基于MIKE FLOOD的洪澤湖周邊滯洪區洪水演進模擬

周潔　董增川　朱振業　陳序

摘要：基于實測斷面資料建立了研究區的一維水動力模型，基于高精度DEM以及1：10000地形圖建立了研究區的二維水動力模型，并用MIKE FLOOD將一維模型和二維模型進行耦合，構建了洪澤湖周邊滯洪區一、二維耦合的洪水演進數學模型。利用2003年歷史洪水資料對模型參數進行了率定，并以2007年歷史洪水資料進行了驗證。以洪澤湖百年一遇設計洪水為模型上邊界，二河閘、三河閘以及高良澗閘的現行調度方案的水位-流量關系為模型下邊界，對洪澤湖百年一遇設計洪水方案進行模擬計算，當蔣壩水位達到14 33 m時，洪澤湖周邊滯洪區開始滯洪，得到開始滯洪后不同時段研究區內各類洪水風險要素的動態分布情況以及最大淹沒水深、淹沒歷時，驗證了模型的合理性，可用于蓄滯洪區洪水演算分析。

關鍵詞：蓄滯洪區；洪水演算；洪澤湖；風險要素；MIKE FLOOD

中圖分類號：TV 122 文獻標識碼：A 文章編號：1672 1683（2017）05-0056-07

蓄滯洪區是我國防洪減災的重點對象，適時啟用蓄滯洪區削減洪峰、分蓄洪水是保障下游和防洪重點保護區域安全的有效措施。為做好防洪減災工作，我國高度重視防洪規劃、防洪減災工程建設與非工程措施部署。其中，洪水演進模擬是非工程措施的重要組成部分，是洪水風險分析、洪水風險圖繪制的重要依據。洪水演進模擬的研究方法主要有差分法、有限元法、有限體積法等。對于洪水數值模擬，國內外已有不少專家利用有限差分法和矩形網格建立了二維洪水演進模型，但是獨立的二維模型無法計算獲得河道中某個斷面、某個時刻的水位和流量等水文要素，尤其在研究區內水工建筑物眾多、控制調度復雜的情況下，更是難以高精度地模擬水庫調度、潰口等對河道洪水演進的影響。

為了更好更精確的反映決堤后洪水演進的情況，本文擬采用以一、二維耦合的水力學方法，依據水量守恒及水動量守恒原理建立洪水數值模型，模擬洪水的恒定及非恒定演進過程，分為一維水力學法和二維水力學法。其中一維水力學法是指采用一維非恒定流微分方程即圣維南方程組對河道非恒定流的水動力學進行模擬，該方法能夠獲得每個模擬時刻河道內的水面線、流量等情況，便于檢查和驗證，也便于過程控制。二維水力學方法采用淺水方程來模擬洪水在淹沒區域內耕地、林地、山丘區、道路等演進的情況，與一維數學模型相比，二維數學模型能夠提供更加詳細的水情信息，如：淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時等情況。目前世界上最為廣泛應用的丹麥水利研究所（Danish Hydraulic Institute）研發的MIKE軟件，包含MIKE11、MIKE21、MIKEFLOOD等多個功能強大的模塊，其中MIKEFLOOD模塊可以模擬一維河網水動力學系統以及二維的洪泛區，實現一維和二維區域之間自由的水體交換，適用于宏觀上的流域控制性工程規模論證分析和流域洪水調度研究等。本文以洪澤湖地區為例，利用MIKE FLOOD建立一、二維耦合的洪水演進數學模型進行模擬研究。

1研究區概況

洪澤湖是淮河流域最大的湖泊型水庫，地處蘇北平原中部偏西，位于淮河中下游結合部，承泄淮河上、中游15.8萬km³的來水，總庫容135億m³。地貌上，湖西、湖南為低山崗阜，湖西崗隴和洼地寬窄不等、“三洼四崗”高低相間；湖南區蔣壩至盱眙縣城是連綿的低山，湖東、湖北由河湖沖刷堆積而成的平原，地勢低下。洪澤湖整體呈西北高東南低的形態。洪澤湖周邊滯洪區位于洪澤湖大堤以西，廢黃河以南，泗洪縣西南高地以東，包含盱眙縣的沿湖、沿淮地區，地面高程在16.83 m（1985國家高程，下同）以下，涉及淮安、宿遷兩市的淮陰區、洪澤縣、盱眙縣和宿城區、泗洪縣、泗陽縣六縣區部分地區，還有省屬洪澤湖、三河農場，滯洪區面積2132 k m³。

