MIKE21模型應(yīng)用研究長江河道洪水中碼頭影響分析

采用mike21平面二維數(shù)學(xué)模型對涉河荊岳鐵路公安長江大橋的防洪影響進(jìn)行模擬研究。工程中橋墩概化采用局部地形和局部糙率修正方法,將數(shù)學(xué)模型的計算結(jié)果與物理模型試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析,驗證了該數(shù)學(xué)模型的模擬精度能滿足防洪評價計算的精度要求。

新建赤峰至京沈高鐵喀左站鐵路工程跨越老哈河.為研究工程對河道行洪的影響,應(yīng)用mike21模型模擬建橋后的河道水流,進(jìn)而進(jìn)行防洪影響評價.根據(jù)老哈河上游4處參證水文站推求橋址處設(shè)計洪水.采用riegl三維激光掃描儀測量河道地形,結(jié)合1:1萬地形圖處理后,采用三角形網(wǎng)格對計算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分.對糙率等參數(shù)率定后,采用mike21模型進(jìn)行模擬計算.計算結(jié)果表明,老哈河鐵路橋修建后壅水高度較小,流場變化不大,對河道行洪安全影響較小.實踐證明應(yīng)用mike21模型模擬河道水流其效果良好,合理的評價結(jié)果為工程的防洪安全提供了保障.在實踐中應(yīng)做好對糙率等參數(shù)的率定,以保證模型的正確運行.

洪水風(fēng)險圖是進(jìn)行洪水風(fēng)險分析,預(yù)防洪澇災(zāi)害的有效技術(shù)手段。文章基于mike21fm模型開展淮河流域泉潁片（豫）防洪保護(hù)區(qū)洪水演進(jìn)仿真模擬研究,獲取淹沒水深、歷時、到達(dá)時間、最大流速等洪水風(fēng)險信息,結(jié)果表明該模型計算效率高、穩(wěn)定性好、模擬精度高、模擬結(jié)果合理,成果可為淮河流域泉潁片（豫）防洪保護(hù)區(qū)的防汛救災(zāi)工作提供技術(shù)支撐。

洪水風(fēng)險圖是進(jìn)行洪水風(fēng)險分析,預(yù)防洪澇災(zāi)害的有效技術(shù)手段。文章基于mike21fm模型開展淮河流域泉潁片（豫）防洪保護(hù)區(qū)洪水演進(jìn)仿真模擬研究,獲取淹沒水深、歷時、到達(dá)時間、最大流速等洪水風(fēng)險信息,結(jié)果表明該模型計算效率高、穩(wěn)定性好、模擬精度高、模擬結(jié)果合理,成果可為淮河流域泉潁片（豫）防洪保護(hù)區(qū)的防汛救災(zāi)工作提供技術(shù)支撐。

由于受河床邊界、水沙條件變化、江湖關(guān)系調(diào)整和人類活動等因素影響,近10a來,特別是1998年長江大洪水后,盡管荊江河段河勢總體基本穩(wěn)定,但局部河段河勢發(fā)生了較大調(diào)整,河道演變較為劇烈。主要表現(xiàn)為重點河段主支汊易位、水流頂沖點上提或下移、洲灘及河道沖淤等,對護(hù)岸工程、堤防及下游河勢等產(chǎn)生了一定影響。根據(jù)大量水文泥沙原型觀測資料,探討荊江河道演變規(guī)律,并針對河道演變對防洪的影響進(jìn)行了初步研究,可為長江荊江河段河道整治提供參考。

以寧波市甬江河段右岸擬擴(kuò)建的寶達(dá)碼頭為例,通過數(shù)值模擬方法,分析研究了不同洪潮組合在不同邊界條件下碼頭棧橋上下游水流的流態(tài)、壅水高度及河床沖淤強(qiáng)度。并通過對比碼頭棧橋擴(kuò)建前后河段的水位、河勢、棧橋區(qū)沖淤等變化,分析了寶達(dá)碼頭的擴(kuò)建對甬江河段行洪的影響。

本文研究使用mike21fm模型來研究h河新建橋梁的防洪影響評價中的相關(guān)分析計算,在壅水計算和二維水力分析計算兩部分來進(jìn)行分析研究。分析成果數(shù)值上與傳統(tǒng)方法相差甚微,但是分析的水力因素遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于傳統(tǒng)算法,使用mike21fm模型來進(jìn)行橋梁防洪影響評價是非常合適的。

文中利用dhi開發(fā)的mike11、mike21軟件分別建立現(xiàn)狀堤防條件下的一、二維洪水演進(jìn)模型.由于河道存在著一維特性,通過對河道內(nèi)洪水演進(jìn)進(jìn)行一維數(shù)值模擬,二維數(shù)值模擬耦合,取得了較好的效果.在對河道一維洪水?dāng)?shù)值模擬中,可以看出,一維模型建模簡單,可以隨時根據(jù)河道斷面更新數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行修改,同時模擬時間較短,可以為河道整治,防洪規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù).二維數(shù)值模擬所需資料多,精度高,可以校核一維洪水?dāng)?shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性.

