基于MIKE水動力模型的渭河下游防洪風險評估決策支持系統研究

章新川，羅小康

（陜西省水利廳信息宣傳教育中心，陜西西安710004）

基于MIKE水動力模型的渭河下游防洪風險評估決策支持系統研究

章新川，羅小康

（陜西省水利廳信息宣傳教育中心，陜西西安710004）

由于三門峽庫區泥沙淤積造成的渭河下游河床抬高、南山支流倒灌、大量的水利工程設施，準確的洪水預報已成為渭河下游防洪搶險的難點。基于WebGIS平臺，采用DEM高程數據、MIKE水動力學模型、考慮渭河主要支流匯入以及4座大型水庫聯合調度，建立渭河下游一維洪水預報、二維洪水演進、三維洪水仿真的渭河下游防洪風險評估決策支持系統。為渭河下游工程險情動態分析、洪水災害評估、防洪調度決策提供有力支撐，可有效解決渭河下游受人類活動影響大、河床擺蕩變動大的洪水預報、洪水數值模擬演進問題，為水庫錯峰調度、防洪風險評估、防汛決策指揮提供重要的技術手段。

渭河下游；防災減災；風險評估決策支持系統；MIKE水動力學模型

0 引言

渭河流域跨陜西、甘肅、寧夏三省區，是黃河的第一大支流，渭河下游從咸陽鐵路橋至潼關屬三門峽庫區，自60年代初黃河三門峽水庫建成運行后，造成潼關以上的三門峽庫區泥沙大量淤積，河床抬高，南山支流倒灌，渭河下游洪澇災害嚴重，是陜西省防汛的重點地區之一。渭河下游2003年8月27日～10月19日，相繼發生了6次長歷時、高水位、大洪量、多處支流決口的洪水過程，2005年9月19日～10月2日渭河干流和區間支流發生較大洪水[1]。兩場洪水過程具有洪水水位高、洪水傳播時間長、洪量大、漫灘嚴重等共同特點，洪水預報的不準確造成防汛搶險工作的極度被動，為此開展基于MIKE水動力學模型的洪水風險評估決策支持系統應用研究，通過渭河流域洪水預報、水庫聯合調度、洪水演進、模擬仿真、災害評估，實現水雨情動態監視、洪水演進模擬仿真、工程險情動態分析、洪水災害評估、防洪預案科學比選。

1 渭河下游防洪風險評估決策支持系統構架

基于MIKE水動力學模型，建立WebGIS的洪水風險評估決策支持系統，實現防汛信息管理、查詢與發布水雨工情信息，管理和顯示C/S模式的一維實時洪水預報、二維洪水演進、三維洪水仿真計算成果。系統包括實時洪水預報、歷史洪水模擬、水庫聯合調度、指揮方案分析、洪水預警、二維洪水演進、三維洪水仿真、洪水災情評估，結構分用戶界面層、應用系統層、平臺支撐層、數據資源層，見圖1。

1.1 系統部署運行環境

操作系統：Windows 2008；

數據庫：ORACLE 10.0，SQLSERVER 2005；

工具軟件：流域降雨徑流模型（NAM）、一維河網水動力模型（MIKE 11 HD）、實時校正模型（MIKE 11 DA）、水庫聯合調度模型（MIKE 11 SO）、非結構網格河道洪水演進水動力模型（MIKE 21 FM），MIKE Animator，Skyline，ESRI公司ArcGIS10.0。

1.2 數據庫

實時水雨情數據庫：陜西境內渭河流域水雨情信息；

工情數據庫：渭河下游河道縱橫斷面、堤防工程、控導工程、引水涵閘、排水建筑物、防汛道路、遷安道路、橋梁以及防洪標準、水位～流量關系等基礎信息；

圖1 渭河下游洪水風險評估決策支持系統構架

險情數據庫：水庫、堤防、險工、險段、控導、涵閘等險情信息；

災情數據庫：渭河下游歷史洪災破壞情況及經濟損失信息；

防汛預案庫：組織機構、防汛物料（貯存種類、規格、型號、數量、分布）、防汛設備（防汛車輛、機械、船只）、搶險隊伍（專業隊伍、群防隊伍）、遷安道路及不同量級洪水情況下的防汛搶險、抗洪救災、調度指揮預案；

