基于MIKE軟件的平原保護區(qū)暴雨洪水研究

唐克銀，趙 芳，趙 釗，張 晨

(山東省水利勘測設(shè)計院，山東 濟南 250013)

自1968年美國國會通過全國洪水保險法推動洪水風險圖以來，世界各國逐漸開始展開洪水風險圖的編制與應(yīng)用工作，形成了歷史洪水調(diào)查法、地貌學法和非恒定流數(shù)據(jù)模擬法等一系列洪水風險圖編制方法。2006年，歐洲24個國家或組織成立了歐洲洪水風險圖交流圈(EXCIMAP)，旨在匯集歐洲所有經(jīng)驗和專有知識并改善洪水風險圖繪制實踐。20世紀80年代中期，我國開始了洪水風險圖的編制研究。1984年，中國水利水電科學研究院與海河水利委員會合作對永定河洪泛區(qū)洪水演進特征進行分析，繪制了我國第一張洪水風險圖。2005年1月，國家防辦在七大流域部署了36個試點項目。2013年，國家防辦在全國組織實施重點地區(qū)洪水風險圖編制工作，至今已形成大量的成果，但多為專題研究成果，分析計算條件單一。文章以洙萬片防洪保護區(qū)洙趙新河右堤曾劉涵洞險工段發(fā)生50年一遇標準洪水為例，對復雜條件下平原保護區(qū)內(nèi)洪水淹沒特征值進行分析與研究，供洪水風險圖編制工作人員借鑒參考。

1 洙萬片防洪保護區(qū)基本情況

洙萬片防洪保護區(qū)位于魯西南地區(qū)，黃河下游，區(qū)內(nèi)主要為黃河沖積平原，地勢平坦，土層深厚，屬華北平原新沉降盆地的一部分，自西南向東北呈簸萁形逐漸降低，海拔高度為37～68m，平均地面坡降為1/4700。保護區(qū)是以洙趙新河右堤、萬福河左堤、東魚河北支左堤、黃河右堤及南四湖堤防為界，總面積為2950km2，涉及菏澤市牡丹區(qū)、東明縣、定陶縣、鄆城縣、巨野縣、成武縣，濟寧市任城區(qū)、嘉祥縣、金鄉(xiāng)縣九個縣(區(qū))行政區(qū)域的66個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

2 MIKE軟件計算方法

2.1 河道一維洪水演進計算方法

MIKE11是一維河道水動力數(shù)學模型，采用6點Abbott-Ionescu有限差分格式對圣維南方程求解，其連續(xù)方程、動量方程分別為

(1)

(2)

式中，A—河道過水面積；Q—流量；u—側(cè)向流在河道方向的流速；t—時間；x—沿水流方向的水平坐標；q—河道側(cè)向流量；α—動量修正系數(shù)；g—重力加速度；y—水位；Sf—摩阻坡降。

2.2 保護區(qū)二維洪水演進計算方法

MIKE21是平面二維自由表面流模型，采用隱式交替方向(ADI)逐行法對連續(xù)方程及動量方程分別進行時空上的積分，每個方向及每個單獨的網(wǎng)格線產(chǎn)生的方程矩陣采用追趕法求解，其連續(xù)方程、動量方程分別為

(3)

(4)

(5)

式中，H—水深；B—地面高程；Z—水位，Z=H+B；M、N—x和y方向的單寬流量；u、v—x和y方向上的流速分量；n—糙率；g—重力加速度；q—源匯項。

2.3 一、二維耦合計算方法

通過MIKE FL00D側(cè)向連接功能，實現(xiàn)MIKE11的特定河段與MIKE21邊緣網(wǎng)格連接，實現(xiàn)一維與二維區(qū)域之間自由水體交換，從而模擬河道洪水漫溢后發(fā)生潰決過程，并在保護區(qū)內(nèi)模擬洪水演進過程。

3 模型建立與驗證

3.1 洙趙新河一維水動力模型

洙趙新河一維水動力模型采用MIKE11模擬河道行洪演進過程。根據(jù)河道斷面、糙率、上下邊界條件以及河道主要控制建筑物等要素，同時考慮河道一維與二維的耦合計算校驗潰口參數(shù)和分洪流量等。