為評價典型濱海核電廠廠址防洪安全，采用mike21軟件模擬外海高潮位頂托條件下可能戚大洪水和1000年一遇洪水的演進(jìn)過程，分析了廠址北側(cè)排洪通道上所建大件橋梁對洪水的阻水竹用。研究結(jié)果表明：相比于橋梁的阻水作用，核電廠的防洪安全主要受降雨所引起的廠址上游小流域洪峰強(qiáng)度的控制，即使在設(shè)計基準(zhǔn)洪水位和潮位疊加可能最大降雨洪水情景下，核電廠主廠區(qū)也不受水淹的影響。

為評價典型濱海核電廠廠址防洪安全,采用mike21軟件模擬外海高潮位頂托條件下可能最大洪水和1000年一遇洪水的演進(jìn)過程,分析了廠址北側(cè)排洪通道上所建大件橋梁對洪水的阻水作用。研究結(jié)果表明:相比于橋梁的阻水作用,核電廠的防洪安全主要受降雨所引起的廠址上游小流域洪峰強(qiáng)度的控制,即使在設(shè)計基準(zhǔn)洪水位和潮位疊加可能最大降雨洪水情景下,核電廠主廠區(qū)也不受水淹的影響。

采用mike11（一維）和mike21（二維）的動態(tài)耦合mikeflood水動力學(xué)模型,構(gòu)建中順大圍洪水風(fēng)險圖計算模型,分析計算各種不同來水條件下,典型潰口發(fā)生潰堤后的洪水傳播過程,分析淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時等主要特征參數(shù),為中山市、順德區(qū)中順大圍保護(hù)區(qū)內(nèi)防洪決策、避洪轉(zhuǎn)移等提供技術(shù)支持。

為評估遼寧省北沙河河道的防洪能力,以北沙河全河段為研究對象,采用dhi開發(fā)mike11水動力模型計算河道水面線,根據(jù)警戒水位、成災(zāi)水位及保證水位確定原則,結(jié)合10a、20a和50a一遇洪峰流量成果,計算得出8個代表斷面的特征斷面相應(yīng)特征水位(流量)。經(jīng)過河道現(xiàn)狀防洪能力評估研究,得出過流能力較弱或者防洪能力有缺陷的河段,為防洪工程的規(guī)劃建設(shè)以及地方防汛調(diào)度防汛應(yīng)急安全提供科學(xué)依據(jù)。

本文通過對某碼頭工程建設(shè)實例的研究,分析了碼頭建設(shè)后對河道防洪安全所產(chǎn)生的影響,并提出消除或減少不利防洪影響的防護(hù)措施,供碼頭設(shè)計參考。

基于平面二維水流數(shù)學(xué)模型,對和縣碼頭修建后水流運動情況進(jìn)行模擬。計算結(jié)果表明:和縣碼頭修建后,附近河段水位及流速分布無明顯變化,最大壅水高度僅為0.003m,對防洪影響不大,從而論證了興建碼頭工程的可行性。

本文基于現(xiàn)場查勘、河道大斷面測量、已有的水文資料、流域規(guī)劃、工程河段堤防情況、地質(zhì)情況等,多角度分析了碼頭工程對滁河河道防洪的影響。

在對mike21二維水動力數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡單介紹的基礎(chǔ)上，應(yīng)用mike21水動力模塊對擬建橋梁附近河段進(jìn)行三角形網(wǎng)格剖分，建立河道二維水動力數(shù)學(xué)模型，對河道流場及圓橋墩局部繞流進(jìn)行數(shù)值模擬，得出建橋前后河道流場變化，從而分析橋墩對河道流場的影響，分析結(jié)果可作為橋梁布置重要的設(shè)計依據(jù)。

以長江中下游防洪系統(tǒng)為對象,根據(jù)長江中下游水系復(fù)雜、涉及范圍廣、地域差異顯著、空間尺度變化大、區(qū)域洪水組成復(fù)雜多樣,且耦合作用強(qiáng)、相互影響、相互制約等實際情況,在總結(jié)前人研究長江中下游水沙數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,從探索長江中下游水沙輸運規(guī)律(包括河道水沙和湖泊水沙運動規(guī)律)入手,在數(shù)值模擬框架內(nèi)對區(qū)域內(nèi)各種水力單元或環(huán)節(jié)的計算模式(包括分流口、匯流口水沙計算模式,河網(wǎng)動邊界及其計算模式)、湖泊泥沙輸沙率計算模式、動床阻力計算模式和河道橫斷面變形計算模式等進(jìn)行了深入研究,提出了構(gòu)建長江中下游水沙輸運數(shù)學(xué)模型的總體設(shè)想及其相關(guān)環(huán)節(jié)的計算模式。

