1、山西水利科技 第 3期（总第 229期）ApplicationofMIKE21FMModelinRiverFloodControlEvaluationLIUHaoAbstract:TheZhujisectionislocatedinthemiddlereachesofthePuyangRiverandisthesectionwiththehighestfloodcontrolpressureinthehistoryofthePuyangRiver袁 andtheflooddamageisalsothemostsevere.Inaddition袁 theZhujisectionisalsothe
2、confluenceoftheEastandWestRiverandtheonlywaterwayforZhujitoexit.Becauseofthespecialandsensitivelocation袁 itisnecessarytostudyhowtoensurethesafetyofflooddischargeinthisarea.Inthispaper袁 theMIKE21FMmodelwasusedtocompareandanalyzethetwoschemesofthenewwharfprojectintheZhujisection.Theimpactoftheprojecto
3、ntheriverfloodcontrolafteritsimplementationwasdiscussed.Thefloodnumericalsimulationhascertainvalueintheapplicationoffloodcontrol袁 theresultscanbeusedforreferenceinfloodcontrolevaluationanddisasterrelief.Keywords:MIKE21FMmodel曰 riverflowpattern曰 flooddischargesafety曰 floodcontrolimpact文章编号：1006-8139渊
4、 2023冤 03-059-05MIKE21FM模型 在 河 道 防 洪 评价 中的 应 用 刘 皓（中 水 北 方勘 测设计研究 有限 责任 公司 天津 300222）摘要：浙江浦阳 江 中 游 的 诸暨 段，是 浦阳 江 历史 上 防 洪 压力 最 大 河 段，洪 水 危害 也 最 严 重，且 诸暨 段 是 东 西 江 汇 合 处、诸暨 出 境 的 唯 一水 道 咽喉。由 于 此地 位置 较 为 特 殊、敏感，故 在 此地 进行 工程建设 时，对 如 何 确 保 此 处行洪 安全 的 研究 是 十 分 必 要 的。运用 MIKE21FM模 型对 诸暨 段新 建 码 头 工程 的 两 个 方
5、 案 进行 对 比 分 析 为 例，探讨 工程 实 施 后 对 河道 防 洪 的 影响，洪 水 数 值 模 拟 在防 洪 应 用 中 具有一定 价 值，在 河道 防 洪 评 价、防 汛 救 灾 工作中 可参考 其 成 果。关键词：MIKE21FM模 型；河道 流 态；行洪 安全；防 洪 影响 中图分类号：TV85 文献标识码：B1 概况1.1区 域概 况诸暨 市 店 口 综 合 港 区工程，是 新 地 址 建 设 码 头 工程。选 址位于 东 西江 汇合 湄 池 上游 1.5km，东 江的 解放 湖北 端 位 置，后 侧 是 店 口解放 湖工 业 新 区。诸暨 市 店 口 综 合 港 区工程所
6、在位 置 较 为 特 殊、敏感。首先，浦 阳 江 中 游 诸暨 段，历史 上 防洪 压力 最大，洪 水 危害 最 严 重。2011年 浦 阳 江 梅 雨，湄 池 水 文 站（店口 大 桥）出现 历史 第二 高 水位，且 高 水位 持续 时 间之长 历史 罕 见。其 次，工程 选 址 地 处 诸暨 下 游 出 口 的 咽喉 位 置，是 东 西江 汇合处、诸暨 出 境 的 唯 一 水 道 咽喉。1.2 水文 气 象概 况 诸暨 市 店 口 综 合 港 区工程 地 处 浙 中 内 陆，属亚热带季风气候区，多年平均气 温 16.3益，多年平均日照时 间 1996.6h，极 端 最 高 气 温 40.2