洪澤湖入湖河流主要在湖西部，有淮河、懷洪新河、新老濉河、新老汴河和徐洪河、安東河等，在湖北側入成子湖的河流有古山河、五河、肖河等，南側主要入湖河道為維橋河、高橋河，淮河入量占流入總量的70%以上。區域內地勢外高內低，唯一排水出路即洪澤湖湖區，洪澤湖洪水由三河閘、二河閘、高良澗閘分別經入江水道、入海水道、分淮入沂、灌溉總渠入江入海。區域防洪工程包括外圍防洪、內部防洪工程，主要為迎湖擋洪堤和河道堤防。入湖控制建筑物主要有團結閘、高松河閘、古山河閘、西民便河閘、安東河閘、濉河閘、老汴河閘等。出湖控制建筑物主要是三河閘、二河閘、高良澗閘；區域內防洪工程主要有滯洪區間內部河道堤防和排澇涵閘、泵站。詳見圖1。

2模型構建

2.1模型控制方程

描述一維水流運動的Saint-Venant方程組是建立在質量和能量守恒的基礎上的，以水位和流量為研究對象，其表達式為：

2.2河道一維模型

一維河網的洪水運動用Saint-Venant方程組描述，其上、下游邊界的控制條件一般采用水位過程控制、流量過程控制、流量～水位關系控制等形式。由基本方程Saint-Venant方程、邊界條件和初始條件共同組成一維洪水運動的定解問題。另外，在天然河道中普遍存在著諸如支流交匯、集中分（入）流、洼地蓄水、斷面突擴（縮）、堰、閘等，在這些局部地區，由于水流受固體邊壁的影響，水流流態急變，Saint-Venantt方程組不再適用，必須重新根據守恒定律，補充必要的計算條件，這類計算條件是位于域內的物理條件，稱之為內邊界條件。

洪澤湖周邊滯洪區內河網縱橫交錯、水系復雜，著重提取對洪水分析比較重要的河流溝渠來構造河網模型，包括主要通湖河道、出湖通道以及圩內河道等。收集了128條主要河道的實測斷面資料，對圩內河道進行一定的概化，概化后的一維河網共有500多個河段，見圖2。模型以淮河、懷洪新河、徐洪河、新汴河、新濉河、老濉河等主要通湖河道的入湖流量作為河道的上邊界，以三河閘、二河閘和高良澗閘的水位或者水位一流量關系作為下邊界條件。endprint

2.3洪泛區二維模型

2.3.1線狀地物處理

區內線狀地物處理主要為圩區堤防與重要道路的處理。由于原始道路節點間距不規則，劃分網格時容易產生小網格，對模型計算不利，為此，對道路節點進行抽稀處理。道路抽稀長度控制為200 m一個節點，然后根據道路測量高程點對道路進行打斷，并將高程點作為分段道路的高程，之后對交匯點進行修正，使所有交匯點都完全擬合，作區內擋水建筑物處理。本次研究將縣道及縣道以上道路均納入模型中，合計49條，對縣道以下有實測資料的道路經過修正后納入模型，區域共概化道路1634段。洪澤農場是研究區內面積最大的圩區，其內部道路概化情況見圖3。

2.3.2網格剖分

研究區二維地形采用1：10000地形圖以及5 m×5 m的高精度DEM資料，采用非結構化三角形網格，網格的大小隨地形地勢和阻水建筑物的分布靈活確定，充分反映計算區域的地形特征。對區域內的典型的線性阻水建筑物，如堤防、公路等，經合理概化，并對網格適當加密，在二維地形中充分反映其特征。最大網格面積不超過0.1km²，其中湖面網格適當放大，最大網格面積不超過1km²。共剖分網格85 894個，見圖4。

2.4一二維耦合模型

MIKE FLOOD是把一維模型和二維模型連接在一起，進行動態耦合的模型系統，耦合模型既利用了一維模型和二維模型的優點，又避免采用單一模型時遇到的網格精度和準確性方面的問題。將一、二維模型通過MIKE FLOOD進行耦合計算，耦合點使用標準連接或側向連接進行計算。其中，標準連接是將連接線映射到一個或多個二維網格的耦合線上，一維模型為二維模型提供流量值Q作為二維模型的邊界條件，將Q值分布到二維計算單元的各節點上；在連接處二維計算網格的水位值并不相等因此取各個計算網格的平均水位值Z返回給一維模型，以進行下一時段的計算。側向連接允許二維模型的網格單元從側面連接到一維模型的部分河段甚至是整個河段，利用建筑物的流量公式來計算通過側向連接的水流。

本次模型的耦合方式主要采用MIKE FLOOD提供的標準連接和側向連接，其中，通湖河道與洪澤湖湖區、進洪口門與洪泛區主要采用了標準連接；實測河道與洪泛區主要采用了側向連接。

3模型參數率定驗證

3.1參數選取

糙率是表征河道底部、岸坡和洪泛區地表影響水流阻力的綜合系數，是水力計算的重要靈敏參數，也是水動力數學模型中最重要的參數，包括一維河道糙率和二維洪泛區糙率。根據水普下墊面信息，確定不同區域的糙率值，將下墊面數據導入模型，創建糙率分區。根據項目區地形、地貌和河道實際情況確定初始糙率值。

