InfoworksRS在防洪預(yù)警中的應(yīng)用

□許拯民 □師 琨 □許龍賓（華北水利水電學(xué)院）

1.前言

防洪預(yù)警歷來(lái)是水利工作中的頭等大事。近年來(lái)，隨著水利研究的不斷深入，先進(jìn)的洪水預(yù)警與模擬機(jī)制不斷推出，為防洪預(yù)警工作提供了很大的便利。其中，暴雨預(yù)警工作中，應(yīng)用較多的是洪水風(fēng)險(xiǎn)圖。該法可以快速的劃定暴雨的淹沒(méi)范圍，時(shí)效性較強(qiáng)。然而該法是一種模糊推斷，過(guò)多參考以往經(jīng)驗(yàn)，且表現(xiàn)形式單一，精度較為欠缺。為了研究大江大河的流態(tài)演進(jìn)，國(guó)家出重金構(gòu)建了一些重要河流的實(shí)體模型。該類(lèi)模型模擬真實(shí)河流的下墊面狀況，對(duì)于研究不同來(lái)水狀況下的河道流態(tài)具有很大的意義。但是實(shí)體模型體積龐大，投入成本高且難于維護(hù)，只能在特定的流域展開(kāi)，適用性較差。InfoworksRS系列河流模擬軟件的引入，彌補(bǔ)了以往老方法中精度低、適用性差的問(wèn)題，已成功建立了比利時(shí)丹瑪流域?qū)崟r(shí)防汛預(yù)報(bào)調(diào)度決策系統(tǒng)、墨西哥河洪水模擬及我國(guó)太湖水量水質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)等。其高效的計(jì)算引擎、形象的展示界面以及生動(dòng)的成果展示方式，為防洪預(yù)警工作提供了新的思路與方向，是目前應(yīng)用較為廣泛的流域水資源和洪水管理的軟件之一。

2.InfoworksRS軟件介紹

InfoworksRS系列軟件由兩大部分組成：河流水動(dòng)力模擬軟件和流域水文模型PDM軟件。

2.1 河流水動(dòng)力模擬軟件

2.1.1 主要功能介紹

該軟件是InfoworksRS軟件的主體部分，承載了該軟件的水動(dòng)力模擬、降雨產(chǎn)匯流模擬等主要功能，軟件內(nèi)嵌先進(jìn)的ISIS水動(dòng)力模擬引擎，可以快速的計(jì)算復(fù)雜河道的水流過(guò)程。基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)部分由河道斷面、下墊面地形數(shù)據(jù)以及上下游邊界點(diǎn)構(gòu)成。軟件能夠自動(dòng)讀取固定格式的TXT、EXCEL文檔，并且整合了GIS端口和ArcViewsharp系列文件，可以快速批量的引入斷面數(shù)據(jù)和下墊面數(shù)據(jù)。

軟件囊括了橋、閘門(mén)、泵等多種水工設(shè)施和建筑物，并且可以通過(guò)引入邏輯關(guān)系命令，按照實(shí)際的操作規(guī)則，編寫(xiě)相關(guān)的命令，使得水工建筑物可以按照調(diào)控的需要自動(dòng)運(yùn)行。

該軟件的成果表達(dá)形式豐富。首先，已運(yùn)行成功的模擬，可以通過(guò)軟件自配的錄制功能，在平面或者縱斷面視角全過(guò)程錄制或者截取部分錄制下來(lái)，自動(dòng)生成AVI文件供用戶(hù)調(diào)用和閱覽。其次，對(duì)于河道每一個(gè)斷面，軟件都提供了三大種結(jié)果查看方式：第一種是斷面視圖方式。該方式顯示了斷面的剖面以及時(shí)時(shí)的水深狀況，可以隨模擬的進(jìn)行不斷變化；第二種斷面過(guò)程線(xiàn)方式。該方式可以顯示的內(nèi)容包括該斷面全過(guò)程的水位、流量、流速、弗勞德數(shù)等，用戶(hù)可以根據(jù)自己的查閱需要選擇其中的一個(gè)或者兩個(gè)進(jìn)行查閱；第三種是斷面時(shí)刻數(shù)據(jù)方式。該方式將過(guò)程線(xiàn)方式中的所有可顯示數(shù)據(jù)以表格的方式呈現(xiàn)出來(lái)，用戶(hù)可以自由定義數(shù)據(jù)保存到時(shí)間步長(zhǎng)。最后，軟件可以將視角由二維拉大到三維，立體的呈現(xiàn)全流域的水動(dòng)力過(guò)程。最新版本中加入了水深的影像設(shè)置，看起來(lái)更加的逼真、生動(dòng)。除此之外，軟件還可以完成斷面間的數(shù)據(jù)對(duì)比、模擬成果與實(shí)測(cè)對(duì)比等，并且可以生成相關(guān)的成果報(bào)告供用戶(hù)參考。

