才學(xué)工

(遼寧省觀音閣水庫(kù)管理局，遼寧 本溪 117100)

Mikell模塊耦合模型在小流域防洪評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

才學(xué)工

(遼寧省觀音閣水庫(kù)管理局，遼寧 本溪 117100)

防洪評(píng)價(jià)是工程建設(shè)中的重要內(nèi)容，直接關(guān)系到廣大群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。文章以遼寧省大連市莊河市崔家屯村地質(zhì)災(zāi)害搬遷項(xiàng)目為研究對(duì)象，結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍庀笏馁Y料，基于Mike11模塊構(gòu)建出小流域河流水動(dòng)力模塊(HD)和坡面降雨徑流(NAM)耦合模型。通過(guò)模擬計(jì)算，分析了20 a一遇洪水對(duì)項(xiàng)目的影響，并提出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)舉措。

Mikell；耦合模型；小流域防洪評(píng)價(jià)

1 研究區(qū)概況

根據(jù)《大連市人民政府關(guān)于加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害防治工作的實(shí)施意見(jiàn)》，將對(duì)莊河北部山區(qū)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害實(shí)施調(diào)查，地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的群眾要進(jìn)行搬遷避讓。本次研究的小流域治理搬遷項(xiàng)目位于遼寧省大連市莊河市崔家屯村的北溝與頭道溝交匯處。該項(xiàng)目所在的流域?yàn)楦蝌酆恿饔?，流域總面積117.5 km2，其中平原面積約5.4 km2。蛤蜊河是大連市著名河流碧流河的重要支流，發(fā)源于遼南第二高山——老黑山，經(jīng)步云山、桂云花兩個(gè)鄉(xiāng)流入碧流河，全長(zhǎng)50多km，年均流量約1.58 億m3[1]。北溝和頭道溝都屬于蛤蜊河水系，其中北溝全長(zhǎng)14.7 km，頭道溝全長(zhǎng)2.54 km，溝道的平均縱坡為0.113。

研究區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫8.5 ℃，最高氣溫37.4 ℃，最低氣溫-36.8 ℃[2]。研究區(qū)位于黃海西岸的迎風(fēng)坡上，降雨量比較充沛，屬于大連市的多雨區(qū)之一，年平均降水量約1134 mm。由于主要降雨集中于夏季的7、8月份，且多短時(shí)強(qiáng)降雨，因此,產(chǎn)生突發(fā)性山洪的可能性較大，極易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。

在2014年夏季暴雨災(zāi)害發(fā)生之后，大連市計(jì)劃實(shí)施地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)搬遷工程。本次搬遷工程涉及研究區(qū)內(nèi)的5個(gè)自然村，有農(nóng)戶409戶，1207人。項(xiàng)目計(jì)劃三年完工，于2017年底基本完成搬遷任務(wù)。此次搬遷工程建設(shè)需要新增建設(shè)用地1.99 hm2，為搬遷村民建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化住宅。整個(gè)項(xiàng)目按溝道走向分為8個(gè)不同的建設(shè)地塊。由于項(xiàng)目區(qū)位于莊河市洪水高發(fā)區(qū)，流域內(nèi)在歷史上曾多次遭受洪水襲擊，因此，防洪影響評(píng)價(jià)極為重要。

2 Mikell耦合模型

2.1 河流水動(dòng)力模型(HD)的原理與構(gòu)建

Mikell模型中的河流水動(dòng)力模塊(HD)是一種非恒定流方程，這種一維明渠方程的理論基礎(chǔ)是圣維南方程組[3]，主要由連續(xù)方程和動(dòng)量方程組成，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下。

(1)連續(xù)方程：

(1)

(2)動(dòng)量方程：

(2)

式中：Q為流量，m3/s；q為側(cè)向入流，m3/s；t為時(shí)間，s；x為沿水流方向的距離，m；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；h為水位高度，m；α為動(dòng)量修正系數(shù)；R為水力半徑，m；C為謝才系數(shù)；g為重力加速度，m/s2。

河流水動(dòng)力模塊(HD)的建模需要河網(wǎng)文件、斷面文件、邊界文件、參數(shù)文件、模擬文件和時(shí)間序列文件等六個(gè)主要文件[4]。由于研究區(qū)屬于小流域，不便于單一考慮，因此，在建模中要對(duì)溝道進(jìn)行合理概化，生成能夠顯示所有斷面及其相關(guān)水文信息的溝道文件。根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)情況，匯總研究區(qū)各溝道基本參數(shù)，其中北溝長(zhǎng)352.7 m，比降為0.112，下游直接匯入總溝；頭道溝長(zhǎng)330.6 m，比降為0.110，下游匯入總溝；總溝長(zhǎng)1074.3 m，比降為0.109。研究中根據(jù)野外調(diào)查的相關(guān)信息，共設(shè)置17個(gè)斷面，其中在北溝設(shè)置10個(gè)斷面，在匯流后的總溝設(shè)置7個(gè)斷面。依據(jù)《莊河市防洪規(guī)劃報(bào)告》中的相關(guān)計(jì)算成果，結(jié)合研究區(qū)的地形圖，可得其樁號(hào)1+540所對(duì)應(yīng)17#斷面為下游邊界，溝道底部的高程為424.9 m，20 a一遇洪水位為427.01 m。參照相關(guān)經(jīng)驗(yàn)[5]，本次研究中的初始流量定為0，糙率范圍在0.025～0.030。

