基于MIKE FLOOD的洪澤湖周邊滯洪區(qū)滯洪方案研究

楊萬(wàn)紅，王 凱，曹命凱

(江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127)

1 基本情況

1.1 區(qū)域概況

洪澤湖周邊滯洪區(qū)位于江蘇省洪澤湖周邊，包含了洪澤湖大堤西側(cè)、廢黃河南側(cè)、泗洪西南高地東側(cè)及盱眙縣沿洪澤湖、沿淮河地區(qū)的圩區(qū)和部分坡地，該滯洪區(qū)從洪澤湖周邊蓄洪墾殖圩堤起往上至校核洪水位，高程范圍為12.33～16.83m(國(guó)家85高程，下同)，總面積為2132km2，涉及淮安、宿遷兩市的淮陰區(qū)、洪澤縣、盱眙縣和宿城區(qū)、泗洪縣、泗陽(yáng)縣六縣(區(qū))部分地區(qū)，還有省屬洪澤湖農(nóng)場(chǎng)、三河農(nóng)場(chǎng)，共54個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總?cè)丝?28.5萬(wàn)，耕地269.6萬(wàn)畝。

高程16.83m以下的滯洪庫(kù)容為41.6億m3，約為洪澤湖防洪庫(kù)容的30%。

1.2 存在問(wèn)題

根據(jù)《淮河洪水調(diào)度方案》[1]，當(dāng)洪澤湖水位達(dá)到14.33m且繼續(xù)上漲時(shí)，濱湖圩區(qū)破圩滯洪。當(dāng)洪澤湖發(fā)生1954年洪水或更大的洪水時(shí)，洪澤湖周邊滯洪區(qū)需要進(jìn)行滯洪，然而受到洪水量級(jí)和滯洪區(qū)地形的影響，滯洪區(qū)一次性滯洪后仍會(huì)有部分地區(qū)沒(méi)有被淹沒(méi)，這些地區(qū)的人口遷移和因此帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失就是一種浪費(fèi)[2]。分級(jí)滯洪可以實(shí)現(xiàn)滯洪總面積的減少，從而減少了不必要的人口遷移量和經(jīng)濟(jì)損失，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展騰出更多的空間[3]。

2 研究思路

2.1 計(jì)算方法

采用MIKE FLOOD軟件建立洪澤湖地區(qū)一、二維耦合水動(dòng)力模型，包含洪澤湖湖區(qū)、洪澤湖周邊滯洪區(qū)、鮑集圩行洪區(qū)、潘村洼行洪區(qū)及區(qū)域附近高地，總面積約4396km2(如圖1所示)。區(qū)域內(nèi)重要河道采用一維水動(dòng)力模型進(jìn)行模擬，包括淮河干流、懷洪新河、池河、新汴河、新濉河、徐洪河、西民便河等128條；洪澤湖滯洪區(qū)、洪澤湖湖區(qū)及部分高地采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行剖分模擬，網(wǎng)格總數(shù)為85894個(gè)；此外還考慮了0.5m以上高度的堤防、道路等線性建筑物以及重要水工建筑物。模型中邊界條件包括上游入湖流量過(guò)程和下游出湖水位流量關(guān)系[4]。

2.2 分級(jí)方案

洪澤湖周邊滯洪區(qū)大大小小分布了超過(guò)300個(gè)圩區(qū)，總面積約1030km2，各圩區(qū)相對(duì)獨(dú)立，為分級(jí)滯洪提供了有效的基礎(chǔ)條件。采用GIS工具統(tǒng)計(jì)不同高程范圍內(nèi)的圩區(qū)分布情況見表1。

由表1可知，分布在14.33m以下的總計(jì)為194個(gè)，總面積為658.3km2，占圩區(qū)總數(shù)和圩區(qū)總面積的63%左右；分布在15.03m以下的圩區(qū)總計(jì)283個(gè)，總面積920.6km2，占圩區(qū)總數(shù)和圩區(qū)總面積的90%左右?；讌^(qū)域內(nèi)地形地貌及人口經(jīng)濟(jì)情況，結(jié)合現(xiàn)有調(diào)度原則，提出4種分級(jí)滯洪方案，見表2。

