摘 要：【目的】在航道水面線(xiàn)計(jì)算過(guò)程中，常常會(huì)有水閘等水工建筑物對(duì)水產(chǎn)生不可忽略的阻礙作用。為研究含有水工建筑物的耦合模型在航道水面線(xiàn)計(jì)算中的適用性及準(zhǔn)確性，以汝河為例，建立數(shù)學(xué)模型對(duì)河道典型工況進(jìn)行研究?！痉椒ā客ㄟ^(guò)實(shí)測(cè)河道橫斷面，創(chuàng)新性地建立閘位處地形的一、二維河道耦合模型，并在模型率定后進(jìn)行水面線(xiàn)計(jì)算分析?！窘Y(jié)果】分析閘位處的流場(chǎng)分布情況可知，模擬結(jié)果能夠體現(xiàn)水閘結(jié)構(gòu)對(duì)過(guò)閘水流的阻礙作用，從而影響閘前閘后的水位變化。【結(jié)論】一、二維河道耦合模型結(jié)果率定和適用性較好，該方法的應(yīng)用為含有水工建筑物的水面線(xiàn)計(jì)算提供了參考。

關(guān)鍵詞：水面線(xiàn)；水工建筑物；一、二維耦合模型

中圖分類(lèi)號(hào)：U617 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2024）17-0037-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.17.008

Application of MIKE Coupled Modeling in Water Surface Profiles

Calculation of Inland Waterway

ZHANG Huijie 1 ZHOU Ang 2

（1.Henan Zhongong Design & Research Group Co.， Ltd.， Zhengzhou 451460， China; 2.North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046， China）

Abstract： [Purposes] During the process of deducing water surface profiles in inland waterways， hydraulic structures such as sluices often significantly impede water flow. This study aims to investigate the applicability and accuracy of one-and two-dimensional coupling models incorporating hydraulic structures in solving water surface profile calculations for inland waterways. Using the Ru River as a case study， mathematical models are established to examine typical channel conditions. [Methods] Measured cross-sections of the river and innovative terrain modeling at sluice locations are utilized to develop one-and two-dimensional coupling models of the river channel. After calibrating the models， water surface profile calculations are performed for analysis. [Findings] Analysis of the flow field distribution at sluice locations indicates that the simulation results accurately reflect the obstructive effects of hydraulic structures on water flow through the sluices， thereby affecting water level changes upstream and downstream of the sluices.[Conclusions] The results of the one-and two-dimensional coupling models demonstrate satisfactory calibration and applicability. The application of this method provides reference for computing water surface profiles containing hydraulic structures.

Keywords： water suffer profiles; hydraulic structures; one-and two-dimensional coupling models

0 引言

水面線(xiàn)的計(jì)算在水利行業(yè)各方面均有所體現(xiàn)，例如內(nèi)河航道最高通航水位、最低通航水位，防洪影響評(píng)價(jià)，水閘、船閘設(shè)計(jì)，以及河道整治等方面。因此，水面線(xiàn)計(jì)算方法的科學(xué)性與結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。

近些年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，與水利相關(guān)的商業(yè)軟件層出不窮，并且在水面線(xiàn)計(jì)算過(guò)程中得到了廣泛應(yīng)用。相關(guān)學(xué)者運(yùn)用HEC-RAS軟件分別建立了分叉河段［1］、平原—山丘復(fù)合型河道［2］及黃河［3］等不同河道特征的一維模型進(jìn)行水面線(xiàn)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)HEC-RAS軟件模擬分叉河段適用性較好，平原、山丘劃分開(kāi)的一維模型結(jié)果更準(zhǔn)確。劉璐等［4］利用MIKE11軟件構(gòu)建小清河河道模型，分析了末端起推潮位對(duì)水面線(xiàn)計(jì)算的影響；劉晗等［5］利用MIKE11軟件建立水動(dòng)力與坡面降雨徑流耦合模型，以模擬河道洪水演進(jìn)過(guò)程；初祁等［6］采用MIKE11與MIKE21耦合模型建立城市暴雨模型，分析了城市淹沒(méi)特性以及洪澇危害情況。通過(guò)上述分析可知MIKE軟件的應(yīng)用更廣泛，適用性更強(qiáng)。