3.2模型率定

2003年淮河流域發生了1954年以來最大洪水，洪澤湖蔣壩水位最高達14.20 m，采用2003年6月26日-7月31日的實測降雨和洪澤湖的出湖水位及蔣壩等四個水位站的水位資料對模型進行率定，模型計算范圍內水位站分布見圖5。將實測入流過程和洪澤湖出湖水位過程輸入模型進行模擬計算，將計算的洪澤湖水位過程與實測水位進行對比分析，來率定參數。糙率率定結果見表1。

根據實測資料和模型計算值對比可知，計算的蔣壩、臨淮頭、香城莊、尚嘴水位及變化過程與2003年實測水位基本一致，見圖6。

3.3模型驗證

根據之前率定確定的模型參數，采用2007年的實測入流和洪澤湖的出湖水位及蔣壩、臨淮頭、香城莊、尚嘴四個水位站的水位資料對模型進行驗證。選取2007年7月1日-8月3日作為計算時段，將計算的洪澤湖水位過程與實測水位進行對比分析，來檢驗模型的準確性與合理性。

根據實測資料和模型計算值對比可知，計算的蔣壩、臨淮頭站、香城莊站、尚嘴站水位及變化過程與2007年實測水位基本一致，見表2。綜合以上率定驗證成果可知，所建模型較好地重現了2003年及2007年研究區內洪水演進過程。

4滯洪模擬計算

以現狀工況遇洪澤湖百年一遇入流情況進行洪水模擬計算，模型的上邊界為1996年淮委規劃設計研究院的入湖設計洪水流量過程，下邊界為洪澤湖出口的水位一流量關系曲線，見表3。根據相關調度規則，當洪澤湖蔣壩水位達到14.33 m且有上漲趨勢時，洪澤湖周邊滯洪區一次性破圩滯洪。利用之前構建的一、二維耦合模型對洪澤湖周邊滯洪區進行滯洪模擬，不僅可以得到最終時刻的淹沒要素，還能得到洪水演進過程中，任意網格任意時刻的洪水淹沒要素，如淹沒水深、流速、流向等。

洪澤湖百年一遇入流情況及模型模擬計算得到的總入流、總出流及蔣壩水位過程見圖7，模型模擬時長為42 d，最大入湖流量21703 m³/s，最大出湖流量為18 160 m³/s，總計入湖水量為546 3億m³，總計出湖為500 9億m³/s，蔣壩初始水位為13.33m，最高水位達15.16 m；當模型運行至第7 d時，蔣壩水位超過14 33 m時，滯洪區開始滯洪；當模型運行至第21 d時，滯洪區達到最大滯洪量，最大滯洪量為17.63億m³。

不同時刻研究區內淹沒水深圖見圖8。由于研究區內圩區眾多，每個圩區都有獨立的進洪口門，概化的314個圩區在達到滯洪條件，即洪澤湖蔣壩水位達到14.33 m時，同時開始滯洪，在整個研究區最初會出現多個淹沒區域，隨著時間的推移，區內被洪水淹沒的面積逐步變大，淹沒水深也逐步上升。當t=170h時，蔣壩水位14.33 m，達到滯洪條件，開始滯洪。圖8（b）是開始滯洪12 h后的淹沒情況，由于314個圩區同時破圩滯洪，滯洪量迅速增加，蔣壩水位不僅減緩了上升趨勢，還有些許下降，此時蔣壩水位14.27 m，滯洪量3.27億m³，淹沒面積3.11 km²；圖8（c）是開始滯洪后24 h的淹沒情況，此時蔣壩水位14.25 m，滯洪量達到4.80億m³，淹沒面積400.50 km²；隨著入湖流量的持續增加，滯洪區水位不斷上升，滯洪量漸漸達到飽和，削峰效果已不如剛破圩滯洪時顯著，洪澤湖水位持續升高。當t=504 h時，蔣壩水位15.08 m，滯洪區達到最大滯洪量17.63億m³，淹沒面積940.02 km²。

通過模擬計算，該區域最大淹沒面積940.02km³，最大淹沒歷時35 d。不同淹沒水深對應的淹沒面積、不同淹沒歷時對應的淹沒面積見表4、表5。由表可知，隨著淹沒水深、淹沒歷時的增大，淹沒面積均相應增大，淹沒水深、淹沒歷時在研究區內分布合理。

5結論

為了更準確的反映決堤后洪水演進的情況，采用一、二維耦合的水力學方法，建立洪水演進數學模型。其中，河道一維模型能夠獲得每個模擬時刻河道內的水面線、流量等情況，洪泛區二維模型能夠提供更加詳細的水情信息。

利用2003年、2007年歷史洪水資料對模型中主要參數糙率進行率定驗證，將實測資料和模型計算值對比分析合理性，結果表明，水位變化趨勢、最高洪水位到達時間基本一致，具有較高的模擬精度，能夠反映模型模擬的準確性。

對現狀工況遇洪澤湖百年一遇入流的設計方案進行模擬計算，得到各風險要素在研究區內的分布情況，驗證了模型的合理性，可用于蓄滯洪區洪水模擬及風險分析。endprint