2.2 HD模塊與NAM模塊的耦合

Mikel1中的降雨徑流模塊包括眾多模擬方法，其中最常用的是NAM模塊。該模塊可以通過(guò)對(duì)地表儲(chǔ)水層、土壤儲(chǔ)水層、積雪儲(chǔ)水層以及地下水儲(chǔ)水層分別模擬，從而獲得更為準(zhǔn)確的流域降水產(chǎn)匯流過(guò)程[6]。NAM模型的構(gòu)建需要流域數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù)[7]，相關(guān)數(shù)據(jù)均由莊河市水利局的相關(guān)資料獲得。大連地區(qū)的洪峰流量經(jīng)驗(yàn)公式如下：

Q=KNmFn

(3)

式中：Q為洪峰流量，m3/s；K為綜合系數(shù)，本次研究中取0.9；N為重現(xiàn)期，a；F為流域面積，km2；m、n為指數(shù)，取0.4和0.65。

基于研究區(qū)域的相關(guān)資料可以計(jì)算獲得各溝道的流量，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 各溝道洪峰流量計(jì)算成果

在河網(wǎng)文件中填寫流域信息和相關(guān)溝道的名稱和位置，將北溝和頭道溝以及總溝流域的NAM模型匯入水動(dòng)力模型(HD)中，并利用Mikell模型中的RR模塊進(jìn)行模擬計(jì)算。

研究中對(duì)模型的主要參數(shù)糙率進(jìn)行優(yōu)化，以期獲得更好的擬合效果，通過(guò)多次模擬計(jì)算結(jié)果與當(dāng)?shù)氐乃馁Y料對(duì)比，獲得如表2所示的結(jié)果。從結(jié)果可知，當(dāng)糙率為0.027時(shí)，模擬計(jì)算的誤差在10%以內(nèi)。因此，模型模擬結(jié)構(gòu)較為準(zhǔn)確，可以用于下一步研究。

表2 模型模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比表

3 結(jié)果與分析

本次防洪評(píng)價(jià)利用Mikell水動(dòng)力模型對(duì)17個(gè)預(yù)設(shè)斷面的水位進(jìn)行模擬計(jì)算，考慮到模型的計(jì)算穩(wěn)定性要求，計(jì)算步長(zhǎng)取0.1 s，最終獲得的北溝以及匯流后的總溝17個(gè)斷面在遭遇20 a一遇洪水襲擊的情況下的水位值，具體結(jié)果如表3所示。

表3 20 a一遇洪水情況下各斷面水位值

利用上述計(jì)算獲得的各斷面遭遇20 a一遇洪水襲擊時(shí)的洪水位，與建設(shè)項(xiàng)目用地在各斷面的最低高程進(jìn)行比較，結(jié)果如表4所示。由表格中的數(shù)據(jù)可以看出，建設(shè)用地中的絕大部分位置都高于20 a一遇洪水位，基本不存在防洪隱患。但是14#斷面對(duì)應(yīng)的7號(hào)地塊低于洪水位，出于安全考慮在建設(shè)過(guò)程中應(yīng)該采取設(shè)置擋水墻等工程舉措。結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡匦畏治?，?xiàng)目區(qū)的部分道路和農(nóng)田地勢(shì)較低，在洪水侵襲時(shí)有被淹沒(méi)的危險(xiǎn)，應(yīng)該注意防范。

表4 20 a一遇洪水位與建設(shè)用地高程對(duì)比表

4 結(jié) 語(yǔ)

基于Meik11模塊構(gòu)建了水動(dòng)力與坡面降雨徑流耦合模型，并對(duì)遼寧省大連市莊河市崔家屯村搬遷項(xiàng)目的防洪評(píng)價(jià)問(wèn)題進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，除7號(hào)建設(shè)地塊以外，其他建設(shè)用地在遭遇20 a一遇洪水侵襲時(shí)沒(méi)有淹沒(méi)危險(xiǎn)。Meik11模型雖然在水利水文領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但經(jīng)常受到缺乏實(shí)測(cè)資料和成本因素的限制。本文的方法為模型的檢驗(yàn)提供了一種新思路，對(duì)模型的廣泛應(yīng)用具有一定的幫助。從整體來(lái)看，該模型的應(yīng)用技術(shù)仍不夠成熟，且缺少規(guī)范性的要求，這就需要進(jìn)一步的研究和提高。

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The application of Mikell module coupling model in flood control evaluation of small watershed

CAI Xuegong

(LiaoningprovinceGuanYinGeReservoirManagementBureau,Benxi117100,China)

Flood control evaluation is an important part of the project construction, directly related to the broad masses of the people's lives and property.tThis paper taked the geological disaster relocation project of Cuijiatun Village in Zhuanghe City, Liaoning Province as the research object,and combined with the local meteorological and hydrological data, the Mike11 module is constructed based on small watershed water power (HD) and runoff (NAM) coupling model. Finally, through the simulation calculation, the paper analyzes the influence of the 20 year flood on the project, and put forward the corresponding countermeasures.

Mikell; coupling model; small watershed flood control evaluation

才學(xué)工(1960-)，男，遼寧本溪人，工程師，主要從事水利工程經(jīng)濟(jì)管理工作。E-mail：cxg1100@163.com。

P331.1

A

2096-0506(2017)01-0036-03