在以往的研究中，計(jì)算水面線(xiàn)大多通過(guò)建立一維模型進(jìn)行模擬，但是內(nèi)河航道中的船閘、水閘、橋墩等水工建筑物會(huì)產(chǎn)生壅水，過(guò)水?dāng)嗝媸湛s產(chǎn)生局部水頭損失，口門(mén)區(qū)產(chǎn)生回水等現(xiàn)象影響著水面線(xiàn)的分布?；谝陨戏治觯琈IKE11與MIKE21耦合模型廣泛應(yīng)用于城市暴雨模擬，本研究以汝河河塢大閘區(qū)域?yàn)槔?，?chuàng)新性地將內(nèi)河航道水閘等區(qū)域構(gòu)建成二維模型，其余部分構(gòu)建為一維模型，二者耦合進(jìn)行水面線(xiàn)計(jì)算。這種建模方式既能夠精準(zhǔn)體現(xiàn)船閘、水閘等水工建筑物的特性，又能夠提高計(jì)算效率和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。本研究以汝河河塢大閘區(qū)域?yàn)槔?，采用MIKE耦合模型計(jì)算汝河的各特征流量水面線(xiàn)，為航道特征水面線(xiàn)的計(jì)算提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

1.1 河流概況

汝河是洪汝河在班臺(tái)閘以上劃分的南支部分，河流長(zhǎng)度223 km，流域面積7 390 km2。汝河流經(jīng)河南省駐馬店市的泌陽(yáng)、遂平、汝南、上蔡、正陽(yáng)、平輿、新蔡等縣和驛城區(qū)，在新蔡縣班臺(tái)閘與小洪河匯流后入大洪河［7］。

汝河在板橋水庫(kù)以上、支流臻頭河薄山水庫(kù)以上為山區(qū)，最高峰五峰山海拔為872 m，蠟燭子山海拔為844 m，千年嶺海拔為729 m，山地坡面比降為1/10。板橋、薄山至宿鴨湖區(qū)間是由山區(qū)向平原過(guò)渡地帶，山區(qū)、丘陵區(qū)和平原區(qū)分別占區(qū)間面積的25%、40%和35%，丘陵地區(qū)地面比降在1/100左右，平原地區(qū)一般為1/800～1/300。宿鴨湖以上汝河板橋以下河底比降為1/1 500～1/1000，向下逐漸變緩，下段為1/6 000～1/3 000，接近宿鴨湖長(zhǎng)約10 km河段河底比降接近于零。臻頭河薄山以下比降為1/1 800～1/1 200，到下段逐漸變?yōu)?/10 000～1/2 500。宿鴨湖以下地勢(shì)更為平坦。

1.2 航道現(xiàn)狀

汝河位于淮河北岸，深入大別山革命老區(qū)腹地，一直以來(lái)都是豫南地區(qū)重要的水路運(yùn)輸通道，航運(yùn)歷史悠久。在20世紀(jì)50年代，汝河航道可以通航至西平、遂平，并與京廣鐵路實(shí)現(xiàn)水陸轉(zhuǎn)運(yùn)；直至20世紀(jì)80年代，汝河航道仍然是河南省通往華東地區(qū)的一條重要的水運(yùn)通道；在20世紀(jì)90年代中后期，由于船舶大型化發(fā)展以及河道綜合治理時(shí)對(duì)水資源的綜合利用重視不足，致使航道通航能力不足。

1.3 工程概況

本文選取汝河匯合口為研究河段下游，樁號(hào)為K91+855；上游起點(diǎn)為曹埠，樁號(hào)為K69+300。研究河段長(zhǎng)度為22.56 km，其中K5+000～K6+000為河塢大閘所在地，河塢大閘按20 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，50 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核。河塢大閘的節(jié)制閘為8孔，每孔凈寬10 m，閘室總寬96.06 m。節(jié)制閘20 a一遇設(shè)計(jì)流量為2 300 m3/s，50 a一遇設(shè)計(jì)流量為3 200 m3/s。

河塢大閘是控泄工程，影響著航道的過(guò)流能力以及沿程水面線(xiàn)分布。因此，在計(jì)算水面線(xiàn)時(shí)水閘是不可忽略的節(jié)點(diǎn)建筑物。

2 研究區(qū)域與方法

本研究對(duì)2018年測(cè)量的相鄰斷面間距為100 m河道斷面建立一維數(shù)值模型。其中K5+000～K6+000為河塢節(jié)制閘所在地，根據(jù)實(shí)測(cè)地形建立節(jié)制閘的二維模型，如圖1所示。將一、二維模型標(biāo)準(zhǔn)連接后進(jìn)行耦合設(shè)置，如圖2所示。

其中一維模型的計(jì)算公式具體為連續(xù)方程見(jiàn)式（1），動(dòng)量方程見(jiàn)式（2）［8］。

[?A?t+?Q?x=q] （1）

[?Q?t+??xQ2A+gA???x+gQC2QAR=0] （2）

以上式中：A為河道過(guò)水面積；Q為流量；t為時(shí)間；x為與水流方向一致的橫坐標(biāo)；q為河道的側(cè)向來(lái)流量；g為重力加速度；h為水位。

