MIKE 11模型在望虞河西控工程排涝计算中的应用

周 宏，刘 俊，刘 鑫，丁明梅，李 朋(.河海大学水文水资源学院，南京 0098；. 河海大学环境学院，南京 0098)

1 工程概况

2007年5月底，太湖蓝藻大面积暴发造成无锡市供水危机，引起了国内外各方面的高度关注。根据国务院要求，有关部门编制了《太湖流域水环境综合治理总体方案》，方案中提出为了治理太湖水环境，有效增加流域引江济太进入太湖水量，改善太湖水环境，需实施扩大引江济太调水工程，在此基础之上需实施望虞河西岸控制工程[1]。然而，在望虞河引长江水入太湖期间，西岸支河缺乏有效控制，与望虞河的水流交换频繁。由于望虞河西岸地区的水质较差，对引江济太期间入湖水质产生影响。为了进一步增加望虞河入湖水量和水质，改善流域水环境，增加流域泄洪和供水能力，对望虞河西岸实施有效控制，引水期间望虞河西岸滞留河道改由走马塘排长江。

按设计，在引水期，西控工程的运行按“五年一遇以下暴雨”(即小水)和“五年一遇以上暴雨”(即大水)两种运行模式，小水时闸门关闭，望虞河西岸的圩区改向走马塘排涝。大水时，闸门打开，按未进行西控前的原有方式进行泄洪排涝。非引水期，按未西控时的方式进行泄洪排涝。

2 研究方法

望虞河西岸地区属武澄锡虞区，为平原河网感潮地带，区域排涝标准为五年一遇。西控工程实施后，在遇到五年一遇以下的暴雨时，走马塘与望虞河之间的涝水要反向通过走马塘排入长江，走马塘的水位抬高，导致望虞河西岸与走马塘之间地区的水位同步升高，部分没有设圩的半高地地区受淹风险增加。为研究望虞河西控工程对望虞河西岸与走马塘之间无锡地区的影响，需通过排涝水文计算模拟五年一遇暴雨情况下西岸封闭时，河网节点的水位、流量过程、洪水位、高水位持续时间及半高地淹没状况与五年一遇暴雨情况下西岸未封闭时进行比较，得出望虞河西控工程对无锡的排涝产生的影响。

为准确进行计算，本次研究采用丹麦水利研究所(DHI)研制的MIKE 11中的降雨径流模块(NAM)和水动力模块(HD)耦合模型进行排涝水文计算。MIKE 11模型系统是一个经过大量工程实践验证的模型，适用于包括复杂平原河网在内的一维非恒定流计算，是模拟一维水流和水质的国际化工程软件[2]。本次研究将NAM的计算结果作为水动力模型的流量输入条件，并添加可控水工建筑物，实现降雨径流模型(NAM)与水动力学模型(HD)的耦合及水闸、泵站的调度模拟。

在MIKE 11中，NAM模型通过连续计算积雪储水层、地表储水层、土壤和植物根区储水层和地下储水层4个不同且相互影响的储水层的含水量来模拟产汇流过程。它表示了陆面的水文循环过程，以及4 种储水层中不同的土壤状态和水分的运动途径[3]。作为一个集总式模型[4]，NAM 模型各个参数和变量取流域的平均值，其初始值先根据流域的自然特征初定，然后利用历史水文资料进行率定。

水动力计算模型是基于垂向积分的物质和动量守恒方程，即一维非恒定流圣维南方程组来模拟河流或河口的水流状态。方程公式如下。

质量守恒方程：

动量守恒方程：

可控水工建筑物是指模拟过程中按照各种预设的调度规则，模型可自动判断调整运行方式(如闸门开启度、过闸流量等)的一类建筑物，包括水闸、橡胶坝、水泵等。MIKE11 的可控建筑物模块提供了极丰富的闸门操作设计，有迭代、表格、全开等9 种计算模式，可设置不同的调度方案及其优先级，细化调度目标和调度时机，极大地丰富和提高了MIKE 11对各类实际工程情况的模拟能力[5]。而且，该模块中设计参数的设置直观而简单，调度方式的设置手段也非常丰富，使MIKE 11能非常灵活方便地模拟各种防洪和水资源调度方案。

3 模型构建

因走马塘以西部分排水方向不变，并且有运东大包围工程，强排能力较强。但走马塘与望虞河之间区域地处长江与京杭大运河的中间地带，泄洪和调排水距离都相对较远，当“小水年”时排水方向改变，由原来的“西水东流”变为逆向排向走马塘，这部分区域河流流向将改变，流速将大大降低，甚至滞流，河流自净能力也将下降。再加上望虞河西岸地区的未设防半高地较多，增加了无锡部分地区的河道水位及排涝压力。因此，西控工程对望虞河以西与走马塘之间这部分区域的负面影响最大，从而确定这部分区域为本次研究的重点区域，具体水系图见图1。

