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        基于MIKE21模型的盛莊洼蓄滯洪區(qū)洪水淹沒分析

        2019-08-01 08:50:26
        水資源開發(fā)與管理 2019年7期
        關(guān)鍵詞:滯洪區(qū)洪水高程

        (河北省水利水電勘測設(shè)計研究院,天津 300250)

        MIKE21為MIKE系列軟件之一,屬于平面二維表面流模型。黃萍等[1]采用MIKE21模型模擬圩堤潰決后南新聯(lián)圩防洪保護區(qū)內(nèi)洪水演進過程;郭鳳清等[2]采用MIKE21FM方法對港江蓄洪區(qū)的洪水演進進行數(shù)值模擬;陳曉更等[3]采用MIKE一、二維耦合方法對月亮泡蓄滯洪區(qū)洪水演進進行數(shù)值模擬。根據(jù)盛莊洼蓄滯洪區(qū)及周邊河道、堤防情況,蓄滯洪區(qū)啟用和運用標準、洪水調(diào)度方案以及洪水分析方法,考慮現(xiàn)狀與規(guī)劃兩種工況,20年一遇、50年一遇兩種洪水設(shè)計,結(jié)合鴉豐公路天津市防浪墻是否存在幾種條件,采用MIKE21模型計算分析蓄滯洪區(qū)內(nèi)洪水淹沒情況。

        1 蓄滯洪區(qū)概況

        盛莊洼蓄滯洪區(qū)位于河北省玉田縣和天津市寧河縣的交界處,屬海河流域北三河系。東南臨還鄉(xiāng)河故道,西依薊運河和雙城河左堤,北至九丈窩防洪堤。蓄滯洪區(qū)地理位置見圖1。

        圖1 盛莊洼蓄滯洪區(qū)地理位置示意圖

        蓄滯洪區(qū)面積12.15km2,南北長7.50km,東西寬3.30km。滯洪區(qū)圍堤(河北境內(nèi))13.35km,分洪控制工程為九丈窩分洪閘,設(shè)計流量244m3/s,設(shè)計分洪水位4.84m,退水工程主要有退水涵閘(設(shè)計流量10m3/s)、盛莊子揚水站(現(xiàn)狀設(shè)計流量6m3/s,規(guī)劃設(shè)計流量10m3/s)。

        蓄滯洪區(qū)內(nèi)地面高程在0.7~2.1m 之間,地勢東北高,西南低。盛莊洼圍堤設(shè)計超高2.0m。除薊運河左堤、還鄉(xiāng)河右堤基本達到設(shè)計標準外,其他圍堤均未達到設(shè)計要求。

        蓄滯洪區(qū)內(nèi)涉及的圍村埝有大盤龍安全區(qū)圍村埝、北單莊圍村埝、流澗頭圍村埝、盛莊子圍村埝。道路有鴉豐公路(玉豐線)、濱玉線、豐臺西村村南路。防浪墻位于豐臺西村村西的鴉豐公路東側(cè)。

        盛莊洼蓄滯洪區(qū)現(xiàn)狀運用原則:當(dāng)還鄉(xiāng)河發(fā)生超10年一遇洪水,流量超過670m3/s,九丈窩分洪閘上水位達到4.84m,且水位繼續(xù)上漲時,利用九丈窩分洪閘向盛莊洼分洪。滯洪區(qū)滯洪后,由盛莊排水涵閘和揚水站退水入薊運河。

        2 模型構(gòu)建思路與原理

        2.1 模型構(gòu)建思路

        根據(jù)盛莊洼蓄滯洪區(qū)的洪水特點,盛莊洼蓄滯洪區(qū)洪水風(fēng)險分析采用MIRE21水流模型,模型建立步驟如下:

        a.根據(jù)盛莊洼蓄滯洪區(qū)地理位置及周邊河道、堤防情況確定模型計算范圍。

        b.根據(jù)蓄滯洪區(qū)入流和出流控制工程,確定模型計算上邊界和下邊界條件。

        c.利用MIKE21構(gòu)建盛莊洼蓄滯洪區(qū)二維水動力模型,對蓄滯洪區(qū)內(nèi)的地形進行概化插值,進行網(wǎng)格剖分,對蓄滯洪區(qū)內(nèi)的道路、防浪墻及圍村埝等構(gòu)筑物進行概化計算。

        d.設(shè)置模型參數(shù),對模擬計算結(jié)果進行分析。

        2.2 網(wǎng)格剖分

        根據(jù)蓄滯洪區(qū)內(nèi)地形和水流特點,本次模型計算采用三角形網(wǎng)格,進行網(wǎng)格剖分時,將模型計算范圍作為外邊界,并且將蓄滯洪區(qū)內(nèi)的道路、圍村埝等阻水構(gòu)筑物作為內(nèi)部限制邊界,對模型計算網(wǎng)格進行局部加密。