分析了黃河內(nèi)蒙古河道洪水期不同流量級洪水的特征及洪水水沙搭配情況,探討了不同流量級洪水對河道沖淤的影響。結(jié)果表明:①1958—2006年巴彥高勒站最大洪峰流量呈減小趨勢,洪水期天數(shù)、各級流量洪水出現(xiàn)的場次也呈減小趨勢,1987—2006年各量級洪水出現(xiàn)的天數(shù)發(fā)生變化,小流量級洪水占的比例增大,大流量級洪水占的比例減小;②1958—2006年巴彥高勒站洪水期水量、沙量均呈減少趨勢,1987年以后小流量級水量占比例最大,大流量級水量占比例最小;③同一年不同量級洪水的來沙系數(shù)比較接近,1987年以后各量級洪水來沙系數(shù)增大;④隨著含沙量的增大,各量級洪水的單位水量沖淤量增大;⑤小于1000、1000～1500、1500～2000、2000～3000m3/s和大于3000m3/s洪水河道沖淤的臨界含沙量分別為5.0、6.0、8.5、10.0kg/m3和6.0kg/m3。

對于河道寬灘區(qū)修建的風(fēng)電場工程,其風(fēng)機(jī)塔筒群的阻水作用可能會對所在河段的洪水演進(jìn)及河勢穩(wěn)定有所影響,必須予以了解和評估。本文基于mike21軟件,建立了某風(fēng)電場所在河段的二維平面水動力數(shù)學(xué)模型,并對模型進(jìn)行了驗證。在驗證洪水條件下,特征斷面模擬水位與設(shè)計水位的相對誤差均小于1%,表明模型阻力參數(shù)設(shè)置比較可靠。對風(fēng)電場所在灘區(qū)的水流阻力進(jìn)行了概化處理,然后運用模型開展了風(fēng)電場工程建設(shè)前、后兩種條件下設(shè)計特征洪水的數(shù)值模擬,得到了該河段在設(shè)計特征洪水演進(jìn)過程中的水深、流速等數(shù)據(jù)。通過對比分析工程壅水及主流線位置變化可知,該灘區(qū)風(fēng)機(jī)塔筒群引起的工程壅水較低、流速變化較小、主流線位置變化不大,不會引起該河段河勢的明顯變化。研究成果對灘區(qū)風(fēng)電場工程規(guī)劃設(shè)計具有一定的參考價值。

近年來甬江尾閭段修建了不少碼頭,它們對河口段行洪排澇產(chǎn)生了很大影響.本文采用平面二維水沙數(shù)值模擬的方法,以某擬擴(kuò)建油碼頭為例,對油碼頭擴(kuò)建前、后不同工況條件下該河段的水流及河床沖淤特性進(jìn)行數(shù)值模擬,分析了工程修建后對洪水位、洪水河勢及棧橋區(qū)沖淤的影響.結(jié)果表明,擴(kuò)建油碼頭后洪水水力要素發(fā)生一定變化,碼頭上游水位略有壅高,下游水位降落;碼頭迎流段流速減小,相應(yīng)背流段流速加大;水流動力軸線略向左岸偏移,但河勢依舊穩(wěn)定;棧橋頭部有局部沖刷,碼頭上下游灘地微量淤積.可以利用落潮流進(jìn)行航道疏浚清淤與邊灘清淤整治,但須防止邊灘持續(xù)淤積可能帶來的河勢調(diào)整.

海潮對河口河道水位等影響范圍和影響強(qiáng)度關(guān)系到河口地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展,這些問題又直接與河口治理規(guī)劃,河口地區(qū)防洪密切相關(guān),海潮對河口河道影響具有重要意義。以二維水動力有限元數(shù)學(xué)模型為手段,選取黃河河口萊州灣清水溝入海流路為研究對象,在入海河道上足夠多的典型位置處的水位和流速為對象,通過對沿程水位和流速的變化分析研究得到3000m3/s流量下海潮對河口的影響范圍在距離口門約5～10km的范圍內(nèi),計算分析結(jié)果與實測資料分析結(jié)果基本一致。

根據(jù)蔚汾河河道生態(tài)治理的基本情況,采用兩種方法計算設(shè)計斷面洪水,一種方法采用《山西省水文計算手冊》計算；另一種方法根據(jù)水文站資料利用洪峰~面積關(guān)系法計算。在綜合分析以上兩種方法計算結(jié)果的基礎(chǔ)上,結(jié)合歷史調(diào)查洪水成果,確定設(shè)計洪水成果。