圖1 洪澤湖地區(qū)耦合模型一維河網(wǎng)及二維網(wǎng)格

表1 洪澤湖周邊滯洪區(qū)圩區(qū)高程分布情況

表2 洪澤湖周邊滯洪區(qū)滯洪方案

考慮到入海水道二期工程實(shí)施后，洪澤湖遭遇50年一遇或更小的洪水時(shí)，洪澤湖水位達(dá)不到14.33m，洪澤湖周邊滯洪區(qū)無(wú)需破圩滯洪[5]，結(jié)合淮河流域相關(guān)規(guī)劃，本次研究方案中，洪澤湖洪水量級(jí)定位為100年一遇、300年一遇和2000年一遇三種情況，每種洪水量級(jí)組合4種滯洪方案，本次耦合模型計(jì)算方案總計(jì)16個(gè)。

2.3 率定驗(yàn)證

模型構(gòu)建完成后采用1991年和2006年汛期實(shí)測(cè)雨量、水位進(jìn)行率定，該模型率定參數(shù)主要是不同地貌條件的糙率，率定成果見表3。

表3 模型糙率率定成果

采用2003年6月26日—2003年7月31日、2007年7月1日—2007年8月3日實(shí)測(cè)雨量、水位資料進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證采用水文站包括蔣壩、老子山、臨淮頭、尚嘴和香成莊5個(gè)，如圖2所示。

根據(jù)模擬水位與實(shí)測(cè)水位值對(duì)比可知，蔣壩、老子山、臨淮頭、香成莊、尚嘴最高水位差值均小于0.11m，見表4，水位均值差小于0.04m，水位變化趨勢(shì)、最高洪水位到達(dá)時(shí)間基本一致，說(shuō)明該模型模擬成果相對(duì)合理和準(zhǔn)確，能夠反映實(shí)際洪水發(fā)生時(shí)洪水演進(jìn)情況。

3 成果分析

3.1 計(jì)算成果

洪澤湖周邊滯洪區(qū)對(duì)洪澤湖來(lái)水起到一定的滯蓄作用，可以削減洪澤湖洪水的洪峰。實(shí)質(zhì)上滯洪區(qū)就是起到一種洪水風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移的目的，將人口稠密、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域的洪水風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)嫁到滯洪區(qū)內(nèi)，以確保最終的洪災(zāi)損失最小。針對(duì)洪澤湖地區(qū)的實(shí)際情況，選取了以下4個(gè)指標(biāo)作為判斷方案優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)：最高水位、最大下泄流量、洪災(zāi)損失、影響人口。

圖2 模型驗(yàn)證實(shí)測(cè)水位與計(jì)算水位對(duì)比

表4 模型驗(yàn)證水位站最高水位對(duì)比 單位：m

(1)最高水位。洪澤湖(蔣壩站)水位是洪澤湖重要的水情要素，其數(shù)值的高低直接代表了洪澤湖及下游地區(qū)的洪澇風(fēng)險(xiǎn)程度，是國(guó)家對(duì)洪澤湖地區(qū)進(jìn)行水利調(diào)度的重要決策依據(jù)。

(2)最大下泄流量。洪澤湖洪水主要通過(guò)三河閘、二河閘和高良澗閘排泄，其排泄最大流量直接影響著下游防洪工程的安全，是描述下游保護(hù)區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo)。

(3)洪災(zāi)損失。滯洪區(qū)內(nèi)洪災(zāi)損失是指因洪水的發(fā)生，淹沒(méi)了農(nóng)田房屋、沖毀了道路橋梁等帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失，該參數(shù)是反應(yīng)洪水災(zāi)害最直接的參數(shù)。

(4)影響人口。為了規(guī)避洪水風(fēng)險(xiǎn)可能帶來(lái)的人身傷害，在洪水發(fā)生前期，滯洪區(qū)內(nèi)根據(jù)相關(guān)規(guī)定會(huì)進(jìn)行必要的人員轉(zhuǎn)移安置，這部分人口是直接受到洪水影響的，與洪水量級(jí)、淹沒(méi)范圍成正相關(guān)。是描述洪水風(fēng)險(xiǎn)最根本的指標(biāo)。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，如果洪澤湖周邊滯洪區(qū)不啟用，當(dāng)洪澤湖發(fā)生100年一遇、300年一遇、2000年一遇洪水時(shí)，洪澤湖最高水位將分別達(dá)到5.17、15.91、18.25m。根據(jù)相關(guān)研究，當(dāng)蔣壩水位超過(guò)15.03m時(shí)，洪澤湖大堤潰堤風(fēng)險(xiǎn)將穩(wěn)步提高[6]，當(dāng)洪澤湖發(fā)生100年一遇或更大的洪水時(shí)滯洪區(qū)的啟用勢(shì)在必行[7]。