        模型計算域總面積為13.84km2,根據(jù)模型計算范圍及計算區(qū)域內(nèi)道路、堤埝的具體情況,確定網(wǎng)格剖分時邊界頂點平均間距為50m,各計算條件下網(wǎng)格剖分基本一致,共剖分網(wǎng)格5378個,網(wǎng)格節(jié)點2890個,最大網(wǎng)格面積0.02km2,平均網(wǎng)格面積為0.0033km2。蓄滯洪區(qū)內(nèi)網(wǎng)格剖分成果及局部加密剖分網(wǎng)格見圖2和圖3。

        圖2 盛莊洼蓄滯洪區(qū)網(wǎng)格剖分圖

        圖3 構(gòu)筑物處網(wǎng)格加密剖分示意圖

        2.3 模型邊界條件及參數(shù)選取

        模型計算范圍確定后,根據(jù)蓄滯洪區(qū)地理位置、構(gòu)筑物、地形等情況,確定模型計算的邊界條件和參數(shù)如下:

        a.上邊界條件:還鄉(xiāng)河超標洪水的設(shè)計洪水過程。

        b.下邊界條件:盛莊揚水站設(shè)計排水流量。

        c.特殊邊界的處理:計算區(qū)域內(nèi)涉及的道路、圍村埝及防浪墻等按照溢流壩考慮。盛莊洼蓄滯洪區(qū)內(nèi)地勢、道路及堤埝概化見圖4。

        d.時間步長:根據(jù)盛莊洼蓄滯洪區(qū)的實際情況,同時考慮退水計算時間及淹沒歷時等情況,時間步長取10s,20年計算時長為170h,50年計算時長為1418h。

        e.渦黏系數(shù)(Eddy Viscosity):選擇Smagorinsky系數(shù)方法設(shè)定渦黏系數(shù),程序缺省值為0.28。

        f.耕地地面糙率采用0.040~0.055,村莊及較大的阻水建筑物糙率采用0.080~0.100。

        圖4 蓄滯洪區(qū)內(nèi)地勢、道路及堤埝概化圖

        3 洪水計算方案及成果

        3.1 計算方案

        根據(jù)盛莊洼蓄滯洪區(qū)啟用和運用標準、洪水調(diào)度方案,依據(jù)《海河流域蓄滯洪區(qū)建設(shè)與管理規(guī)劃(2012年)》,盛莊洼蓄滯洪區(qū)主要分為現(xiàn)狀與規(guī)劃兩種工況,20年一遇、50年一遇兩種洪水設(shè)計,并考慮鴉豐公路天津市防浪墻是否存在幾種條件下的洪水淹沒情況。

        現(xiàn)狀與規(guī)劃兩種工況的主要區(qū)別為護村圍埝埝頂高程與盛莊子揚水站排水流量。

        現(xiàn)狀條件北單莊圍村埝現(xiàn)狀頂高程3.40~4.09m,大盤龍圍村埝現(xiàn)狀頂高程2.9~4.35m,盛莊子圍村埝現(xiàn)狀頂高程2.52~5.57m,劉澗頭圍村埝現(xiàn)狀頂高程2.98~4.60m。規(guī)劃條件下各圍村埝頂高程不足3.89m的按3.89m加高培厚考慮。

        現(xiàn)狀條件盛莊子揚水站設(shè)計排水流量6m3/s,規(guī)劃條件設(shè)計排水流量為10m3/s。

        20年一遇洪水條件下,考慮鴉豐公路東側(cè)有無防浪墻兩種情況。

        綜上,模型計算方案共6個,各方案計算條件見表1。

        3.2 計算成果

        根據(jù)模型計算成果,分別從淹沒水深、洪水到達時間及淹沒歷時3個方面對模型計算結(jié)果進行分析。

        3.2.1 淹沒水深

        20年一遇洪水條件下,各方案淹沒水深均較小,除湘子村局部村基被淹沒外,其他村莊由于圍村埝保護未被洪水淹沒。

        表1 盛莊洼蓄滯洪區(qū)洪水風(fēng)險分析計算方案

        現(xiàn)狀條件50年一遇洪水淹沒水深大于20年一遇,豐臺西村由于村基較高未被洪水淹沒,其余村莊淹沒水深0.33~2.00m不等;規(guī)劃條件出流流量大于現(xiàn)狀條件,故50年一遇洪水規(guī)劃條件淹沒水深小于現(xiàn)狀條件,由于圍村埝的加高,現(xiàn)狀條件下被淹沒的劉澗頭、徐家胡同、盛家莊在規(guī)劃條件下未被淹沒,其余村莊淹沒水深1.01~1.98m不等。具體數(shù)據(jù)見表2。