(1)河道工況條件

根據(jù)洙趙新河近幾年治理情況以及近期治理規(guī)劃，模型中河道徐河口以下斷面采用設(shè)計斷面，以上斷面采用治理后的實測斷面。

(2)糙率擬定

模型計算對計算精度影響較大的參數(shù)是河道糙率值。山東省水利勘測設(shè)計院等有關(guān)單位對洙趙新河的糙率進行了分析驗證，其中，主槽糙率為0.0225，灘地糙率為0.03。洙趙新河河道較為規(guī)整順直，計算時采用整體糙率0.027。

(3)模型驗證

模型驗證選取洙趙新河梁山閘2005年實測洪水進行了參數(shù)率定，并用2006年7月2—8日實測洪水對模型進行了驗證。根據(jù)擬定的糙率參數(shù)、建筑物布置、實測洪水進行水位模擬，其中閘壩按暢泄控制，梁山閘實測與模擬水位對照如圖1所示。

圖1 梁山閘下2006年大洪水實測、模擬水位對照

3.2 保護區(qū)二維水動力模型

(1)網(wǎng)格劃分

綜合考慮保護區(qū)面積、模擬精度、計算時間及軟件性能等因素，洪水演進分析采用三角形不規(guī)則網(wǎng)格。模型中以流域面積在100km2以上的支流水面線、堤防線和其他河流及高速公路、鐵道等線狀地物的中心線作為網(wǎng)格劃分控制線，并以地形和控制線間距確定劃分精度。對于河道、堤防、道路及其他地形變化劇烈的區(qū)域，網(wǎng)格適當加密，最小網(wǎng)格為0.00007km2。

(2)地形插值

洪水演進分析結(jié)果與地形精度密切相關(guān)，模型中地形插值高程點由1∶1萬DEM提取。根據(jù)地物復雜程度提取不同密度的高程散點，村莊散點間距為20m，鐵路、公路、河流、堤防散點間距為5m，其他地物散點間距為50m。

(3)地物概化

洪水演進分析需考慮線狀地物對洪水演進的阻水和導流作用，以及沿程缺口、橋涵的過水作用。模型中地物概化主要考慮高于地面0.5m以上的線狀地物，包括省道、高速、鐵路及堤防，線狀地物沿程缺口及橋涵。

(4)糙率設(shè)置

根據(jù)《洪水風險圖編制細則》，糙率取值一般應(yīng)利用實測洪水資料進行率定，無實測資料的地區(qū)可根據(jù)《水力學手冊》確定，或參考采用相似條件地區(qū)的糙率。本地區(qū)缺少潰堤洪水演進實測資料，故采用《水力學手冊》中的建議值。對保護區(qū)內(nèi)的村莊、道路、耕地、河流等地物設(shè)置不同的糙率，以反映保護區(qū)下墊面對洪水演進的影響，各地物糙率取值見表1。

表1 保護區(qū)內(nèi)各地物糙率參照表

(5)排水設(shè)置

根據(jù)當?shù)貙嶋H內(nèi)澇風險特點，模型在洪水退水階段考慮閘門及泵站的外排作用。依據(jù)全國第一次水利大普查及現(xiàn)場調(diào)查成果，部分泵站位于保護區(qū)內(nèi)部，遠離支流及邊界，另有部分泵站盡管靠近支流，但無法發(fā)揮外排功能，模型計算考慮規(guī)模以上泵站50余座。

(6)蒸發(fā)與下滲

綜合本區(qū)域下墊面情況、氣候及實測資料，將蒸發(fā)與下滲一并考慮。模型計算采用的蒸發(fā)與下滲值取為8mm/d。

4 洪水演進結(jié)果分析

4.1 洙趙新河一維洪水分析成果

通過MIKE FLOOD側(cè)向連接方式進行一維、二維模型耦合計算，獲取一維河道分洪流量作為二維模型潰口入流流量。洙趙新河20年一遇和50年一遇標準洪水各潰口分洪流量過程如圖2所示。

圖2 洙趙新河標準洪水各潰口分洪流量過程圖

4.2 保護區(qū)二維洪水分析

(1)內(nèi)澇處理

將MIKE SHE計算得到的內(nèi)澇成果折算為均勻分布的降雨，在MIKE21中重新演算。澇水在平面上流動趨向東，受線狀地物的阻攔及分隔，主要積聚在低洼處形成較大的水面。