7、益，极 端 最 低 气 温-13.4益，相 对 湿 度 82%，多年平均 蒸 发 量 882.1mm，多年平均无霜期 250多 天，多年平均风速为 2.3m/s，最大风速为 20.5m/s1。浦 阳 江 中 游 诸暨 段 是 浦 阳 江 历史 上 防洪 压力 最大 河段，洪 水 危害 也 最 严 重。浦 阳 江上游 浦 江县 河段，是 山区 性 河 道，水流 顺 畅；下 游 萧 山区 经济实 力强，河收稿日期：2023-04-21 修回日期：圆园圆 3原 06-13作者简介：刘皓（1990-），男，2015年毕业于 大 连 理工大 学，工程 师。592023年 8月 山西水利科技 刘 皓：MI
8、KE21FM模 型 在 河道 防 洪 评 价 中的 应 用道 岸 线 短。地 处 中 游的 诸暨 市，上游 汇 聚，下 游 受限 萧 山，外排路 径 遥 远，上 泄 下顶，洪 水 停 滞 在 诸暨，往往 造成 重 大 洪 灾2。1.3 工程 概 况 从防洪 角度 出 发，选择 两 个 工程 方 案 进行 分 析，研究 方 案 基本 情况 见 表 1。表 1 工程 方 案 基 本 情况表 2 平 面 二维 MIKE21FM模型 2.1 理 论 控 制方 程 浦 阳 江江 道 相 对较 窄，根据 涉 水 建 筑 物 情况，考虑 资 料 条件 和 河 道 特 性，丹 麦 水 力学 研究 所 研 发
9、的平面 二 维 MIKE21FM模 型可 以 应 用 于 本 次 计 算 当 中。该 模 型 是 无 结 构网 格 的，其网 格 节 点布置 非 常 灵活，而且 可 以 根据需 求 进行 局 部 加 密，河 道 弯 曲 边界 也 可 以得到 非 常 精 准 的 拟 合3。故 该 模 型 具 有 非 常突 出 的 优 点，例 如 其 算 法 和 计 算 数 据 稳 定 可 靠、界 面 应 用 便 捷 友好等。流场 计 算 的 基本 方 程 选 用 沿 水 深 平均的 二 维浅 水 方 程，包括 一个 连续 方 程和 二 个 动 量 方 程：水流 连续 方 程：鄣 z鄣 t+鄣 p鄣 x+鄣 q鄣
10、 y=s（1）x向 的 动 量 方 程：鄣 p鄣 t+鄣 鄣 xp2h蓸 蔀+鄣 鄣 ypqh蓸 蔀+gh鄣 z鄣 x+gphq2h2+p2h2姨c2-赘 q-E鄣2p鄣 x2+鄣2p鄣 y2 蓸 蔀=six（2）y向 的 动 量 方 程：鄣 q鄣 t+鄣鄣 yq2h蓸 蔀+鄣鄣 xpqh蓸 蔀+gh鄣 z鄣 y+gphq2h2+p2h2姨c2-赘 p-E鄣2q鄣 x2+鄣2q鄣 y2 蓸 蔀=siy（3）式 中：z为水位；p、q为 x、y方 向 单 宽 流量；h为水 深；s为源、汇 项；six、siy分 别 为源、汇 项 在 x、y方 向的分量；c为 谢 才 阻 力系 数；赘 为 科 氏 力
11、；E为 紊 动 扩散 系 数。2.2模型 边 界如 何 选 取 模 型 边界 考虑 以 下 两 个 因 素：1）水 边界选 在 边界 条件 较 容 易 选定 的 地 方；2）水 边界 要 离 工程所在区域 足 够 远，防 止 工程 建 设 实施 对 边界 条件产生影响4。根据 以 上 原 则，本 次 计 算范 围 设 置 为：上 边界设 置 在 浦 阳 江西江、浦 阳 江 东 江，下 边界 设 置 在 诸暨 萧 山 交 界 断 面。方 案 一、方 案 二 上、下 水 边界 条件见 表 2。表 2 各 方 案 上、下 水边 界 条件 3 工程 所 在河 段 流 态（流 速）变 化 分析 3.1工