        表2 堤防及護村圍埝位置洪水分析成果

        根據(jù)蓄滯洪區(qū)入流及出流過程,20年一遇洪水條件下,現(xiàn)狀和規(guī)劃條件下蓄滯洪區(qū)最大滯洪量分別為0.035億m3和0.034億m3;50年一遇洪水條件下,現(xiàn)狀和規(guī)劃條件下蓄滯洪區(qū)最大滯洪量分別為0.301億m3和0.298億m3;根據(jù)蓄滯洪區(qū)水位-容積曲線,20年一遇洪水條件下,現(xiàn)狀和規(guī)劃條件下蓄滯洪區(qū)最高滯洪水位分別為1.755m和1.747m;50年一遇洪水條件下,現(xiàn)狀和規(guī)劃條件下蓄滯洪區(qū)最高滯洪水位分別為3.469m和3.451m。蓄滯洪區(qū)滯洪量及滯洪水位成果見表3。

        表3 盛莊洼蓄滯洪區(qū)滯洪量及滯洪水位成果

        由表2可知,遭遇20年一遇洪水時,受圍村埝和鴉豐公路保護,除湘子村外,其余村莊均未被洪水淹沒;現(xiàn)狀條件下,遭遇50年一遇洪水時,由于豐臺西村村基達到3.6m左右,未被洪水淹沒,其余村莊圍村埝高程局部低于滯洪水位,均被洪水淹沒;規(guī)劃條件下,遭遇50年一遇洪水時,湘子村和窯頭村無圍村埝均被洪水淹沒,北單莊雖有圍村埝,但緊靠鴉豐公路,公路高程不到3.0m,故北單莊被洪水淹沒,其余村莊由于圍村埝埝頂高程達到3.89m,均未被淹沒。

        綜上,模型計算村莊淹沒成果與由滯洪水位、圍村埝埝頂高程、村基高程和鴉豐公路路面高程對比分析得到村莊淹沒成果基本一致。

        3.2.2 到達時間

        根據(jù)模型計算成果(表4),20年一遇洪水流速小于50年一遇洪水流速,20年一遇洪水條件下,淹沒村莊洪水到達時間較長。

        50年一遇洪水條件下,不考慮鴉豐公路的阻水作用,淹沒村莊的洪水到達時間與村莊距分洪閘的距離呈正相關(guān)關(guān)系,該結(jié)果符合洪水的傳播規(guī)律。

        表4 特征點位置洪水到達時間分析成果

        圖5 20年一遇洪水條件下蓄滯洪區(qū)滯洪量-退水時間關(guān)系

        3.2.3 淹沒歷時

        根據(jù)模型計算結(jié)果,不同工況下蓄滯洪區(qū)滯洪量-退水時間關(guān)系見圖5和圖6,現(xiàn)狀、規(guī)劃條件下20年一遇洪水淹沒歷時均小于7天;現(xiàn)狀、規(guī)劃條件下50年一遇洪水淹沒歷時最長為59天,最短不足1天。根據(jù)蓄滯洪區(qū)的滯洪量及盛莊排水泵站設(shè)計排水流量分析計算洪水淹沒歷時,上述兩種方法計算結(jié)果基本一致。

        圖6 50年一遇洪水條件下蓄滯洪區(qū)滯洪量-退水時間關(guān)系

        現(xiàn)狀防洪工程不變的情況下,可適當(dāng)提高排洪工程規(guī)模,以縮短蓄滯洪區(qū)的淹沒歷時。

        4 結(jié) 語

        a.本次采用二維非恒定流洪水演進數(shù)學(xué)模型,按盛莊洼蓄滯洪區(qū)的調(diào)度運用原則,對蓄滯洪區(qū)不同標準的洪水風(fēng)險進行模擬分析計算,模型計算結(jié)果與采用蓄滯洪區(qū)水位-容積方法分析得到的淹沒成果基本一致,模型計算成果可作為盛莊洼蓄滯洪區(qū)防汛調(diào)度、蓄滯洪區(qū)建設(shè)與管理的參考依據(jù)。

        b.由于資料匱乏,本次采用MIKE21模型和蓄滯洪區(qū)水位-容積方法分析蓄滯洪區(qū)淹沒情況,有待進一步收集蓄滯洪區(qū)歷史洪水資料,對模型計算淹沒成果作進一步分析驗證。

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