图1 研究区域水系图Fig.1 Generalized graph of research area

3.1 河网概化

本次计算范围属平原河网区，区域内河流纵横交错，连结成网。在河网内部还有众多湖泊以及水闸、泵站、涵洞等水工建筑物。如果将所有的河道都概化在模型中，那么必将费时费力，并且有些河道调蓄作用很小或者基本不起输水作用，概化与否对水位流量的影响结果很小。因此，在河网概化的过程中以骨干河道为基础，以基本反映天然河网的水力特性为基本原则进行合理的河道和湖泊概化，使概化后的计算河网能尽可能真实地反映天然河网的水力情况[6]。

因此本次概化以望虞河、锡澄运河-京杭大运河、沈渎港-走马塘、白屈港、十一圩港、东横河、南横套、张家港河、九里河、伯渎港为干流，其他河道为支流形式汇入干流。对研究范围的河道进行了细化，评价区域加密至村级河道。计算范围内的其他区域的河道只概化规模较大的河道，对于调蓄作用较小的河道结合水面率的要求作为陆域面上的调蓄水面；湖泊概化为调蓄节点，对于只有景观作用而无调蓄做的湖泊类似于小河道满足水面率要求。河网共概化河道137条，河道节点共901个，河道概化见图2。

图2 河道概化图Fig.2 Generalized graph of rivers

3.2 集水区域的划分

平原河网错综复杂，数目众多，同时由于人为干预(水利分片治理、行政区划的范围等)以及河网概化等因素的影响，直接用DEM数据提取时误差较大，使得降雨径流在集水区域内部之间的分配变得比较困难[7]。本次研究以各主干河道为基本边界，综合考虑河流的流向、地形特点以及最新下垫面资料等条件，根据排水方向进行集水区域的划分，同时综合考虑水系的完整性、边界条件的稳定性以及周围区域对研究区域洪涝水位的影响等因素，选定基本边界为北至长江、南至太湖、西至锡澄运河-京杭大运河、东至望虞河，集水区域的划分见图3。

图3 集水区域的划分Fig.3 Division of catchment areas

3.3 水工建筑物概化

平原河网地区水动力模拟过程中，不可避免地要涉及堰、闸、泵等水工建筑物。在这些建筑物处，圣维南方程组已经不再适用，必须根据水工建筑物的水力学特征作特殊处理。在MIKE11模型中水工建筑物的设置一般非常的直观，直接输入设计参数即可，同时也可以自定义其他各种水工建筑物。在本次研究中主要涉及可控水工建筑物的设置，每个可控建筑物都可能有多种调度方式，比如一座闸可以用于防洪、也可用于水污染控制调度等等，那么在这些调度方式中存在一个优先度的问题，在MIKE11中，这些调度方案的优先度是通过设定的Priority值来实现的，值越小优先度越高。

本次概化将主要的水工建筑物进行了概化，包括望虞河西岸的水闸、泵站，无锡运东大包围的水闸、泵站以及长江沿岸的水闸、泵站等，可控建筑物的概化见图4。

图4 可控水工建筑物概化Fig.4 Generalized graph of controllable hydraulic structures

3.4 参数率定

为了保证模型参数的精确，本次率定选用武澄锡虞区2012年8月1日至8月25日的实测降雨过程，其中最大1日126.1 mm，最大3日141.2 mm，最大7日149.9 mm，最大15日234.5 mm；边界水位选取长江实测潮位、太湖实测水位等边界资料；参数的率定选取计算范围内有实测水位数据的水文站，甘露站、青旸站、陈墅站。率定结果见图5。

图5 各测站率定结果Fig.5 Results of parameter calibration

由图5可知，模型计算的各测站率定值与实测值趋势一致，能较好吻合，计算误差不大，能较好地反映实际情况，可见参数率定合理，模型计算可靠，可以用于后面的5年一遇排涝水位的计算。

3.5 遭遇5年一遇暴雨时排涝水位计算

选用武澄锡虞区12个雨量测站1951-2013年共63年逐日降雨量资料。采用年最大值法点绘选最大1、3、7、15、30日雨量频率曲线，根据最大7日雨量得出5年一遇设计暴雨，与1975年实测值相近。因此采用1975年6月20日至6月26日实测降雨过程分别作为五年一遇典型暴雨过程，然后根据同频率缩放得到逐时设计暴雨过程，详见表1。