(2)潰堤洪水演進

潰堤起始時刻，潰口進洪量達225.7m3/s，最大水深為1.49m，洪水在嘉祥縣境內(nèi)沿省道S252向南行進，最遠到蔡河，部分洪水匯入蔡河，沿河道流向下游；潰堤12h，洪水沿蔡河向下游行進，在金鄉(xiāng)縣滿硐鄉(xiāng)東部、胡集鎮(zhèn)北部匯集，最大水深達1.2m；潰堤24h，洪水匯集于滿硐鄉(xiāng)東部、胡集鎮(zhèn)北部，形成較大積水區(qū)；潰堤2d，洙趙新河干流洪峰消退，潰堤過程基本結(jié)束；潰堤6d，洙趙新河干流洪峰消退，總進洪量達6592.32萬m3，受地形西高東低影響，洪水沿蔡河緩慢東流，匯集于蔡河下游，水深超過2m，洪水演進過程如圖3所示。

圖3 50年一遇洪水演進過程

表2 50年一遇潰堤洪水各時刻進洪流量

(3)洪水特征值

洪水特征值主要包括洪水水位、流速、流量等。通過在洪水演進路線上設(shè)置水位監(jiān)測點(如圖4所示)，對局部區(qū)域水位過程進行分析。潰堤后，各監(jiān)測點水位均經(jīng)歷兩個上漲和一個消退過程，即因降雨和潰堤洪水造成的上漲和支流排水、蒸發(fā)下滲及洪水演進的消退。水位上漲的程度和速度大于水位下降的程度和速度，符合洪水傳播機制。

圖4 水位監(jiān)測點設(shè)置分布圖

因預(yù)設(shè)水位監(jiān)測點與潰口遠近關(guān)系，水位依次上漲，其中潰口處監(jiān)測點t1洪峰最早出現(xiàn)，水位在潰堤時刻急劇上升2m以上，但是消退較快，歷時較短；監(jiān)測點t2、t3、t4為洼地或者演進路線點，距離潰口較遠，洪水流速較慢，消退時間長；t5、t6是洪水最終匯集地，距離潰口二三十千米，尤其是監(jiān)測點t6水位上漲較慢，且受集中排水作用，有明顯的水位消退過程。

潰口最大進洪流量出現(xiàn)在潰決后第23h，為478.4m3/s。受兩山形成的狹窄通道影響，最大流速出現(xiàn)在潰口下游250m范圍內(nèi)，為1.065m/s；潰口外1.2km的范圍內(nèi)，流速迅速降至0.5m/s；潰口下游2.0km，流速降到0.3m/s以下。

(4)淹沒面積

根據(jù)淹沒結(jié)果統(tǒng)計，洪水影響范圍內(nèi)，水深大于0.5m的最大淹沒面積為132.55km2，占保護區(qū)總面積的8.38%。洪水退水以后，保護區(qū)內(nèi)尚有部分洪水無法排出，洪水淹沒范圍及歷時如圖5所示。

圖5 保護區(qū)洪水淹沒范圍及歷時圖

對保護區(qū)內(nèi)模擬發(fā)生50年一遇暴雨內(nèi)澇洪水的淹沒面積與1957年歷史記錄大洪水淹沒范圍圖進行對比分析，發(fā)現(xiàn)其主要淹沒區(qū)域、范圍、水深等特征基本一致。

5 結(jié)論

(1)基于MIKE11建立的洙趙新河一維水動力模型，采用2005年實測洪水進行了參數(shù)率定，用2006年實測洪水對模型進行了驗證，河道實測水位和模擬水位存在一定誤差，模擬結(jié)果與實測或調(diào)查數(shù)據(jù)基本吻合。

(2)基于MIKE21建立的保護區(qū)二維水動力模型，利用1∶10000地形圖和全國第一次水利大普查數(shù)據(jù)，對保護區(qū)內(nèi)構(gòu)筑物進行概化建模，計算結(jié)果與1957年歷史大洪水淹沒范圍圖進行對比分析，模擬結(jié)果與實測或調(diào)查數(shù)據(jù)基本吻合。

(3)通過洪水淹沒特征值分析與對比，模型對保護區(qū)的概化合理，能從整體上反映保護區(qū)發(fā)生暴雨或河道洪水引起的淹沒范圍分布。率定和驗證后的模型可以用于其他方案的洪水分析計算，為該區(qū)域洪水影響分析和洪水風險圖編制工作提供依據(jù)。