社經數據庫：渭河下游可能淹沒范圍內村莊與居民點、耕地面積與作物、人口分布、房屋財產、學校、工礦企業、交通道路、水利設施、通信設施、避水工程等社經信息；

空間數據庫：渭河兩岸陜西境內10km范圍內1:10000 DLG矢量數據及DEM數字高程模型數據；

防洪工程三維場景庫：渭河下游主要防洪工程三維場景模型，及堤防、壩垛、險工險段、跨河工程等重要地物照片。

2 Mike模型建立

首先建立渭河降雨徑流模型，考慮千河、漆水河、涇河、石川河、洛河、石頭河、黑河、灃河、灞河，尤河、赤水河、方山河、羅敷河等重要支流匯入以及馮家山、石頭河、金盆、羊毛灣4座大型水庫聯合調度；搭建咸陽鐵路橋至潼關一維河網水動力學模型；其次建立渭河下游二維洪水演進模型，著重研究重點區域的漫灘、潰堤，尤其是“二華夾槽”地區洪水淹沒范圍、淹沒水深、不同重現期下洪水淹沒風險。

2.1 研究區域

根據渭河流域水文站網分布，劃分的研究區域如圖2所示。

2.2 模型參數率定

收集（1）渭河下游河道DEM高程數據、主干渭淤斷面資料、各支流主干斷面資料、水文控制站大斷面資料；（2）渭河、涇河、北洛河流域350處雨量站、38處水文站、26座大中型水庫歷史水文資料；（3）渭河10、20、30、50、100年一遇洪水的上游邊界流量；（4）渭河下游堤防信息。預處理原始數據，模型率定期為1995～2003年，驗證期為2003～2008年，率定和驗證渭河干流魏家堡、咸陽、臨潼、華縣4個斷面流域降雨徑流模型（NAM），考慮重要支流匯入率定咸陽鐵路橋至潼關一維河網水動力學模型參數。

對一維河網水動力模型，調整河床糙率值，使控制斷面模擬值與實測值相吻合；對河道中各控制斷面以及橫向和縱向位置定義不同主槽和灘區糙率值，提高預報精度。

圖2 渭河下游洪水風險評估研究區域

3 一維洪水預報

3.1 實時洪水預報

實時洪水預報包括數據預處理、模型參數率定、實時預報、交互修正預報，通過平臺耦合NAM降雨產流模型和MIKE 11 HD水動力模型來實現。讀取模擬期和預報期內的降雨數據為NAM降雨產流模型輸入，計算模擬預報時刻開始前和預報期內的流域產流，MIKE 11 HD累計計算各個子流域產流和河道及灘區內水位及流量。

3.2 交互修正預報

采用MIKE 11 DA模塊，根據實時水情信息分析上一個時段洪水預報誤差，反饋修改模型輸入、輸出、狀態變量，考慮未來降雨輸入信息，驅動洪水預報模型交互修正未來洪水預報。

3.3 水庫聯合調度

根據渭河降雨預報、洪水預報、錯峰調度數學模型，選擇不同條件下馮家山、石頭河、羊毛灣、金盆4座大型水庫調度規則，驅動水庫聯合調度模型，以攔蓄洪水、削減洪峰、調洪錯峰作為分析評價指標，在二維GIS中動態模擬仿真渭河下游錯峰削峰調度的洪水演進過程和洪水影響范圍。

4 洪水風險評估

4.1 二維洪水演進

使用MIKE 21非結構網格水動力模型，對南山支流和渭河干流河道進行二維水動力模擬，完成洪水在河道、灘區實時和預測的二維演進動態模擬，以及二維河道地形處理、模型邊界選取、模型率定、方案計算、淹沒水深分析、計算結果二維顯示。

支流、區間入流預報采用MIKE11降雨徑流模型和水動力模型。對地形進行處理，劃分一系列三角形網格，建立咸陽鐵路橋至潼關段二維洪水演進模型。模型上游使用流量邊界，下游使用水位邊界。模型率定通過調整河床曼寧糙率值，使計算值與實測值的誤差達到允許范圍，率定目標為控制斷面水位和斷面流量。二維動態計算結果展現河道、灘區洪水淹沒面積、淹沒水深、洪水演進流場分布，圖3為渭河下游計算網格圖。

同時分析計算在馮家山、石頭河、羊毛灣、金盆水庫不同時間下泄流量時，渭河下游各主要斷面洪水演進，動態模擬洪水在河道、灘區演進過程，展現不同水庫聯合調度下河道洪水波及范圍，各主要斷面水位、流量變化過程，縱斷面洪峰演進過程，灘區的洪水淹沒面積、最大水深、集流容積、任意截取斷面的地形和洪水淹沒情況等。

4.2 災前模擬預評估

根據渭河、涇河、北洛河、南山支流不同量級洪水組合及4座大型水庫調度，評估渭河堤防及南山支流堤防所造成的危害及可能出險、致災情況。根據歷史洪水和實時預報洪水信息（水位、流量、洪量），假定堤防決口的不同部位、不同口寬、過口水深，對虛擬受災區的災害損失進行分析評估，并通過二維GIS平臺實現洪水動態模擬仿真，確定淹沒范圍，快速統計分析評估淹沒區災害損失。

