河道治理工程洪水設(shè)計(jì)模擬研究

李盼盼

(遼寧遼河水利工程有限公司,沈陽 110000)

關(guān)于大中型流域的相關(guān)研究,大多根據(jù)暴雨資料或?qū)崪y(cè)流量來推導(dǎo)出設(shè)計(jì)洪水或計(jì)算洪峰,而對(duì)于缺乏實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)的小流域,通常會(huì)使用經(jīng)驗(yàn)公式法來計(jì)算洪峰[1-4]。然而,隨著信息技術(shù)的發(fā)展,分布式水文模型在洪峰計(jì)算等領(lǐng)域逐漸得到廣泛應(yīng)用,該模型通過利用雷達(dá)、RS(遙感技術(shù))、GIS(地理信息系統(tǒng))等技術(shù)獲取的信息作為數(shù)據(jù)源,將研究區(qū)分成不規(guī)則三角網(wǎng)和柵格網(wǎng)等基本單元,從空間上探究響應(yīng)因素的分布特征。一般地,將這種模型分為基于物理過程和概念性的兩類,其中概念式模型假設(shè)子單元或流域相互獨(dú)立,通過疊加計(jì)算得到整個(gè)流域的水文響應(yīng),SWAT模型是常見的概念式模型。基于物理過程的模型通過一定的求解條件和一組微分方程來分析流域的產(chǎn)匯流規(guī)律,該模型結(jié)構(gòu)緊密耦合,其中MIKE SHE和TOPMODEL是該類的典型代表。分布式水文模型的發(fā)展與RS、GIS、DEM等技術(shù)的快速發(fā)展密切相關(guān),這些技術(shù)為分布式水文模型提供了重要的支撐,使其能夠更好地模擬和分析流域內(nèi)各種水文響應(yīng)因素,實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的洪峰計(jì)算[5]。因此,本研究利用MIKE SHE模型模擬了不同工況及現(xiàn)狀條件下法庫(kù)縣遼河段的暴雨洪水過程,通過對(duì)比工程水文成果與模擬洪水過程,可為流域防洪治理及其水利設(shè)施、堤防維修養(yǎng)護(hù)提供一定指導(dǎo)。

1 河流概況

遼河上游分成西、東兩支,東、西遼河于遼寧省昌圖縣長(zhǎng)發(fā)鎮(zhèn)王子村福德店匯流后形成遼河干流。遼河法庫(kù)縣境內(nèi)河道長(zhǎng)度49.2km,流域面積736.31km2,堤防長(zhǎng)36.7km,無堤段3km,允許最大泄洪量2600-5500m3/s,流經(jīng)法庫(kù)縣東、南兩段,4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),13個(gè)村屯,保護(hù)人口8.59萬人,耕地9800hm2,現(xiàn)有險(xiǎn)工6處,穿堤建筑物6處,攔河橡膠壩2座,跨河橋梁2座。

據(jù)調(diào)查,遼河法庫(kù)縣段堤防兩側(cè)為土坡兩側(cè)堤坡草生長(zhǎng)茂盛對(duì)堤防存在安全隱患,部分堤防段存在雨淋溝,危及堤防安全。另外,由于水土流失境內(nèi)大部分河流均有不同程度的淤積,部分河段淤塞,防洪能力普遍下降,洪水災(zāi)害日益頻繁,急需實(shí)施防洪治理,河道設(shè)計(jì)洪水的準(zhǔn)確合理計(jì)算是實(shí)施防洪治理工程的關(guān)鍵,有必要利用合適的方法準(zhǔn)確模擬分析不同工況及現(xiàn)狀暴雨洪水過程。

