基于MIKE的吉林市城區洪水分析模型

張藝霖，張 琛，丁 曼

（吉林省水利水電勘測設計研究院,吉林 長春 130021）

1 項目背景

松花江（三岔河口之上）是吉林省最大的河流，形狀呈現出“S”型，穿越吉林市城內流過。在吉林省，吉林市位居第二的大型城市，屬于吉林地區的文化、經濟、政治中心。在源遠流長的歷史長河里，松花江區域水災頻繁，洪澇災害是社會經濟發展里遇到的嚴重情況，其危害日益凸顯。洪水風險圖的編制是實踐治水新思路，強化科學治水，推進防汛工作，自“把控洪水”朝著“洪水管理”變化的治水思想，構建風險監管體制，推進洪水風險監管的關鍵根基支撐。針對提升吉林市防范洪澇災害降低災情水平、縮減或者防止生命財產受損，顯得相當關鍵及緊迫。

風險圖制定范圍是吉林市主城區（牤牛河河口之上一直到豐滿水庫壩下），面積為227.11 km2，涉及豐滿區、昌邑區（不包括九站）、船營區、龍潭區，區間有較大支流溫德河匯入。吉林市城區內有10條內河，從下游到上游依次為小沙河、龍潭河、無名河、建華河、小藍旗河、大藍旗河、石井溝河、松江河、青椴河、腰屯河。松花江干流控制站有豐滿水庫站和吉林站，支流控制站有口前水文站。

2 洪水分析模型

2.1 建模思路

吉林市城區洪水分析模型采用一維河道水動力學和二維水動力學模型、一維市政管網模型三者耦合計算，以實現洪水過程的模擬。吉林市城區洪水分析模型結構如圖1所示，洪水分析模型的建立步驟如下：

（1）有效建立松花江干流以及支流一維河道水動力學模型，著重基于松花江的洪水過程加以具體地模擬研究；

（2）構建吉林市城區二維水動力學模型，分析內澇和外洪在吉林市城區地面的洪水過程；

（3）潰口的計算通過一維水動力學模型的結構物計算模塊進行概化計算；

（4）構建吉林市城區排水管網模型，重點對城區地下管網的排水過程進行模擬分析；

（5）最后，根據各個洪水分析方案的要求，將上述模型加以具體耦合，建立耦合洪水研究模型，對模型的計算結果加以研究。

圖1 吉林城區洪水分析模型結構圖

采用MIKE FLOOD模塊進行一維河道、一維管網和二維地面模型耦合計算。將一維以及二維模型加以動態耦合，能夠有效彰顯兩類模型的自身特點及優點，處理兩類模型分別運用的時候時常面臨計算精確度以及空間辨別率等情況。

2.2 模型建立

（1）松花江干流以及支流一維河道水動力模型

這一工程具體應用MIKE11水動力模型（HD）建立一維水動力學模型。MIKE11水動力模型重點用在洪水預警以及水庫統一調度、河道灌溉體系的設計調度，還有河口風暴潮的研究，可以便利靈活地進行水泵、繁雜河網水流、模態閘門等各種水工建筑物的運行調度，特別適應運用在水工建筑物繁多、控制調度繁雜的狀況。

MIKE11水動力計算模型是依托動量以及物質守恒方程，也就是一維非恒定流Saint-Venant方程組來模擬河口或者河流的水流狀況，方程組如下所示：

式中：t、x分別是具體計算點時間以及空間的坐標，A是過水斷面的實際面積，R是水力半徑，Q是過流流量，C是謝才系數，α是動量校準系數，h是水位，g是重力加速度，q是旁端入流流量。

方程組借助Abbott-Ionescu六點隱式有限差分形式具體求得解答，Abbott-Ionescu形式存在穩定性優良、計算精確度相當高的特征。離散后的線形方程組借助追趕法求得解答。

（2）吉林市城區二維水動力學模型

本項目二維模型構建擬采用MIKE 21軟件進行。模型計算網格采用矩形網格，以較好地模擬泛濫洪水在道路、小區、綠地、河道等不同地表條件下演進過程。模擬結果以數據、表格、圖像、動畫等形式輸出，內容包括：洪水水量的空間分布、淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時。

MIKE 21模態計算所依托的二維水動力學的根本方程屬于淺水方程，方程組具體見下面所示：

模型借助的數值計算方法屬于矩形交錯網格上的ADI法，離散模式借助半隱式，采用追趕法求解。

（3）吉林市城區一維管網模型

1）MIKE URBAN 水文學模型

MIKE URBAN CS由DHI進行研發，屬于模擬城市集水區域以及排水體系的管流、地表徑流、水體質量還有泥沙輸送的專業項目軟件包，能夠運用在任一類別的自由水流以及管道之內壓力流交互改變的管網里面。MIKE URBAN CS具有友好的應用界面，是用于簡單或復雜的管網系統的分析、設計、管理和操控的動態模擬工具。

MIKE URBAN CS降雨徑流模塊供應了四類不同的城市水文模型，從而用在城市地表徑流的具體計算，與之同步，供應了某一連續水文模型，從而具體計算降雨入滲狀況。徑流模塊的輸出結論是降雨出現的每一集水區域的流量，計算結論能夠用在管流計算。