2.1.2 基本原理介紹

ISIS河道水動(dòng)力模型囊括了河流、湖泊、外部控制以及內(nèi)部控制的相互作用，考慮水體的質(zhì)量守恒和動(dòng)力守恒等必要條件，以水力學(xué)經(jīng)典公式圣維南方程式為基礎(chǔ)來(lái)表示質(zhì)量和動(dòng)力的守恒。由質(zhì)量守恒引出的連續(xù)方程建立了水位上升率和楔狀體以及棱狀體儲(chǔ)藏量之間的平衡。由動(dòng)力守恒引出的動(dòng)力方程，建立了慣性、擴(kuò)散、地心引力以及摩擦力之間的平衡。

連續(xù)方程：

其中，q為旁側(cè)入流（m3/s·m）。

動(dòng)力方程：

其中：A、Q、H分別為過(guò)水面積，流量，斷面水位（潮位）；Sf為摩擦比降：

其中K由河道流量因數(shù)和相關(guān)曼寧數(shù)組成的方程得到

其中，R為水力半徑；P為潤(rùn)周長(zhǎng)度；n為曼寧粗糙系數(shù)。

圣維南方程式由Preissmann隱式差分法求解。Preissmann隱式差分，突破了顯示格式對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)dt要施加限制的缺陷。離散方式是一個(gè)四點(diǎn)隱格式，如下：

式中θ為加權(quán)系數(shù)，0≤θ≤1。

PDM模型中各參數(shù)含義表

這是Preissmann格式原始離散的方法，對(duì)圣維南方程組進(jìn)行離散，得到以增量表達(dá)的非線(xiàn)性方程組，忽略二階微量簡(jiǎn)化為線(xiàn)形代數(shù)方程組，可以進(jìn)行求解。

2.2 流域水文模型PDM軟件

2.2.1 主要功能介紹

PDM是英文“ProbabilityDistributedModel”的縮寫(xiě)，即“概率分布式模型”。軟件用于完成對(duì)指定流域的產(chǎn)流系數(shù)確定，進(jìn)而結(jié)合河流水動(dòng)力模擬軟件，完成對(duì)指定降雨的產(chǎn)匯流模擬。

軟件首先需要對(duì)流域的日系列數(shù)據(jù)（即該流域的日流量數(shù)據(jù)、日蒸發(fā)數(shù)據(jù)和日降雨數(shù)據(jù)）進(jìn)行率定，以確定該流域的基流系數(shù)等影響到基流的參數(shù)（Cmax、Kb、Kg、Bg、Be），接著利用15min或者1h為步長(zhǎng)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)率定地表徑流以及壤中流參數(shù)（K1、rainfac、b、tdly）等。

2.2.2 基本原理介紹

圖1.降雨產(chǎn)匯流模型圖

流域中任一點(diǎn)的徑流量可以概化為單一存儲(chǔ)單元體的容量c，該存儲(chǔ)體通過(guò)降雨P(guān)補(bǔ)充水分，通過(guò)蒸發(fā)E流失水分，直到該存儲(chǔ)體充滿(mǎn)后溢出產(chǎn)生直接徑流q，或由于蒸發(fā)流空，停止流失水分。

式中：So為存儲(chǔ)單元體的初始水深；P、E、q分別表示降雨深、蒸發(fā)以及考慮時(shí)段內(nèi)產(chǎn)生的直接徑流。任意點(diǎn)的蓄水能力c可以被看作為是概率密度函數(shù)f(c)的一個(gè)隨機(jī)變量，則在深度方向（c，c+dc）上即為f(c)dc。蓄水能力不大于C*的存儲(chǔ)體的流域比例為：

式中，函數(shù)F（C*）為蓄水能力的分布函數(shù)。

因此，對(duì)于一個(gè)面積為A的流域，時(shí)間t時(shí)產(chǎn)生徑流的流域面積為：

該流域單元面積的瞬時(shí)直接徑流率為凈降雨率π與產(chǎn)生徑流的流域比例 F（C*（t）的乘積，即：

第i個(gè)降雨時(shí)段(t,t+Δt)內(nèi)，假設(shè)降雨和潛在蒸發(fā)以恒速Pi和Ei進(jìn)行，則凈雨量π=Pi-Ei。在該時(shí)段內(nèi)，臨界蓄水能力 C*（τ）將根據(jù)以下公式增長(zhǎng)

