大凌河流域MIKE BASIN水資源模型[J].水文，

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