2 MIKE SHE模型模擬

本研究充分考慮流域產(chǎn)匯流特點(diǎn)、土壤植被、水文氣象和地形地貌,應(yīng)用MIKE SHE水文水動(dòng)力模型計(jì)算分析法庫(kù)縣遼河產(chǎn)匯流特點(diǎn)[6]。對(duì)法庫(kù)縣遼河段歷年的大洪水和大暴雨實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,重點(diǎn)關(guān)注近期出現(xiàn)暴雨洪水時(shí)段,例如選擇2007年8月和2012年7月實(shí)測(cè)暴雨數(shù)據(jù),使用這些數(shù)據(jù)來率定MIKE SHE參數(shù)。在率定參數(shù)后固定這些數(shù)值,然后對(duì)地表初始水深等實(shí)時(shí)參數(shù)進(jìn)行微調(diào),以應(yīng)對(duì)可能因場(chǎng)次洪水而發(fā)生改變的情況。根據(jù)2019年超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”的實(shí)測(cè)暴雨過程,模擬現(xiàn)狀工況以驗(yàn)證分析模型參數(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

2.1 模型分析

MIKE SHE模型對(duì)于濕潤(rùn)半濕潤(rùn)蓄滿產(chǎn)流地區(qū)具有較好的適用性,并具備較好的物理意義。對(duì)于溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)的法庫(kù)縣遼河段,可以利用MIKE SHE模型進(jìn)行汛期降雨洪水過程的模擬分析[7]。一般來說,洪水形成之前會(huì)發(fā)生多場(chǎng)次小量級(jí)降水,這會(huì)增加土壤含水量使其達(dá)到飽水狀態(tài),加快產(chǎn)流速度。因此,在模擬暴雨過程時(shí),需要考慮到蓄滿產(chǎn)流的情況,這也是應(yīng)用MIKE SHE模型模擬的必要條件。

MIKE SHE模型的水流運(yùn)動(dòng)模塊由6個(gè)相互聯(lián)系且彼此獨(dú)立的子模塊構(gòu)成,包括融雪 SM、飽和帶 SZ、不飽和帶 UZ 、明渠流 OC 、坡面流 OL 和氣候ET模塊,各水文過程都對(duì)應(yīng)一個(gè)子模塊。對(duì)于法庫(kù)縣遼河段汛期洪水,在模擬分析過程匯總不需要考慮融雪和飽和帶模塊[8]。

MIKE SHE模型的水流運(yùn)動(dòng)模塊主要是由6個(gè)相互聯(lián)系且彼此獨(dú)立的子模塊構(gòu)成,這種模塊化結(jié)構(gòu)包括融雪SM模塊、飽和帶SZ模塊、不飽和帶UZ模塊、明渠流OC模塊、坡面流OL模塊和ET氣候模塊[9]。對(duì)于每個(gè)水文過程都存在與之對(duì)應(yīng)的子模塊,汛期大洪水過程中法庫(kù)縣遼河段地下飽和帶水流較為穩(wěn)定,不涉及融雪,故不考慮融雪模塊和飽和帶模塊的模擬分析。

2.2 數(shù)據(jù)資料

1)地形數(shù)據(jù)。采用地形尺度5m、分辨率1∶1萬DEM數(shù)據(jù),在CGCS2000系統(tǒng)中建立地圖坐標(biāo)系。由于研究區(qū)涉及范圍較廣,以50m精度柵格進(jìn)一步轉(zhuǎn)換DEM數(shù)據(jù),經(jīng)填挖等操作處理后,將地形數(shù)據(jù)輸入MIKE SHE模型。

2)水文數(shù)據(jù)。研究河段蒸發(fā)量取5mm/s,統(tǒng)計(jì)分析法庫(kù)縣遼河段歷年前10場(chǎng)大洪水及大暴雨數(shù)據(jù),重點(diǎn)統(tǒng)計(jì)大暴雨洪水近期發(fā)生的時(shí)間,研究選用2007年8月和2012年7月實(shí)測(cè)暴雨洪水?dāng)?shù)據(jù)驗(yàn)證及率定模型參數(shù),將雨量站實(shí)測(cè)雨量時(shí)間序列及流域內(nèi)場(chǎng)次洪水輸入泰森多邊形內(nèi),以此完成對(duì)降雨量的處理。