由表5可知，對(duì)于100年一遇設(shè)計(jì)洪水，一次性滯洪洪澤湖最高水位最小、下泄最大流量最小，下游風(fēng)險(xiǎn)最小，但滯洪區(qū)損失最大；對(duì)于300年一遇一次性滯洪面積最大，但削峰效果最差，是因?yàn)闇楹鬁閰^(qū)有一定的水位，后期入湖洪水進(jìn)入滯洪區(qū)流速變緩，洪水演進(jìn)時(shí)水力坡度在這里起到主導(dǎo)作用；2000年一遇的洪水，不同滯洪方案影響相差較小，該洪水量級(jí)下，洪水演進(jìn)時(shí)洪量起主導(dǎo)作用。因此，并非一次性滯洪就能實(shí)現(xiàn)最好的滯洪效果，對(duì)于不同的洪水量級(jí)應(yīng)當(dāng)考慮不同的滯洪方案。

3.2 方案優(yōu)選

采用模糊優(yōu)選法選取不同洪水量級(jí)的最優(yōu)滯洪方案，首先需要計(jì)算不同的指標(biāo)的隸屬度及目標(biāo)權(quán)重，然后計(jì)算相對(duì)優(yōu)屬度向量，見表6—8，根據(jù)相對(duì)優(yōu)屬度量的大小選擇最優(yōu)方案。

隸屬度是用來(lái)描述元素接近模糊集的一個(gè)函數(shù)，在本案例中模糊集可以理解為目標(biāo)的最優(yōu)解[8]。由隸屬度成果可知，只有2000年一遇洪水時(shí)，最優(yōu)目標(biāo)均出現(xiàn)在同一方案中，其他洪水量級(jí)最優(yōu)目標(biāo)發(fā)生在不同的方案中，見表9。

表5 各方案評(píng)價(jià)參數(shù)統(tǒng)計(jì)情況

表6 100年一遇方案目標(biāo)對(duì)優(yōu)的相對(duì)隸屬度

表7 300年一遇方案目標(biāo)對(duì)優(yōu)的相對(duì)隸屬度

表8 2000年一遇方案目標(biāo)對(duì)優(yōu)的相對(duì)隸屬度

表9 各目標(biāo)權(quán)重計(jì)算

最后計(jì)算各方案的相對(duì)優(yōu)屬度μj，得100年一遇、300年一遇、2000年一遇設(shè)計(jì)洪水各方案相對(duì)優(yōu)屬度向量分別為：(0.898，0.939，0.885，0.939)、(0.995，0.999，0.998，0.997)、(0.999，1.000，0.999，0.999)。由此可知，對(duì)于100年一遇設(shè)計(jì)洪水條件，“分級(jí)滯洪一”和“分級(jí)滯洪三”最優(yōu)；300年一遇和2000年一遇設(shè)計(jì)洪水條件下，“分級(jí)滯洪一”最優(yōu)。綜合上述優(yōu)選結(jié)果，分級(jí)滯洪方案優(yōu)于原始滯洪方案，且“分級(jí)滯洪一”基本適用于所有工況，故將高程在13.33m以下的圩區(qū)作為一級(jí)圩區(qū)優(yōu)先啟用。

4 結(jié)論

洪澤湖周邊滯洪區(qū)分級(jí)滯洪能夠很好地降低洪災(zāi)損失；對(duì)于不同的洪水量級(jí)，并非一次性滯洪就能獲得最好的削峰效果，不同的滯洪方案能夠取得不同的削峰效果；洪水量級(jí)越小，分級(jí)滯洪降低災(zāi)害損失效果越明顯；洪澤湖分級(jí)滯洪時(shí)，采用13.33m作為分級(jí)高程，即13.33m以下圩區(qū)優(yōu)先啟用。二維水動(dòng)力模型模擬洪澤湖洪水演進(jìn)過(guò)程時(shí)，能夠模擬出洪水在湖口(如溧河洼、淮干三灘端等地)的壅高現(xiàn)象，相對(duì)于純水文的計(jì)算方法更加合理可靠[9]。