分析評估①南山支流洪水導致的支流堤防及入渭口堤防工程出險致災；②渭河干流洪水導致的渭河干流及南山支流堤防工程出險致災。③當渭河流域普降暴雨導致南山支流與渭河交匯處洪水頂托倒灌時渭河干流及南山支流堤防工程出險致災。④5、10、20、50年、100年一遇洪水淹沒區（方山河以下）和影響區（臨渭區—方山河段）洪水淹沒風險。

4.3 災中跟蹤監測評估

依據堤防決口和淹沒區情況、實時遙感影像，在確定當前淹沒范圍和評估分析災情的同時，引入專家經驗，根據降雨預報、實時水情、堤防決口發展變化，對淹沒區洪水演進變化形態、淹沒范圍及時做出跟蹤監測分析評估，并通過二維GIS平臺，實現洪水動態模擬仿真，快速統計分析評估淹沒區情況變化后的災害損失，為防洪調度方案的選擇提供依據。

4.4 災區遷安救護分析

在WebGIS平臺上，動態模擬仿真、虛擬再現防汛調度過程和部署搶險救災方案，并結合不同險情，動態模擬堤防滲水、管涌、漏洞、滑坡、陷坑、沖塌、裂縫、風浪等八種險情的搶險方案；利用渭河下游遷安救護模型，根據洪水預報和洪水演進動態模擬，迅速確定受災范圍和需要撤離遷安救護的人員與分布，詳細部署遷安救護撤離路線、災民安置。

4.5 災后災情復核評價

在WebGIS平臺上，接收處理、分類入庫上報災情，統計分析洪水災害損失，并根據多渠道獲得的災情信息進行時序及客觀性分析，通過信息間的相互檢驗、印證和比較，評價受災地區上報災情的真實性、可靠性，用于指導災后重建和改進后續工作。

圖3 渭河下游計算網格圖

5 三維洪水仿真

5.1 三維洪水淹沒分析

利用Skyline結合MIKEAnimator三維仿真平臺，依據渭河洪水預報和洪水演進模型，構造渭河地形、堤防三維模擬再現場景，疊加洪水演進變化以及地形變化引起的洪水峰面形狀變化；根據設定的步長、觀察角度，實現渭河流域地形地貌和洪水演進與發展變化動態模擬三維可視化。當發生堤防決口時，在洪水演進的基礎上疊加空間分析、三維動態模擬仿真和統計分析。

5.2 三維防洪風險評估

根據渭河干流和支流發生不同量級洪水組合和不同的水庫聯合調度，假定不同堤防決口部位、口寬、過口水深，進行三維洪水動態模擬仿真，確定淹沒范圍，快速統計評估淹沒區災害損失。

5.3 三維防預案管理

以三維平臺構建防洪工程重點部位、險工、險段三維場景模型，細化防洪預案和搶險處理方案，形象分析水利工程存在問題，動態模擬險工、險段、重點部位出險，模擬仿真各種搶險措施的實施。

5.4 三維防汛決策支持

以三維平臺通過三維場景模型和防洪預案，動態模擬仿真防汛調度指揮現場，使防汛搶險、抗洪救災、決策指揮更加科學、合理。結合渭洛河下游及南山支流不同洪水組合、自然地理情況、經濟社會現狀、防汛物料儲備、搶險隊伍組織等，建立不同量級洪水災害情況下的防汛指揮模型。

6 結語

采用DEM數字高程數據、MIKE水動力學模型建立的渭河下游防洪風險評估決策支持系統是渭河下游防洪減災的一項重要的非工程措施，有效解決了渭河下游受人類活動影響大、河床擺蕩變動大的洪水預報、洪水數值模擬演進問題，為水庫錯峰調度、防洪風險評估、防汛決策指揮提供了重要的技術手段。但在實際運用中，由于河道整治、橋梁、水利工程、河道采砂等造成河道、堤防資料經常變化，需要及時收集資料，重新率定參數。

[1]張成等“渭河“03.8”、“05.10”洪災分析與防汛對策”[J]人民黃河第28卷7期:7-8.

[2]章新川、唐大明“安康市城市防洪預警系統設計與實現”[J]水電自動化與大壩監測2007 31(3):80-82.

TV131

A

1673-9000（2017）04-0147-04

2017-05-25

陜西省水利科技基金（2014slkj-03）。

章新川（1964-）53歲，男，四川南充人，高級工程師，主要從事水利信息化工作。