3)河道斷面數(shù)據(jù)。河網(wǎng)文件中包含55條二、三級(jí)和23條一級(jí)支流,并考慮實(shí)測(cè)斷面資料和概化模型提取支流及其它河段數(shù)據(jù)。

4)用地類型數(shù)據(jù)。法庫(kù)縣土地利用數(shù)據(jù)來源于國(guó)家土壤數(shù)據(jù)共享平臺(tái),通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)及用戶手冊(cè)確定各用地類型的坡面糙率值[10]。

5)邊界條件。本研究統(tǒng)一將上游邊界條件設(shè)為0m3/s,結(jié)合潮位觀測(cè)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定南遼河三面船段邊界水位,并將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入MIKE SHE模型。

2.3 參數(shù)率定

根據(jù)法庫(kù)縣遼河段歷年實(shí)測(cè)大洪水及大暴雨數(shù)據(jù),并選用2007年8月和2012年7月實(shí)測(cè)暴雨洪水?dāng)?shù)據(jù)驗(yàn)證及率定模型參數(shù),其中2007年、2012年實(shí)測(cè)洪峰流量為330m3/s和336m3/s。模型控制條件取最大3d洪量。通過“試錯(cuò)法”逐步調(diào)整模型參數(shù),經(jīng)多次試錯(cuò)最終保證最大3d洪量級(jí)模擬洪峰誤差不超過5%,經(jīng)率定確定模型的最終參數(shù)見表1。

表1 法庫(kù)縣遼河流域模型參數(shù)值

3 結(jié)果與分析

3.1 設(shè)計(jì)洪水模擬

根據(jù)工程最不利的設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成原則計(jì)算法庫(kù)縣遼河段歷次設(shè)計(jì)洪水,通過上、下段同頻率控制推求相應(yīng)區(qū)間的設(shè)計(jì)暴雨[11-14]。考慮到研究河段內(nèi)分洪控制點(diǎn)、滯洪區(qū)、水庫(kù)節(jié)點(diǎn)較多且地形差異較大的情況,研究將5個(gè)控制段進(jìn)一步細(xì)分成40個(gè)單元。研究選用降雨徑流關(guān)系法,即利用歷史降雨和徑流數(shù)據(jù)建立降雨與徑流關(guān)系的方程或曲線,以估計(jì)產(chǎn)流和水流量,并利用瞬時(shí)單位線法,通過單位線與實(shí)際降雨流量曲線進(jìn)行卷積運(yùn)算計(jì)算產(chǎn)流過程。

在洪水組合計(jì)算中,考慮分洪控制工程包括各種堤壩、堰閘和泄洪設(shè)施,滯洪區(qū)以及水庫(kù)調(diào)度等因素。使用率定好的MIKE SHE模型,通過輸入50a一遇的設(shè)計(jì)暴雨來模擬洪水過程,通過對(duì)比降雨徑流關(guān)系法、瞬時(shí)單位線法和MIKE SHE模型計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水如表2所示,評(píng)估該方法的準(zhǔn)確性和適用性。

表2 不同方法模擬的設(shè)計(jì)洪水量

由表2可知,采用工程水文學(xué)法和MIKE SHE模型計(jì)算的南遼河三面船段設(shè)計(jì)洪水總量為118000m3/s、114400m3/s,兩者之間的誤差只有3.15%。根據(jù)工程水文學(xué)法和MIKE SHE模型模擬計(jì)算的河道洪水總量及流域內(nèi)坡面水存儲(chǔ)總量相對(duì)差均不超過5%,研究表明扣除下滲、蒸散發(fā)等損失后,兩種方法計(jì)算的水量基本平衡。

對(duì)于各個(gè)斷面,采用工程水文學(xué)法計(jì)算的洪水過程與MIKE SHE模型模擬的洪水過程線變化趨勢(shì)基本一致,以南遼河三面船段為例,兩種方法計(jì)算的洪水過程線如圖1所示。