作用面積將根據(jù)式（9）擴(kuò)大，并且，在該時(shí)段內(nèi)，單位面積產(chǎn)生的流域直接徑流為

3.應(yīng)用實(shí)例

3.1 流域概況

福建省位于東南沿海，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，氣候較為濕潤(rùn)，七成以上雨量集中在4-9月。此次應(yīng)用選取閩江下游某河段建立模型。該河段位于山區(qū)河流的下游，模擬河段的上游點(diǎn)位于山區(qū)與平原河道的接壤處，下游點(diǎn)位于入河口處。河道全長(zhǎng)近20km，河道坡降小于千分之一，整體地勢(shì)平緩。

3.2 率定過(guò)程

2005年，福建省遭到一場(chǎng)特大暴雨的襲擊，最大1h降雨量超過(guò)百年一遇，造成了非常嚴(yán)重的災(zāi)害，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。此次模擬將結(jié)合以往資料完成對(duì)該區(qū)域的流域產(chǎn)流系數(shù)的率定，之后結(jié)合RS軟件完成此次暴雨的產(chǎn)匯流過(guò)程。

首先，對(duì)近幾十年該流域的暴雨洪水資料進(jìn)行了收集和查閱，選取了其中7次較為典型的暴雨洪水過(guò)程。這些資料涵蓋了流域豐水年、中水年和枯水年3種流域來(lái)水狀態(tài)，且洪量較大，影響較為廣泛，具有一定的代表性。調(diào)取對(duì)應(yīng)7次暴雨的7年日流量、日降雨以及日蒸發(fā)資料，率定流域的基流影響因素；摘取7次暴雨洪水過(guò)程的時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行短時(shí)段水文率定，確定產(chǎn)流因子、降雨延時(shí)等參數(shù)。通過(guò)率定，得到表1參數(shù)值。

表1 水文參數(shù)表

將以上參數(shù)引入RS軟件，同時(shí)將2005年特大暴雨的實(shí)測(cè)降雨資料以及對(duì)應(yīng)暴雨時(shí)段的下游出口處實(shí)測(cè)水位資料輸入軟件，經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出該場(chǎng)暴雨的產(chǎn)匯流過(guò)程。

3.3 模擬結(jié)果與分析

通過(guò)模擬計(jì)算，軟件給出的淹沒(méi)區(qū)域主要集中在河道的中上游片區(qū)。結(jié)合當(dāng)時(shí)的實(shí)際情況得知，流域的上游首先遭遇山洪，且河堤較低，淹沒(méi)較為嚴(yán)重。中下游區(qū)域的河道相對(duì)規(guī)整，河堤相對(duì)較高，沒(méi)有發(fā)生滿(mǎn)溢。整體模擬情況與實(shí)際情況相符。

介于當(dāng)時(shí)暴雨歷時(shí)短、降雨量大，驗(yàn)證參考資料為河道中上游邊灘處的三個(gè)洪痕點(diǎn)。對(duì)比洪痕點(diǎn)結(jié)果為：最大誤差0.07m；最小誤差0.02m，整體誤差較小，模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。

4.結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

通過(guò)以上模擬可以看出，InfoworksRS系列軟件在流域降雨水文模擬中表現(xiàn)較為優(yōu)秀，結(jié)果令人滿(mǎn)意。在資料較為充足的流域，應(yīng)用水文模型軟件對(duì)往年水文資料進(jìn)行參數(shù)率定，之后結(jié)合水動(dòng)力模擬軟件可以快速完成對(duì)流域產(chǎn)匯流以及水動(dòng)力過(guò)程的模擬，在精度、效率以及可視化等方面都有著不錯(cuò)的表現(xiàn)，對(duì)于流域防洪預(yù)警工作具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

4.2 建議

首先,該系列數(shù)字模型軟件對(duì)數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量要求較高。相對(duì)于國(guó)內(nèi)現(xiàn)在較為滯后和不太齊整的水文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)而言，軟件在應(yīng)用和推廣方面會(huì)受到一定的影響。

其次、因該軟件是由英國(guó)軟件公司開(kāi)發(fā)，軟件內(nèi)部保存了一些英國(guó)的元素，部分參數(shù)或者數(shù)據(jù)與國(guó)內(nèi)的銜接還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

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