黃志龍

(寧波市鄞州區(qū)水利水電勘測設(shè)計院，浙江 寧波 315000)

0 引言

據(jù)相關(guān)研究，MIKE模型已被普遍的運用于蓄滯洪區(qū)危險性預(yù)測、城市防洪分析、河道及湖泊水位模擬、水庫庫區(qū)洪水演進(jìn)、暴雨洪水災(zāi)害風(fēng)險分析、蓄滯洪區(qū)洪水演進(jìn)數(shù)值模擬等許多項目實例中[1]。寧波市鄞州區(qū)為進(jìn)行軌道交通地產(chǎn)開發(fā)，需對地塊涉及河道進(jìn)行水域調(diào)整及河道整治，共涉及河道5條，其中骨干河道1條，這些河道在區(qū)域輸水、防洪排澇中起到不可替代作用。為驗證區(qū)域防洪工程規(guī)劃的可行性，通過MIKE11建立數(shù)學(xué)模型就洪水影響分工況分析驗證。

1 區(qū)域背景

鄞州區(qū)邱隘鎮(zhèn)前殷地塊整治河道位于鄞州中心城區(qū)中部融合區(qū)域，屬奉化江流域，鄞東南平原水系。鄞州區(qū)全區(qū)面積814 km2，山區(qū)面積293 km2，占總面積的36.0%；平原面積475 km2，占58.3%；水域面積46 km2，占5.7%。奉化江流域東、西、南三面環(huán)山，北面臨姚江及甬江，地勢三面高，中間低，流域總面積2378 km2。奉化江及其主流剡江、支流縣江、東江和鄞江自南向北穿平原而過，河網(wǎng)水系見圖1。

圖1 河網(wǎng)水系分布圖

2 洪水分析模型

2.1 基本原理

采用MIKE11軟件的水動力模塊模擬流域水動力情況。MIKE11軟件廣泛地應(yīng)用于河口、河網(wǎng)的水位、流量、水量模擬。

2.1.1 水流方程

洪流演進(jìn)計算的平原河網(wǎng)河段縱橫交叉，河網(wǎng)類型屬濱海河網(wǎng)，河流下游直接與杭州灣相連，河網(wǎng)水流呈不恒定狀態(tài)，河網(wǎng)中各河段水位、流量、流速和過水?dāng)嗝骐S時間、地點不斷變化，洪水排放又受河口潮汐頂托影響，在外海潮汐和上游洪水的相互作用下，使水流運動更趨復(fù)雜。

采用一維非恒定流方法來描述水流在明渠中運動，其基本方程圣維南偏微分方程組為：

式中：q為河道旁側(cè)入流，m3/s；BT為當(dāng)量河寬，m；Z為斷面水位，m；Q為流量，m3/s；K為流量模數(shù)。

2.1.2 節(jié)點方程

在一個河網(wǎng)中，河道與河道相互交叉連結(jié)，其連接點成為節(jié)點，每個節(jié)點均要滿足兩個銜接條件，即水量連接條件和動力連接條件。

流量銜接條件：即每一節(jié)點的流量必須滿足水量平衡原理，即每一時刻進(jìn)入節(jié)點的流量和等于節(jié)點蓄水量的變化：

式中：Qi中下標(biāo)i為交匯于某一節(jié)點所有河道的編號，ω為節(jié)點的蓄水量。

節(jié)點可以具有調(diào)蓄功能，其連續(xù)方程形式為：

式中：St為t時刻節(jié)點水礦山機(jī)械設(shè)備廠面積，m2；H為節(jié)點水位，m；∑Qt為節(jié)點流量和，m3/s。

節(jié)點方程的差分形式為：

對于無調(diào)蓄能力的節(jié)點：

動力銜接條件：某一節(jié)點上，各連接河道斷面上水位和流量與節(jié)點平均水位之間必須符合實際的動力銜接條件，要求滿足Bernoulli方程。若節(jié)點無調(diào)蓄作用，則動力銜接條件簡化為：