12、程 对周 边水 域 流 速 影响 分析为 了 定 量 比 较 工程 前后 的流速 变 化，本 研究 对 20年 一 遇 洪 水 条件 下 工程 前后 流速 作 了 比 较 分 析，见 图13。方 案 一 流速 变 化 主要 集 中 在 码 头 前 沿 港 池 疏 浚地 带，对 东 江 左 岸、右 岸 总 体流速 没 有 大的 影响。方 案二 对 江 道 流速 具 体 影响：1）修建 码 头 后，由 于 码 头 及栈 桥 对 洪 水的 隐 蔽 作 用 以 及 码 头 前 滩 地 的 疏 浚，流 速最大 减 小 幅 度可 达 90%；因 此 可 以 看 到 对 河 道 产生 淤方 案 工程 描 述
13、 防洪特点 方 案 一 一 阶段 重 力 式 码 头，总 体 沿 现 有 堤 防 位 置重 合布置。码 头 与 原 岸 线 贴 合，对 河 道 岸 线 及 河 道 形 态 改 变 较 小，对 河 道 行 洪 安全 改 变 很 小。二阶段 重 力 式 码 头，沿 堤 线 布置，码 头 较 现 有 堤 防 后 退 明 显，工程 补 偿 水域大于 占用 水域 面积。方 案 二高 桩 式 码 头，深 入 在东 江 中 心，通 过 栈 桥连 接。由 于 桥 墩 的 阻 水 加 上 河道 本 身 较 窄 的 原 因，河道 行 洪 能 力下 降。方 案 工程 描 述 上、下 水 边界 条件 方 案 一 一
14、阶段重 力 式 码 头，总 体 沿 现有 堤 防 位 置重 合 布置。上 边界 采用 东 江、西江 20年 一 遇 设 计 洪水流量过程，下 边界采用 相应 水位过程。二阶段重 力 式 码 头，沿 堤 线 布置，码 头 较 现 有 堤 防 后退 明 显，工程 补 偿 水域 大于 占用 水域 面积。方 案 二 高 桩 式 码 头，深 入 在 东 江 中 心，通 过 栈 桥 连 接。上 边界 采用 东 江、西江 20年 一 遇 设 计 洪水流量过程，下 边界采用 相应 水位过程。60山西水利科技 第 3期（总第 229期）图 4 方 案 一一 期工程 后 水 位变 化 图（单 位：m）积 影响。2
15、）由 于 码 头 占 据 东 江江 道 主 通 道，行 洪 断 面减 小 且 江 道 较 窄，不 仅引 起 东 江 左 岸 靠 近 堤 防 局 部 区域流速 增 大，加 剧 对 堤 防 的 冲 刷，对 解放 湖 堤 防 不利，而 且 码 头 以 下 东 江 右 岸 堤 防 沿 线 流速 增 加 20%，明 显威胁 对 岸 的 店 口 城区的 堤 防。3.2工程 所 在 河 段 水 位 影响 分析 1）方 案 一 码 头 采用 重 力 式 挡墙 结 构，码 头 平 台 沿河 道 堤 线 布置。数 模 分 析结果 表明：方 案 一 条件 下，除 因 岸 线变 化 造成 的 岸 线 局 部 水位 变
16、 化 外，工程 建 成后江 道 的水位 变 化 小，工程 建 设的 影响 范 围 也 不 大，岸 线 处 为主要的 影响 区域5。2）方 案 二 码 头 为 高 桩 式 码 头，码 头 平 台 布置 在 河道 内，通 过 栈 桥 与 岸 上 连 接，方 案 二 桩 群 阻 水，桩 基 之间 透 空 过水6。数 模 分 析结果 表明：方 案 二 条件 下，由于 桥 墩 的 阻 水，码 头 区域水位 升 高，水位 变 化 值 最大为 2.4cm，发 生 在 码 头 上游位 置，下 游水位 变 化 相 比上游 较 小，变 化 值 为 0.6cm。工程 实施后，洪 水位 对 比 图见 图 46。图 1
17、 方 案 一一 期工程 建 设 后 河 段落潮 流 速变 化/（%）图 2 方 案 一 二 期工程 建 设 后 河 段落潮 流 速变 化/（%）图 3 方 案二 工程 建 设 后 河 段落潮 流 速变 化/（%）图 5 方 案 一 二 期工程 后 水 位变 化 图（单 位：m）图 6 方 案二 工程 后 水 位变 化 图（单 位：m）刘 皓：MIKE21FM模 型 在 河道 防 洪 评 价 中的 应 用 612023年 8月 山西水利科技3.3 工程 河 段 河 床冲於 变 化 影响 分析通 过水流数 学 模 型 验证，根据 挟 沙 能 力 方 程 式 计算 得到 工程 建 设 前后 单 宽