2）MIKE URBAN管網水動力模型

MIKEURBAN水動力模塊重點用在計算管網中非恒定流。計算構建于一維自主水層流的圣維南方程組即動量方程以及連續性方程。

模型借助了Abbott-Ionescu六點隱式格式有限差分數值求得解答，這一計算方法能夠自動調整時間步長，且給環型或者分支管網供應合理而精準的解法。這一計算措施適用在自由水層的垂向均勻流以及排水管道的有壓流。臨界以及超臨界流均運用一樣的數值解法進行處理[1-8]。

3 模型參數的率定和驗證

3.1 一維河道模型參數的率定和驗證

一維河道水動力模型的率定工作是指在模型搭建完成后，不斷手動地調整河床糙率系數，重點涵蓋灘區以及主槽糙率系數，從而讓模型之內水文站點處的水位與流量的模擬值與實測值盡量吻合。

（1）參數率定

借助所搜集的1995年汛期7月26日到8月15日吉林站實測水位以及流量信息，對一維河道水動力模型加以有效地率定。率定的關鍵調節措施是：分別調節松花江干流與溫德河的河床主槽以及灘區的整體糙率曼寧系數（s/m1/3），從而讓吉林水文站處模擬水位、流量值以及實際監測水位、流量值較大可能地疊合。

借助一維河道水動力模型的1995年吉林水文站的水位以及流量率定情況具體見圖2、圖3。

圖2 吉林站水位率定結果圖

圖3 吉林站流量率定結果圖

從圖2、圖3能夠發現，率定情況合乎規定，漲水以及退水態勢擬合度非常好，吉林站模態水位情況跟實際檢測水位散點偏差范圍是0 m～0.20 m，吉林站模擬流量情況跟實際監測流量散點偏差范圍是0 m3/s（～300 m3/s（6%之內），都合乎有關標準及準則的規定。河道諸部分的糙率系數值率定情況具體見表1。

表1 松花江干流模型糙率系數值率定情況表

（2）模型驗證

有效依托2010年7月29日到8月20日實際監測的水文信息，對一維河道模型率定獲得的河道粗糙率系數以及產匯流系數率定結論加以具體檢驗，吉林站的流量以及水位檢驗結論具體見圖4、圖5。

圖4 吉林站水位驗證結果圖

圖5 吉林站流量驗證結果圖

自圖4、圖5發現，檢驗結論大致合乎規定，漲水以及退水態勢擬合良好，吉林站模擬水位結論以及實際監測水位散點在常態現狀下偏差范圍是0 m～0.20 m，吉林站模態流量結論跟實際檢測流量散點在常態現狀下偏差范圍是0 m3/s～600 m3/s（處于12%之內），都合乎有關標準的規定。可是，在一些時段（7月31日到8月1日、8月6日到8日、8月16日到18日），實際監測流量以及水位過程線都發生了峰值，使得模擬水位值跟實際監測水位值間的偏差達到了0.5 m上下，模擬流量值以及實際監測流量值間的偏差到了1000 m3/s。研究口前站洪摘、豐滿水庫流量信息（圖5里面紫紅線以及綠線）可以知道，以上時段里，實際監測流量以及水位過程線發生的峰值是不恰當的。所以，能夠判斷以上時段里偏差重點是因為口前站洪摘、豐滿水庫信息存在誤差或者洪水來源存在遺漏（如較小的支流匯進）所導致的。

由以上研究可知，除去2010年檢驗模型的一些時段（7月31日到8月1日、8月6日到8日、8月16日到18日）出現一定的特殊性，松花江干流以及支流一維水動力模型針對分析范圍里的河流水動力學特點展開了非常科學的概化，對典型歷史洪水展開了有效地模擬，參數率定以及檢驗結論合乎規定。

3.2 城市管網模型參數的率定和驗證

內澇模型搭建完成后，根據得到的2014年吉林站實測暴雨資料結合2014年7月23日下午15:30分大雨雨情統計資料（災情統計，記錄積水路段及積水深度），對內澇模型進行了率定。根據實測暴雨資料2014年7月23日下午15:00～16:00降雨25.1 mm，且根據了解降雨主要集中在15:30分左右。降雨過程線如圖6所示。該率定對模型模擬的最大積水深度與當時災情記錄中積水路段和積水深度進行了比較。比較結果如表2所示，可以看到，模擬值與實測值誤差范圍為-5 cm～13 cm。從圖7可以看到基本上災情記錄中有記錄的路段其積水深度和模型都較為吻合。率定的主要調整方法為：調整管網的糙率曼寧系數（s/m1/3），率定后的管網曼寧系數為0.018 s/m1/3。

表2 內澇模型模擬值與災情記錄值比較

圖6 2014年7月23日降雨過程

4 結論

（1）依托松花江干流以及支流一維水動力模型，對分析范圍里的河流水動力學特點展開了非常科學的概化，對典型歷史洪水加以有效地具體模擬，參數率定以及檢驗結論合乎規定。

（2）內澇模型模擬值與實測值誤差范圍為-5 cm～13 cm，災情記錄中有記錄的路段其積水深度和模型都較為吻合。

綜上所述，基于MIKE建立的一維河道模型和城市管網模型的參數率定和驗證結果均符合要求，模型合理有效。