表1 区域5年一遇设计暴雨过程 mmTab.1 Regional design rainstorm process

将各计算结果输入模型，设定边界及水工建筑物调度规则，进行模型计算。

4 计算成果分析

4.1 水位变化

5年一遇暴雨情况下西控工程封闭与否各支河口门最高水位对比情况表见表2。

表2 各支河入望虞河口门水位变化情况 mTab.2 Water level change of branch rivers into the Wangyu River

在遭遇5年一遇暴雨情况下，无西控工程时，望虞河西岸支流河口最高水位在3.99～4.05 m；当西岸控制工程实施之后，最高水位上升至4.15～4.22 m，4条主要支流最高水位抬升幅度由北向南分别为14、15、16、23 cm。

结果表明，在望虞河西岸控制期间，走马塘成为西岸地区的主要排水通道，走马塘与望虞河之间的河道水流流向变为由东向西、由南向北，造成望虞河支流河口水位升幅最高，且位置偏南的河道排水路线长，水位升幅最大。

对于望虞河以西走马塘以东区域，西控实施前，5年一遇暴雨情况下，各主要河道最高水位为3.97～4.05 m；西岸封闭之后各主要河道最高水位上升为4.18～4.23 m，并具有由北向南递增的趋势。最高水位抬升约15～24 cm，而且具有由北向南，由西向东升高的趋势。

另外西控封闭之后河道高水位持续时间增加，4.0 m以上水位持续时间在2.5～3 d，较长的高水位持续时间对锡山各地区防洪压力增大，圩区的圩堤、不设防的半高地、低洼地区都有一定风险。

走马塘以东地区在望虞河西控未封闭时、封闭后最高水位等值线图及区域水位抬升幅度等值线图见图6。

图6 等值线图Fig.6 Contour maps

4.2 受淹情况

根据无锡市历史洪涝资料统计，沿河易淹区主要位于锡山区，在锡北运河及其支流大塘河、张缪舍河、八士港沿线和羊尖塘沿线。5年一遇设计降雨条件下，西控工程实施后，最高水位的升高及高水位持续时间的增加，使得不设防的低洼区及半高低受淹情况增多，根据锡山区半高地和低洼片受淹情况统计，得出在西控工程实施后，5年一遇暴雨情况下，锡山区不设防区和半高地受淹情况统计，其中受淹农田面积为2.67 hm2；受淹企业共5家，总计面积3 400 m2。

5 结 论

通过MIKE 11模型对望虞河西岸与走马塘之间河网进行概化，将NAM模型与HD模块进行耦合，加进水工建筑物模块并对调度方式进行模拟计算，得出主要结论如下。

(1)对于锡山区不设防的半高地，在西控实施前，在5年一遇暴雨情况下基本不受淹。西控工程实施后，由于涝水位升高，导致受淹地区增加。

(2)西控工程实施之后，切断了望虞河以西区域向望虞河的5年一遇以下暴雨的排水，望虞河与走马塘之间河道水流反向，呈自东南向西北流向。望虞河西岸最高水位普遍抬升，望虞河与走马塘之间的区域水位抬升在15～24 cm，走马塘以西河口水位升高也在10 cm以上。受影响区域内高水位持续时间增长，超过4 m的高水位持续时间增加2～3 d。

(3)5年一遇区域最高水位为4.23 m，相当于该区域10年一遇设计水位。西控工程封闭之后，对现状条件下已经达到10年一遇标准的地区不会造成影响，对于望虞河西岸现状防洪标准未达到10年一遇标准的地区，会造成洪水淹没潜在影响。

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[1] 我省南水北调一批项目和太湖走马塘工程批准兴建[J]. 江苏水利, 2009,(5):8-8.

[2] Danish Hydraulic Institute(DHI).MIKE11:A modelling system for rivers and chalmels reference manual[R].DHI, 2004.

[3] H Madsen. Automatic calibration of a conceptual rainfall-runoff model using multiple objectives[J]. Journal of Hydrology, 2000,235:276-288.

[4] 长江水利委员会水文局二队. NAM模型及其应用[J]. 水文, 1999,(S):66-71.

[5] 杨 洵, 梁国华, 周惠成. 基于MIKE11 的太子河观-葠河段水文水动力模型研究[J]. 水电能源科学, 2010,28(11):84-88.

[6] 刘 强, 吴国芳. 基于MIKE 11 HD水动力模型的复杂河道水利计算[J]. 水利规划与设计, 2014,(4):68-70.

[7] 徐祖信.河流污染治埋规划理论与实践[M]..北京:中国环境出版社,2003.