18、流量、含 沙 量 比值 的 取值，从 而 得到 河 床 的 冲 淤 变 化：驻 Zi=Zi2-Z0i1-Si1Si2蓸 蔀13qi1qi2蓸 蔀23Hi1（1）式 中：Zi2 工程 后 的水位，m；Z0i1 工程 前 的 河 床 高 程，m；Si1 工程 前 的 含 沙 量，kg/m3；Si2 工程 后 的 含 沙 量，kg/m3；qi1 工程 前 的 单 宽 流量，m3/s；qi2 工程 后 的 单 宽 流量，m3/s；Hi1 工程 前 水 深，m。为 简 化计 算，假 定 工程 实施前后，含 沙 量 不 变。由 于 码 头 底 设 计高 程为-0.3m，码 头 现 状地 形 为滩 地，与
19、设 计 底 高 程 相 差 较 大，故 需 要 对 码 头 前 沿 滩地 进行 大 范 围 大 幅 度 清 淤。本 工程 建 设位于 河 道 扩 口 段，河 道 径 流量的年 际变 化 和流速 变 化较 大，所 以 会造成 港 池 附近 区域的 淤 积。码 头 工程 建 设 后 的 河 床冲淤 变 化 见 图 79所 示。4 方 案 综 合比 较 分析 根据 上 文 对 两 个 方 案 进行 的 精 细 化 防洪 评 价，对两 个 方 案 从防洪 影响 的水位、流速 及 冲 於 变 化等 方 面进行 论 述7。1）方 案 一一 期工程 实施后，最大 淤 积 幅 度 在 2.5m范 围 内，20
20、年 一 遇 场 次洪 水 淤 积 量为 13.02万 m3。二 期 方 案 实施后，由 于水域 面积 增 大，码 头 下 游河 道变宽，最大 淤 积 幅 度 减 小 至 1.4m范 围 内，20年一 遇 场 次洪 水 淤 积 量 14.84万 m3。2）方 案 二码 头 上游水位 升 高 最大 2.4cm，下 游 升 高 最大0.6cm，流速最大 减 小 90%，场 次洪 水 淤 积 量约23.83万 m3。方 案 比 较 分 析 见 表 3。通 过 对 两 种 方 案 防洪 影响 方 面 的 比 选 发 现：两 种方 案 均 符 合 设 计规 范，防洪 影响 方 面，方 案 一对 河 势及
21、流 态 的 影响 较 小，故 从 流域 防洪 安 全 大 局 出 发，推荐 方 案 一。图 7 方 案 一一 期工程 建 设 后 工程 建 设 后 河 床冲淤 变 化（单 位：m）图 8 方 案 一 二 期工程 建 设 后 工程 建 设 后 河 床冲淤 变 化（单 位：m）图 9 方 案二 工程 建 设 后 河 床冲於 变 化（单 位：m）方 案 一 方 案 二 防洪 影响水位、流 态 基本 无 影响；一 阶段 场 次洪 水 淤 积 量约 13.02万 m3，二阶段 场 次洪 水 淤 积 量约 14.84万 m3。码 头 上游水位 升 高 最大 2.4cm，下 游 升 高 最大 0.6cm；流
22、 速最大 减 小 90%；场 次洪 水 淤 积 量约 23.83万 m3。表 3 方 案 比 较 分析表 刘 皓：MIKE21FM模 型 在 河道 防 洪 评 价 中的 应 用 62山西水利科技 第 3期（总第 229期）确 度 调 整 应 当 视 情况 而 定。应 对 精 度要 求较高 的水 文测 验 项 目，选择 的 超 声 波 流量 计 精 度 就 高，在 应 对 相 对 比 较 低 要 求 的 项 目，则 可 选 用 精 度较 低 的流量 计，从 而 降 低因 为 选择 仪 器而 造成 的 误 差。另外 妥 善 维护 和 保 养 超 声 波 流量 计 也 是 很 重 要的 一项 工 作
23、，定 期 清 理 探头 等 设 备 从 而 减 少 因 为设 备 老 化而 导 致 的 误 差 情况。3.3 水文 缆 道 测 量 法 误 差控 制 措 施水 文 缆 道 测 量 法作 为 一 种 常 用 的 测 流 法，应 当 尽可 能 避免 流速 脉 动 引 起 的 误 差，在 实 际 测 量 中可 以 通过 控制 测 速的 时 间，从 而 保证 数 据 的 正 确 性。如 果 在 测 流过程 中，测 速干 扰 因 素 较 为明 显，需 要 合 理 调 整 控制 测 速 时 间，控制 测 速的 时 间 在 50s以 内。最 根 本 的 措施是 在 控制 测点 上，使 垂 线 上的 测点间