二維模型的計(jì)算公式具體見(jiàn)式（3）至式（5）［9］。

[???t+??u?x+??v?y=?S] （3）

[??u?t+??u2?x+??vu?y=fv??g??η?x??ρ0?Pa?x?g?22ρ0?ρ?x+τsxρ0?τbxρ0?1ρ?Sxx?x+?Sxy?x+??x?Txx+??x?Txy+?usS] （4）

[??v?t+??uv?x+??v2?y=?fu??g??η?y??ρ0?Pa?y?g?22ρ0?ρ?y+τsyρ0?τbyρ0?1ρ0?Syx?y+?Syy?x+??x?Txy+??y?Tyy+?vsS] （5）

以上式中：[η]為水位；[?]為靜止水深；[u]、[v]為x、y方向上的分量；[Pa]為大氣壓；[ρ]為水的密度；[ρ0]為參考水密度；[f]為Coriolis力參數(shù)；[Sxx]、[Sxy]、[Syx]、[Syy]為輻射應(yīng)力分量；[Txx]、[Txy]、[Tyx]、[Tyy]為水平黏滯應(yīng)力；[τsx]、[τsy]、[τbx]、[τby]為有效切應(yīng)力分量；[S]為源項(xiàng)；（[us]，[vs]）為源匯項(xiàng)流速；[u]、[v]為沿水深平均流速。

3 模型設(shè)置及率定

3.1 模型設(shè)置

班臺(tái)站5 a一遇除澇水位為33.39 m，曹埠除澇流量為1 550 m3/s；20 a一遇防洪水位為35.69 m，曹埠20 a一遇洪水流量為2 290 m3/s。本研究將除澇流量對(duì)應(yīng)的工況作為模型率定工況，其對(duì)應(yīng)的水位作為率定水位，見(jiàn)表1。

3.2 模型率定

本研究將耦合模型計(jì)算的除澇流量對(duì)應(yīng)水面線(xiàn)與實(shí)際水面線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，得出模型主槽糙率為0.025，灘地糙率為0.035。率定值與設(shè)計(jì)值最大差值為0.05 m，模擬結(jié)果可靠，模型水面線(xiàn)率定成果如圖3所示，通過(guò)河塢大閘二維局部流場(chǎng)如圖4所示。由圖4可知，上游水流經(jīng)過(guò)河塢大閘閘墩時(shí)過(guò)水?dāng)嗝媸湛s，閘墩處流速增大；當(dāng)經(jīng)過(guò)閘室到達(dá)下游時(shí)過(guò)水?dāng)嗝嬖龃?，左、右岸形成回流?/p>

4 工況設(shè)置及結(jié)果分析

4.1 工況設(shè)置

河塢大閘按20 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，因此在該河段新設(shè)計(jì)的水工建筑物的防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 a，因此本次計(jì)算的工況為20 a一遇洪水上游流量為2 290 m3/s，20 a一遇洪水下游水位為35.69 m。

4.2 結(jié)果分析

本文計(jì)算了5 a一遇和20 a一遇洪水的河段水面線(xiàn)，如圖5所示。通過(guò)對(duì)比分析可知，20 a一遇洪水的河段水面線(xiàn)與5 a一遇洪水的河段水面線(xiàn)基本平行，沿程相同位置處水位相差約2.3 m，進(jìn)一步證明MIKE軟件一、二維模型耦合計(jì)算的可行性與準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

①M(fèi)IKE軟件一、二維耦合模型通過(guò)率定后，能夠較為準(zhǔn)確地進(jìn)行航道的水面線(xiàn)計(jì)算并且具有較為廣泛的適用性。

②水流流經(jīng)閘墩時(shí)，過(guò)水?dāng)嗝媸湛s流速增大；流經(jīng)閘墩下游時(shí)過(guò)水?dāng)嗝嬖龃?，流速減小，產(chǎn)生回流。表明該耦合模型能夠準(zhǔn)確體現(xiàn)水閘等水工建筑物對(duì)水流的阻水等影響。

③模擬結(jié)果可以為河段內(nèi)的水工建筑物設(shè)計(jì)提供水位參考，使得建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)與航道相適應(yīng)，且行洪不受影響。

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收稿日期：2024-02-20

作者簡(jiǎn)介：張會(huì)杰（1994—），男，碩士，助理工程師，研究方向：內(nèi)河航道一、二維水動(dòng)力數(shù)值模擬。