Hi=H

式中：Hi為與節(jié)點相連的河道斷面水位，m；H為節(jié)點水位，m。

整個河網(wǎng)為若干河道和節(jié)點的組合，河網(wǎng)水量的控制方程即為每一河道的控制方程與每一節(jié)點銜接條件及初邊值條件聯(lián)立所得的微分方程組。數(shù)值求解河網(wǎng)水量微分方程組，則可以求出每一河道指定斷面處以及節(jié)點上的水位、流量等水力變量。

2.2 河網(wǎng)概化

一維河網(wǎng)水動力模型主要分為4大部分：干流區(qū)、海西河網(wǎng)、鄞州河網(wǎng)和江北鎮(zhèn)海河網(wǎng)。海西河網(wǎng)西至沿山干河，北至姚江，東至奉化江，南至鄞江、奉化江；鄞州河網(wǎng)西至東江、奉化江，北至甬江，東、南至東部山區(qū)；江北鎮(zhèn)海河網(wǎng)西至慈江大閘，東至澥浦、新泓口出海口，南至姚江、甬江。計算區(qū)域內(nèi)的河道被概化為489個河段，3726個河道斷面，139個概化湖泊，見圖2。

圖2 河網(wǎng)概化圖

2.3 區(qū)域防洪規(guī)劃

根據(jù)防洪排澇規(guī)劃，要求治澇布局上應(yīng)充分利用緊靠甬江，地勢較高具有高水高排的有利條件，采取疏通骨干河道，擴(kuò)大排水口閘門規(guī)模的工程措施，因勢利導(dǎo)增加主排水方向，使向奉化江排水為主轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚍罨c甬江排泄相結(jié)合。河道布局上擬定鄞州平原采用六縱四橫的輸水排水系統(tǒng)：南北向六縱排水系統(tǒng)為甬新河排水系統(tǒng)、沿山干河排水系統(tǒng)、小浹江排水系統(tǒng)、印洪碶河排水系統(tǒng)、新(老)楊木碶排水系統(tǒng)、大東江—陳郞橋江排水系統(tǒng)；東西向四橫輸水排水系統(tǒng)為前塘河排水系統(tǒng)、中塘河輸水系統(tǒng)、后塘河輸水系統(tǒng)和張家碶—楝樹港排水系統(tǒng)。

2.4 防洪排澇分析計算

2.4.1 計算工況

考慮現(xiàn)狀及規(guī)劃工程，將計算工況分為三種：工況1，現(xiàn)狀；工況2，現(xiàn)狀+地塊規(guī)劃；工況3，水利規(guī)劃+城市規(guī)劃。針對鄞州區(qū)平原防洪排澇的重要性和客觀需要，工況1為當(dāng)前鄞東南平原實際情況設(shè)置，工況2按照鄞州平原現(xiàn)狀和項目區(qū)規(guī)劃實施的情況設(shè)置，工況3按照鄞東南平原河網(wǎng)規(guī)劃和城市規(guī)劃實施設(shè)置。

2.4.2 分析計算

(1)工況1：現(xiàn)狀

在現(xiàn)狀城市建設(shè)下墊面情況下，根據(jù)鄞東南平原水利建設(shè)完成現(xiàn)狀，包括沿江防洪工程、平原河道整治工程、平原排澇閘站工程等，利用驗證后的模型，對項目區(qū)及其周邊平原排澇能力進(jìn)行分析。根據(jù)前述水利計算方法，項目區(qū)地塊及其周邊現(xiàn)狀水利計算成果見表1。

表1 現(xiàn)狀條件下項目區(qū)河道水位

根據(jù)表1可知，與區(qū)域開發(fā)建設(shè)進(jìn)程相比，水利建設(shè)步伐仍顯滯后，區(qū)域地坪不斷抬高，平原區(qū)調(diào)蓄面積不斷縮小，也給平原區(qū)的行洪排澇帶來壓力。一方面平原區(qū)部分河道，特別是農(nóng)田區(qū)和老鎮(zhèn)區(qū)河道，現(xiàn)狀規(guī)模仍與規(guī)劃要求存在一定差距，平原河網(wǎng)行洪仍然受阻；另一方面受到外海潮位的頂托，沿江水閘排水量有限，也限制了平原區(qū)排澇能力。因此，現(xiàn)狀條件下，鄞東南平原遭遇大暴雨后，除鄞州中心區(qū)以及新建區(qū)外，其它地勢較低地區(qū)仍有不同程度的受淹。

