黄河水利委员会山东水文水资源局 山东济南 250010
摘要：本文结合东平湖银山作业区码头建设工程实例，利用丹麦水力研究所（简称 DHI）开发的Mike21模型，根据工程设计资料，收集相关历史水文数据，确定模型的参数及边界条件，对拟建码头建设前后不同工况下的洪水演进及流场分布进行模拟，对计算结果进行整理，提取所需要的成果数据，对银山作业区码头建设洪水影响评价提供技术支撑。
关键词：Mike21；二维水动力模型；洪水影响评价；蓄滞洪区；银山作业区
随着我国经济持续增长，工业化水平不断发展，近几年国家对于基础设施建设的投入逐年增加，一部分属于蓄滞洪区管理范围内的建设项目也逐年增加。这些建筑物在发挥自身作用的同时也对蓄滞洪区的水利功能造成了影响。尤其是水运码头建筑物的修建不断地增多。码头工程的建设减少了蓄滞洪区的有效库容，使得码头前沿水位壅高，影响蓄滞洪区滞洪安全，对河势稳定和防汛抢险、水利管理造成很大的影响，加大了防汛抢险的难度。并且洪水对码头和岸坡产生冲刷，危及码头正常运行。
20世纪50年代以后，随着计算机的发展，运算能力不断提高。建立了少量简单的二维模型，用于研究水流及泥沙的运动规律。伴随着软件工程技术的发展，国际上出现了许多高效率、高稳定、高精度、高保真以及可视化、软件化的商业软件。比如丹麦DHI公司数学模型软件MIKE系列，MIKE系列模型中的Mike21模型是平面二维自由表面流模型。利用Mike21软件对东平湖滞洪区进行二维建模，对拟建码头在建设前后面对不同设计洪水工况下的洪水演进及流场分布进行模拟。
1 工程概况
银山作业区位于泰安市东平县银山镇昆山村以西，东平湖西岸。工程涉及的拆迁量较小，项目所在地东平县银山镇，陆域较为宽阔，同时码头前沿水域宽阔，水深条件良好，河岸稳定，湖区常年处于静水状态，船舶进、出港较为方便，可满足港口的建设需求。根据滞洪区现状，参照相关资料以及滞洪区现有成果，对滞洪区现状行洪滞洪能力进行分析。采用Mike21软件对滞洪区进行二维模型计算；根据滞洪区及其相关河道现状，建立的二维模型分析滞洪区洪水对建设项目安全的影响、项目建设对滞洪区及河道的影响，提出拟建工程度汛应采取的措施。
2 模型建立
2.1 模型特点
丹麦水力研究（DHI）所开发的二维数学模型Mike21软件代表了水和环境行业的最先进技术水平，在全球30多个国家和地区分布有技术团队，并应用于各类水利工程领域，在平面二维表面流水动力数值模拟方面拥有的诸多功能。最近几年，该软件在中国水利领域的应用广泛，应用于许多大型项目，如：长江口动力学研究、珠江口水流和泥沙研究、渤海湾水利和波浪研究、黄河口入海口水流泥沙模拟等。
1）操作界面简单便捷，属于集成的Windows图形界面；
2）拥有多类型不同计算模块，技术人员可以根据实际工程需要选择不同模型；
3）拥有的预处理及后处理功能。在预处理时，能结合多种地形资料，对于不同精度下的资料进行统一性网格划分；在后处理时，具有较强的自动分析功能，例如流场方向分布动态演示、泥沙变化分析对比、结合历史数据进行结果拟合等多种功能；
4）在进行边界条件设置时，能准确分析干、湿节点或边界，为用户提供较为方便的水流模拟；
5）在选择实际工程时，有多种控制性水利工程结构可供选择，例如桥墩、塔基、堰等；
6）具有高度的兼容性，能够与Matlab数学运算软件及GIS数据处理软件交互使用。
2.2 模型范围
模型范围为东平湖蓄滞洪区，为全面分析洪水从入流到蓄滞洪区滞洪的整个过程，并较为完整的分析出东平湖蓄滞洪区的洪水演进过程，二维模型计算区西至石洼闸，南以东平湖围堤为界，东至大汶河辛庄险工，北至陈山口出湖闸，东西长约23.5km，南北长约45.3km。
2.3 工况条件
东平湖蓄滞洪区对黄河来水采用“砍平头”的运用方式：
当Q孙口>10000m3/s时，东平湖蓄滞洪区开始分洪运用，分洪流量Q分洪=Q孙口-10000。当Q孙口>17500m3/s时开启北金堤蓄滞洪区，因此东平湖蓄滞洪区最大分洪黄河7500m3/s的来水。
考虑东平湖蓄滞洪区遭遇：①黄河1000年一遇洪水与大汶河近20年一遇洪水；②汶河50年一遇洪水即戴村坝水文站最大洪峰流量7000m3/s两种不利工况时，分析东平湖区的洪水演进及流场分布。
2.4 边界条件
考虑黄河、大汶河同时来水，分洪过程采用黄河遭遇1000年一遇洪水与大汶河遭遇20年一遇洪水组合的水流条件，黄河石洼、林辛、十里堡闸和大汶河戴村坝分洪时东平湖滞洪区入流条件，作为上边界条件，如图1所示。其中林辛、十里堡闸概化为一条入流边界。出流边界采用东平湖北排入黄河的水位流量关系作为下边界条件。
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图1 黄河、大汶河分洪时东平湖蓄滞洪区入流过程
2.5 创建网格