24、距大于 或 等 于水 文 缆 道 直径4，以 应 对 测 速 垂 线 不 足 造成 的 误 差。同时，一 定 要 保证 测 深 杆 在流 畅 期 测 试 水 深 时不会 露 出水 面。在 实 际 工 作 中，注 意 合 理 准 确 的分 布 垂 线，尽 量固 定 测 速 垂 线，保证 分 布 均 匀，以 避免 在 中 低 水位 测验 中 出现 的 误 差5。另外 在 利 用 该 方法 开 展 测 验时，注 重 悬 索 偏 角对 于 测 流 精 确 度 的 影响，通 过湿 绳 改 正 和缆 道 位 移 抬 升 改 正 保证 数 据 的 正 确 性。4 结语 当 前 水 文测 验 中 各类测 流
25、方式 都 可 能 出现 误 差，为 保证 所 获 得 数 据 的 准 确 性，从 而 实 现 水 资 源 有 效 管理，应 当 选择 合 理 措 施，针 对 不 同 误 差 出现 的 原 因 进行相应 控制。在 实 际 工 作 中，必须 不 断 研究 和 总 结测验 中 误 差 存 在的 原 因，并根据相关经验 提供 解 决方法，从 而 保证 水 文测 验 数 据 的 有 效 性，为水 文 工 作 的 开 展提供数 据 支 撑。参考 文献 1 肖丽媛.水 文测 验 误 差 分 析 与 措 施 J.水 能经济，2018（1）：255.2 韩 晓 彤.水 文测 验 误 差 分 析 及 其 对 策
26、J.工程 建 设 与 设 计，2018（24）：151-152.3 尚 占 钦.水 文测 验 中 测 流 误 差 及 控制 措 施 分 析 J.河 南 科 技，2021（5）：72-74.4 尹 峰.水 文测 验 中 测 流 误 差 及 控制 措 施 分 析 J.吉 林 水 利，2019（1）：51-54.5 李 雁 良.水 文测 验 工 作 面 临 的 问题 及对 策 J.大 科 技，2019（32）：107-108.5 结 论从防洪 角度 出 发，方 案 二 对 河 道 的 整 体流 态、局 部 流速、水位 以 及 冲 於 平 衡 等 都 会产生 较 明 显 的 影响，且 方 案 二 占用
27、 水域 后，阻 水 率 增 加，对 防洪 影响 较 大，不适 合 本 工程。从 码 头 设 计 与 防洪 治 理 结 合起 来 看，方 案 一 合 理可 行，方 案 二 不 可 行。MIKE21FM模 型 表 现出 的主要 特点 为 模 拟 精 度高，模 拟计 算 成 果 也 可 靠 合 理，洪 水数 值 模 拟 在 防洪应 用中 具 有一 定价 值，在 河 道 防洪 评 价、防 汛 救 灾 工作 中可 参 考 其 成 果。参考 文献：1 中 华 人 民 共 和 国 水 利 部.SL/T278-2020水 利 水 电 工程水 文计 算 规 范 S.北 京：中 国 水 利 水 电出 版 社，20
28、20.2 中 国 水 利 水 电出 版 社.水 文 水 力计 算（第 2版）M.北 京：中国 水 利 水 电出 版 社，2019援 3 朱 世 云，于 永 强，俞芳 琴 等.基 于 MIKE21FM模 型 的 洞 庭 湖区平 原 城市 洪 水 演 进 模 拟 J.水 资 源 与 水工程 学 报，2018，29（2）132-138.4 胡 春 燕，路 彩霞，侯 卫 国.长江 中下 游干流 河 道 治 理 回 顾 与 展望 J.人 民 长江，2022，53（2）：7-11.5 褚 青 来.河 道 非 恒 定 流水 面 线 计 算 研究 J.河 南 水 利与 南 水北 调，2012（8）：90-91.6 张 晓 文，康 瑛.非 恒 定 流 计 算 在设 计 洪 水 中 的 应 用 J.水 利水 电快 报，2008（29）：75-77.7 王 昊.河 道 防洪 影响 评 价实 例 分 析 J.河 南 水 利与 南 水北调，2021（1）：32-33.刘 皓：MIKE21FM模 型 在 河道 防 洪 评 价 中的 应 用（上 接第 58页）63