圖1 南遼河三面船段流量過程線

由圖1可以看出,MIKE SHE模型相較于工程水文學(xué)法模擬的峰現(xiàn)時(shí)間有所推移,這是因?yàn)槭芎恿魉c坡面水交互作用、地形條件等因素影響使得峰現(xiàn)時(shí)間推遲,而洪峰流量水文計(jì)算成果是河道治理工程重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容,MIKE SHE模型相比于工程水文學(xué)法模擬結(jié)果略有減小,研究成果可以為河道整治特別是防洪治理提供科學(xué)參考依據(jù)。

3.2 不同工況模擬

對(duì)法庫(kù)縣遼河段2021年現(xiàn)狀工況和規(guī)劃工況下的暴雨洪水過程利用上述率定好的模型進(jìn)行模擬,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及模擬結(jié)果,可以為洪澇嚴(yán)重河段的防洪治理規(guī)劃提供一定指導(dǎo),通過對(duì)比規(guī)劃和現(xiàn)狀工況下的模擬結(jié)果能夠?yàn)楹拥婪篮橹卫硇Чu(píng)價(jià)提供參考。

在率定好的MIKE SHE模型中輸入2021年8月法庫(kù)縣遼河段6個(gè)雨量站實(shí)測(cè)降雨數(shù)據(jù),然后向Arc GIS系統(tǒng)中導(dǎo)入以上模擬成果,研究分析淹沒水深及范圍。結(jié)合模擬成果,法庫(kù)縣遼河段規(guī)劃整治工程主要有新建排澇泵站、干支流堤防及水利設(shè)施維修養(yǎng)護(hù)等。研究模擬規(guī)劃工程時(shí),以現(xiàn)狀工況為基礎(chǔ)按照點(diǎn)源的方式,通過合理布設(shè)泵站和替換現(xiàn)狀斷面,將支流洪水匯入干流模擬規(guī)劃工況下的洪水過程,成果如表3所示。

表3 最大澇水時(shí)刻

由表3可知,在模擬至8月12日3:00時(shí),兩種工況均出現(xiàn)了坡面最大澇水,在模擬至8月13日20:00時(shí),規(guī)劃工況下大量積水已經(jīng)退去,但部分低洼區(qū)仍然存在澇水;現(xiàn)狀工況下坡面仍存在約15cm深的積水,模擬至8月15日4:00時(shí),所有坡面積水基本已經(jīng)退去。由模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),兩種工況對(duì)坡面積水分布特征的影響較小,規(guī)劃與現(xiàn)狀工況相比,其坡面退水時(shí)間提前28h,排水效果較為明顯。通過模擬現(xiàn)狀和規(guī)劃工況下法庫(kù)縣遼河段澇水分布情況,可以為改善流域的澇情以及河道防洪整治工程提供實(shí)時(shí)定量分析的參考,有利于決策者了解不同工況下的澇水情況,并采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣砀纳屏饔騼?nèi)的澇情和防洪能力。

4 結(jié) 論

文章以法庫(kù)縣遼河段為例,采用歷年實(shí)測(cè)洪水?dāng)?shù)據(jù)率定MIKE SHE模型參數(shù),并采用率定后的模型研究分析暴雨洪水過程,研究成果可以為覆蓋范圍大、地形條件復(fù)雜的河流洪水設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。根據(jù)現(xiàn)狀及規(guī)劃工況下的暴雨洪水模擬結(jié)果,可以為河道防洪整治工程的實(shí)施及其改善流域澇情作用效果定量評(píng)價(jià)提供一種新的途徑。現(xiàn)有研究主要側(cè)重于設(shè)計(jì)洪水及大洪水分析,模擬實(shí)時(shí)洪水及暴雨的研究還較少,未來仍需考慮水文條件、降水等因素不斷改善模型,進(jìn)一步提升模擬結(jié)果可靠性與有效性。