現(xiàn)狀條件下，項目區(qū)周邊已建設(shè)區(qū)域地勢相對較高，基本可以滿足50 a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)；項目區(qū)東側(cè)老鎮(zhèn)區(qū)及農(nóng)田區(qū)附近地勢較低，當(dāng)遭遇10 a一遇洪水時，則有不同程度受淹，如田鄭村附近，遭遇10 a一遇洪水時，最大淹沒水深超過0.5 m，受淹時間超過10 h。

(2)工況2：現(xiàn)狀+地塊規(guī)劃

現(xiàn)狀下墊面條件下，地塊按照其規(guī)劃建設(shè)后，利用驗證后的模型，對項目區(qū)及其周邊區(qū)域的排澇能力進(jìn)行分析計算。地塊建設(shè)后水利計算成果見表2。

表2 現(xiàn)狀+規(guī)劃地塊條件下項目區(qū)河道水位

根據(jù)表2可知，在現(xiàn)狀條件下，隨著項目區(qū)地塊的開發(fā)建設(shè)，地塊地坪整體抬高，區(qū)域調(diào)蓄空間進(jìn)一步縮小，項目區(qū)周邊澇水位均有一定的抬升，最大抬升高度約7 cm。地塊開發(fā)建設(shè)后，地塊西側(cè)鄞州中心區(qū)、南側(cè)潘火街道住宅區(qū)，北側(cè)東部新城核心區(qū)等區(qū)域地坪高程均在3.00 m以上，基本可防50 a一遇的澇水。地塊建成后，原地塊內(nèi)低洼區(qū)域可蓄澇水向周圍排出，地塊周圍西側(cè)、南側(cè)及北側(cè)區(qū)域部分河道水位略有抬升，由于其地坪較高，區(qū)域防洪排澇基本不受大的影響；而其東側(cè)地勢較低地區(qū)，則有不同程度的受淹，地塊東側(cè)邱隘鎮(zhèn)田鄭村及方莊文化公園附近，受到澇水轉(zhuǎn)移的影響，淹沒時間有所增加，增加約6 h～9 h。

(3)工況3：水利規(guī)劃+城市規(guī)劃

鄞東南平原按照《甬江流域防洪治澇規(guī)劃》和《寧波市鄞州區(qū)河網(wǎng)水系規(guī)劃》的總體要求實施，并結(jié)合《寧波市城市總體規(guī)劃》和《寧波市鄞州區(qū)潘火地段控制性詳細(xì)規(guī)劃前殷區(qū)塊調(diào)整論證報告》等城市發(fā)展規(guī)劃，分析項目區(qū)地塊及其周邊防洪排澇能力。

根據(jù)前述水利計算方法，項目區(qū)地塊及其周邊規(guī)劃條件下計算成果見表3。

表3 水利規(guī)劃+城市規(guī)劃工條件下項目區(qū)河道水位

根據(jù)計算結(jié)果可知，規(guī)劃條件下，隨著項目區(qū)及其周邊地塊的建設(shè)，區(qū)域內(nèi)河道河面寬度均拓寬至規(guī)劃河面寬，河底高程均開挖至規(guī)劃高程，增加了區(qū)域河道蓄水能力，增強(qiáng)了區(qū)域河道行洪排澇能力，區(qū)域防洪排澇體系建設(shè)更加完善，區(qū)域澇水位均有不同程度的降低。

3 結(jié)語

本文基于圣維南方程，結(jié)合區(qū)域河網(wǎng)水系特征，建立了片區(qū)一維水動力模型，根據(jù)防洪規(guī)劃和工程節(jié)點布置進(jìn)行了三種工況下的水動力數(shù)值模擬，獲得了區(qū)域現(xiàn)狀和不同規(guī)劃條件下的洪水水位計淹沒情況。由結(jié)果可知，MIKE11水動力模型在防洪規(guī)劃及河道整治中具有較好的應(yīng)用價值，值得相關(guān)研究在應(yīng)用深度和廣度方面繼續(xù)推進(jìn)。