建立东平湖蓄滞洪区水动力学模型首先是在模拟区域内创建网格，根据东平湖滞洪区地形图（数字高程模型DEM）生成计算区域的三角形无结构网格mesh文件。要对网格进行生产，首先需要提取边界地形数据并建立相关文件，并准备模拟区域内的地形文件，而边界文件是由东平湖蓄滞洪区的堤防、堤坝、道路、山脉等的边界线组成，提取出相应的经纬度坐标数据；数字高程模型采用90m精度的DEM数据，利用ARCGIS软件对东平湖蓄滞洪区模拟计算区域内点的经纬度坐标以及所对应的高程进行提取。
网格剖分过程中首先导入边界文件，定义开边界，开边界通常给定的形式为流量/水位过程，闭边界一般是指不可渗透的边界，默认设置成流速为零的陆地边界，本例中上边界条件采用流量边界，下边界采用陈山口、清河门出湖闸的水位流量关系，导入边界条件后生成网格，然后利用平滑网格功能对生成网格进行平滑处理，把散点高程数据导入所剖分的网格中，再对网格地形进行插值，最后提取模拟区域网格分布图。根据网格剖分结果，平均网格大小为46150m2，网格节点数7554，网格单元数13562。
2.6 参数设置
表1 模拟区域糙率取值范围
网格生成后在Mike21 HD中进行模型参数设置，以及动边界处理，并初始条件和边界条件进行设置等。糙率系数是曼宁公式重要参数，反映对水流阻力影响的一个综合性无量纲数。影响因素主要包括河床组成、岸壁特征、植被覆盖情况、河段平面特征及水流情况等，同时河道比降、河道宽深比对糙率也有一定的影响。边界表面越粗糙，糙率越大；边界表面越光滑，则糙率越小。
糙率系数一直是Mike模型计算中较为敏感的系数，大多是根据现场实测资料及历史资料分析确定，在本次模型模拟计算中，利用长期人们工程实践经验和实验资料制成的糙率表确定（见表1）。以之前生成的网格为基础建立糙率场，首先对于特殊的区域应县设定糙率值，例如码头、岛屿、村庄等，再进行插值，最终生成糙率文件，导入到二维水动力学模型中参与计算。
3 结果分析
根据两种工况进行模型计算时，采用相同的网格文件、初始条件和糙率文件，但是时间设置、边界流量条件不同，相应地进行模拟。根据二维非恒定流洪水演进数学模型计算，东平湖滞洪区分洪黄河1000年一遇和大汶河20年一遇洪水组合时，洪水到达拟建工程的时间约在7h左右淹没水深图。淹没可能会对码头前沿水下设施造成影响，但对码头面以上的影响会较小。
拟建工程所在的昆山堤位于昆山和东金山两座山之间，山体作为天然屏障在分滞黄河大洪水时有一定阻挡作用，根据模型模拟结果，昆山堤不是主要的分洪通道，与蓄滞洪区洪水入口和出口处相比，工程处能达到的最大流速相对较小（图2），同时工程建设后的洪水演进过程与建设前的洪水演进过程基本相同，工程建设不会明显影响蓄滞洪区的整体洪水演进过程。淹没可能会对码头前沿水下设施造成影响，但对码头面以上的影响会较小。
经过对东平湖滞洪区分洪黄河1000年一遇和大汶河20年一遇洪水组合分析计算，在该场洪水中，拟建工程处出现最大流速时东平湖的流速分布如图2所示。
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图2 东平湖启用时工程位置最大流速示意图 图3 工程处局部流速放大示意图
在该工况条件下，黄河和大汶河的两股洪水由东西两个方向进入湖区，当洪水由入流口进入东平湖并不断演进达到洪峰时，东平湖水位逐渐升高，洪水大量滞留在湖区内，除东平湖区入流和出流口附近，整个湖区的流速空间分布趋向于均一。
图3给出拟建工程处达到最大流速时的流速放大示意图，根据模型分析，除入流和出流口流速较高外，湖区大部分位置处的最大流速小于0.95m/s。取拟建项目位置的最大流速为0.95m/s。第二种工况条件下即大汶河来水达到7000 m3/s的洪峰流量，模型计算得到的拟建项目位置处的最大流速为1.2m/s，偏安全考虑对于拟建项目附近冲刷计算所采用的流速，拟采用1.5m/s。
泊位工程为临湖建筑物，洪水发生时会对湖底形成冲刷，因此需进行冲刷分析计算，其中码头前沿流速是计算冲刷的关键数据，通过Mike21数学模型模拟，在该场洪水中，建设项目位置处采用最大流速值1.5m/s。
4 结论
根据遥感影像数据与水文特征值资料确定Mike21模型的参数及边界条件，对拟建工程建成后进行洪水演进及流场分布模拟，得到工程位置处相应数据；最后根据模拟结果进行冲刷与淤积分析计算。总得来说，Mike21模型的计算结果，能够较好的反映项目建成后对东平湖蓄滞洪区运用后流场分布的影响，为进一步的分析提供流场背景，可以应用到防洪综合评价中来。
下一步研究可将ArcGIS空间分析技术与Mike21 FM蓄滞洪区建模过程应用于其他湖泊或滞洪区的不同工程建设项目对洪水演进及流场分布的影响分析。
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