舞水毛田洲不同开发方案数值模拟研究

彭金平

（湖南璋悦建设工程有限公司 湘潭市 411100）

陈志兰

（湘潭市水利水电勘测设计研究院 湘潭市 411100）

毛田洲位于舞水河下游中方县中方镇境内，距舞水注入沅江河口相距约22 km，毛田洲地面高程大多在5年一遇洪水位以上，洲滩面积约30.64 hm2（460 亩），内侧现有一条已经堵塞的哑河。舞水毛田洲河段位于怀化工业园范围内，怀化地区属于山丘区，可供开发利用的地少，依据相关要求，综合考虑舞水防洪需求，对毛田洲的开发初步拟定了两种方案：

（1）在毛田洲边滩临舞水侧预留适当宽度边滩，然后修建防洪堤形成闭合的防洪保护圈。

（2）将毛田洲内侧哑河进行疏浚，把毛田洲边滩作为一个洲子进行开发。现采用Mike21 模型对洲滩两种方案开发前后的水力要素进行分析，比较毛田洲不同开发方案对河道防洪的影响，对两种开发方案进行综合评价。

1 Mike21 模型介绍

采用丹麦水力研究所开发的Mike21 二维水流模型，对洲滩不同开发方案实施前后的河道进行数值模拟，以研究洲滩不同开发方案对该河段防洪影响分析。目前，该模型发展得比较成熟，计算精度较高，在国内外水利领域得到了广泛应用。

1.1 模型计算原理

Mike21 从水流连续性方程及水流运动方程出发，对河道水流进行模拟计算。

水流连续方程：

水流运动方程：

式中 z——水位；

p、q——x、y 方向单宽流量；

h——水深；

s——源、汇项；

six、siy——源、汇项在x、y 方向的分量；

c——谢才阻力系数；

Ω——科氏力；

E——涡粘扩散系数，根据Smagorinsky 公式确定。

式中 V——x、y 方向垂线平均流速；

△——网格间距；

Cs——计算参数，0.25＜Cs＜1.0。

计算区域采用正方形网格剖分，控制方程离散时，变量在矩形网格上采用交错布置，水位被定义在网格节点上，单宽流量被定义在各自方向的相邻网格节点的中部，见图1 网格离散图。数值计算方法采用ADI 法。

图1 网格离散图

模型边界条件为上边界给定流量，下边界给定水位。对于计算区域中存在随水位涨落而变化的动边界处理方法，采用“干湿处理技术”。当计算区域水深小于0.05 m 时，该区域内的网格节点不参与动量方程计算，当水深大于0.05 m 时，该计算区域的网格节点重新参与动量方程计算。

1.2 模型计算范围

模型计算范围选取舞水毛田洲河段上下游总计约2.52 km。地形资料采用2010年12月实测的1/1000 地形图。

1.3 模型糙率

模型糙率是一个综合阻力系数，它反映计算河段的河床河岸阻力、河道形态变化、水流阻力以及河道地形离散概化等各种河道水力因素的综合影响。根据以往工作积累的经验，舞水毛田洲河槽糙率取（0.022～0.032），边滩部分取（0.035～0.050）。

1.4 模型边界条件

此次计算主要采用芷江水文站的资料进行分析计算，确定来流量； 毛田洲所在位置为牌楼电站库区，故水位采用牌楼水电站的成果，确定水位。在怀化工业园50年一遇防洪标准下，上游来流量7 610 m3/s，下游水位206.93 m。

1.5 计算工情条件

此次主要是针对毛田洲不同开发方案对河道防洪的影响，故分为工程前、方案一及方案二后三种计算工情，三种工情的数字概化地形见图2。

图2 三种工情的数字概化地形

2 模型计算结果

沿河道总共布设6 个点对边滩开发前后水位及流速等水力要素进行监测。6 个监测点位置见图3。监测点的结果见附表。

毛田洲边滩为舞水河高洪水期的洪泛区，两种开发方案均在一定程度上侵占了河道的行洪断面，两种开发方案监测点在工程后水位都有所壅高，流速有所增大。

两种开发方案均在P5 点水位壅高值最大，其中方案一工程前后水位变化最大壅高值0.24 cm，方案二工程前后水位最大壅高值0.26 cm；两种方案均在监测点P5 流速增加值最大，其中方案一工程前后流速增加最大值1.49 m/s，方案二工程前后流速增加最大值1.52 m/s。

图3 监测点位置图

附表 监测点水力要素结果表

综合比较不同开发方案，均占用了河道的行洪断面，水位流速都增大，对防洪产生不利影响。根据数学模型计算成果，在设计洪水条件下，方案一相对工程前水位壅高变化范围在（0.01～0.24）m，流速变化范围在（0.01～1.49）m/s，水位壅高及流速变化均在边滩舞水主河槽P4 监测点处取得最大值，方案一对防洪产生的不利影响相对较小。

经初步估算，方案一开发成本大致需花费1 953万元，方案二开发成本大致需花费3 621 万元，方案一开发成本相对较低，方案二开发成本高，且开发后滩头处当冲、滩尾处产生涡旋、回流等不利影响。另外方案一工程后可供开发利用土地340 亩，方案二工程后可供开发利用土地310 亩，方案一工程后可供开发利用地多于方案二。

综上，毛田洲两种开发方案均会对防洪产生不利影响，但方案一产生的不利影响相对较小，另外方案一相比经济合理，且可供开发利用地较多，故方案一优于方案二。

[1] 余文畴，卢金友.长江河道演变与治理[M].北京：中国水利水电出版社，2005.

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