基于MIKE軟件的平原保護區暴雨洪水研究

唐克銀，趙 芳，趙 釗，張 晨

(山東省水利勘測設計院，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用工作，形成了歷史洪水調查法、地貌學法和非恒定流數據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洙趙新河右堤曾劉涵洞險工段發生50年一遇標準洪水為例，對復雜條件下平原保護區內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 洙萬片防洪保護區基本情況

洙萬片防洪保護區位于魯西南地區，黃河下游，區內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、東明縣、定陶縣、鄆城縣、巨野縣、成武縣，濟寧市任城區、嘉祥縣、金鄉縣九個縣(區)行政區域的66個鄉鎮。

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—河道側向流量；α—動量修正系數；g—重力加速度；y—水位；Sf—摩阻坡降。

2.2 保護區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格線產生的方程矩陣采用追趕法求解，其連續方程、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側向連接功能，實現MIKE11的特定河段與MIKE21邊緣網格連接，實現一維與二維區域之間自由水體交換，從而模擬河道洪水漫溢后發生潰決過程，并在保護區內模擬洪水演進過程。

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和分洪流量等。

(1)河道工況條件

根據洙趙新河近幾年治理情況以及近期治理規劃，模型中河道徐河口以下斷面采用設計斷面，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是河道糙率值。山東省水利勘測設計院等有關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。根據擬定的糙率參數、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 保護區二維水動力模型

(1)網格劃分

綜合考慮保護區面積、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則網格。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域，網格適當加密，最小網格為0.00007km2。

(2)地形插值

洪水演進分析結果與地形精度密切相關，模型中地形插值高程點由1∶1萬DEM提取。根據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)糙率設置

根據《洪水風險圖編制細則》，糙率取值一般應利用實測洪水資料進行率定，無實測資料的地區可根據《水力學手冊》確定，或參考采用相似條件地區的糙率。本地區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。對保護區內的村莊、道路、耕地、河流等地物設置不同的糙率，以反映保護區下墊面對洪水演進的影響，各地物糙率取值見表1。

表1 保護區內各地物糙率參照表

(5)排水設置

根據當地實際內澇風險特點，模型在洪水退水階段考慮閘門及泵站的外排作用。依據全國第一次水利大普查及現場調查成果，部分泵站位于保護區內部，遠離支流及邊界，另有部分泵站盡管靠近支流，但無法發揮外排功能，模型計算考慮規模以上泵站50余座。

(6)蒸發與下滲

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

4 洪水演進結果分析

4.1 洙趙新河一維洪水分析成果

通過MIKE FLOOD側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 保護區二維洪水分析

(1)內澇處理

將MIKE SHE計算得到的內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，在金鄉縣滿硐鄉東部、胡集鎮北部匯集，最大水深達1.2m；潰堤24h，洪水匯集于滿硐鄉東部、胡集鎮北部，形成較大積水區；潰堤2d，洙趙新河干流洪峰消退，潰堤過程基本結束；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置水位監測點(如圖4所示)，對局部區域水位過程進行分析。潰堤后，各監測點水位均經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 水位監測點設置分布圖

因預設水位監測點與潰口遠近關系，水位依次上漲，其中潰口處監測點t1洪峰最早出現，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，最大流速出現在潰口下游250m范圍內，為1.065m/s；潰口外1.2km的范圍內，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

根據淹沒結果統計，洪水影響范圍內，水深大于0.5m的最大淹沒面積為132.55km2，占保護區總面積的8.38%。洪水退水以后，保護區內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 保護區洪水淹沒范圍及歷時圖

對保護區內模擬發生50年一遇暴雨內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，發現其主要淹沒區域、范圍、水深等特征基本一致。

5 結論

(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，模擬結果與實測或調查數據基本吻合。

(2)基于MIKE21建立的保護區二維水動力模型，利用1∶10000地形圖和全國第一次水利大普查數據，對保護區內構筑物進行概化建模，計算結果與1957年歷史大洪水淹沒范圍圖進行對比分析，模擬結果與實測或調查數據基本吻合。

(3)通過洪水淹沒特征值分析與對比，模型對保護區的概化合理，能從整體上反映保護區發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，為該區域洪水影響分析和洪水風險圖編制工作提供依據。