湘江流域干流堤防防洪安全形勢研究

Flood Control Safety Situation ofMain Stream Dikes in Xiangjiang River Basin

LIUChang’，PENGLulu'，YANG Liu ^1，2，3 ，FENGChang1，23，ZHOU Jialong'，LINa’，SHI Yabo1 （1.Collegeofoayndousm，HengangoalUvesityngang4a;2.engngse，tetiolCte onSpaceTechnologiesforNaturalandCultural Heritage （HST）undertheAuspicesofUNESCO，Hengyang ，China;3.Huan Environmental Education and Sustainable Development Research Base， Hengyang 421oo2， China）

Abstract：Inordertoclarifytheevolutionprocessandflodcontrolsituationof themainstreamdikesinXiangjiangRiverunder diferentflood processs，aone-dimensional hydrodynamic modelofthemainstreamof XiangjiangRiver Basinwasestablishedby usingthe MIKE11model，ndthemodelwascalibratedandverifiedbyusingthemeasuredflooddata.Theevolutionproceofflood inthemainstreamofXiangjiangRiverBasin wasanalyzedandcalculated.Theresultsshowthatinthecalculated waterlevelwitha 20-yearreturnpriodoftheZhuzhou-JnggangsectionofthemainstreamofXiangjiangRiver，theoverflow-pronepositionontheleft bank ismore thanthatontherightbank，whileinthecalculatedwaterlevelwith 5O-yearandOO-yearreturnperiods，theoverflowpronepositionontherightbankismorethanthatontheeftbank.Basedontheaalysisoftheriversectionsatthestations，iisfound thatduringthefloodprossithayarretuperiod，thereare48，28andoveflopronesectiosoothteleftnkand rightbanki-Xigaogah（lsiodsh-iniospie hydrodynamicmodelestablishedinthispapercanprovideanefectivereferenceforfloodforecastinginthemainstreamof Xiangjiang RiverBasin in the future.

Keywords： MIKE11; flood simulation;flood control of dike;main stream of Xiangjiang River Basin

在全球氣候變化的背景之下，極端氣候水文事件的發生頻率、范圍和程度都有所增加，其中以洪水災害所帶來的經濟損失最為嚴重，使得洪水模擬與預警技術的研究成為防災減災的核心課題[1-2]。而MIKE11模型作為一維水動力模擬的經典工具，憑借其高精度計算能力和靈活性，在洪水現象解析、模擬技術優化及預警系統開發中展現了重要價值。

隨著國內外研究進展的不斷深入，對于MIKE11模型的研究也體現在更多的角度上，本研究主要從國內外流域洪水現象、洪水模擬和預警預報等3個方面來介紹。 ① 從國內外流域洪水現象角度來分析，針對秦淮河流域的河網水系連通性變化[3]，通過構建一維河網模型，來揭示在不同頻率洪水尺度控制下的連通性變化;在平原河網城市中，借助MIKE模型模擬了不同重現期設計風暴的洪水淹沒情況，發現泵站的排水能力越高，可以減少極端降雨的不利影響[4]。 ② 從洪水模擬角度來看，通過MIKE11模型與其他模型進行多維度耦合，可以推動洪水模擬的精細化發展，其與二維模型（如MIKE21）的耦合實現了河道-洪泛區水動力交互的立體模擬，顯著提高了淹沒范圍預測精度5；以海島城市朱家尖所在流域為研究對象%，通過運用MIKE11模型采用不同閘門調度規則的洪水演進過程以及相同調度規則下現狀和調整后河網的洪水演進過程，發現通過合理調整河網結構和采用適宜的閘門調度規則，河道洪水水位能得到有效降低。③ 從洪水預警預報角度來看，以海門市內流域為研究對象，通過構建MIKE11水動力模型，在海門市100年一遇降雨情況下，模擬預測洪水發生時流域的最高水位及防洪措施實行后的水位情況，為以后防洪規劃提供可靠依據；在水環境預警上，以東苕溪水源地為研究對象8，借助模型模擬上游突發性水體污染事件發生后，污染物到達東苕溪水源地所需要的時間，來計算水體稀釋所需要的水量，為所研究流域水安全的預警工作提供可靠數據[9]。但同時MIKE11模型也有一定的局限性，需要依賴高精度的水文數據、城市地下排水系統與地表洪泛區的協同模擬仍待突破、實時預報的瓶頸等問題仍面臨挑戰。因此，本文借助MIKE11模型來探討在不同頻率下的洪水過程，對湘江流域的防洪預警和水利工程建設具有重要現實意義，

湘江是長江流域重要組成部分，全流域面積9.5萬 km² ，南北貫通省東部[10]。因此，湘江流域防洪工作意義重大，任務艱巨。2019年7月，湘江流域普降大雨，部分地區降大到暴雨，湘江流域于7月中上旬出現特大洪水災害，湘潭站最高洪峰水位超過保證水位 1.92m ，僅次于1994年洪峰水位，居歷史第二位，造成了重大經濟損失。因此，本研究利用MIKE11軟件構建湘江流域干流一維河道模型，根據洪水實測資料對模型進行率定和驗證，并利用驗證后的模型模擬湘江流域干游洪水過程模擬，可為以后湘江流域干游堤防防洪安全形勢提供技術支撐。

1流域及洪水概況

1.1 湘江流域防洪形勢

湘江流域位于中國中部、長江流域中游以及省中東部，地理坐標范圍為 111.89～114.25^°E， 26.05～28.66^°N ，總面積約為2.8萬 km² ，占省總面積的 13.2%^[11] 。湘江干流下游分布有長沙樞紐和株洲航電樞紐2座大型綜合水庫，主要水文控制站包括株洲站、湘潭站和長沙（三）站。

湘江流域水系發達，支流眾多，研究區域內主要支流包括瀏陽河、漣水、淇水、靳江河和淥水部分河段等。瀏陽河全長 235km ，流域面積 4665km² 主要控制站為朗梨站[12]。株樹橋水庫位于小溪河下游，庫容達2.78億 m³ ，是長沙市最大的水庫。漣水全長 234km ，流域面積 7 173km² ，為湘江中游的一級支流[13]，主要控制站為湘鄉站。澇水全長144km ，流域面積 2430km² ，主要控制站為寧鄉（三）站。在長沙市境內，湘江的主要支流包括瀏陽河、撈刀河、靳江和為水，均為流域面積較大的河流。此外，湘江與漣水、涓水共同流經湘潭市，進一步豐富了區域內的水系網絡。

湘江流域歷史上災害頻繁，災情十分嚴重。

2017年，暴雨災害影響尤為嚴重，湘江長沙站水位達到 39.21m ，突破了1998年6月27日的歷史最高水位記錄。隨著上游來水量持續增加，水位進一步上漲，橘子洲頭觀景臺被洪水淹沒。暴雨期間，湘江上游來水量激增，長株潭地區連降暴雨，水位暴漲。截至7月2日7時，湘江、瀏陽河和撈刀河的長沙河段水位均超過歷史最高記錄。2019年7月中上旬，省再次遭遇特大洪水災害，湘潭站最高洪峰水位超過保證水位 1.92m ，僅次于1994年洪峰水位，居歷史第二位；株洲站也出現了超歷史流量的洪水。此次洪水過程包含兩次水位峰值，第一次峰值后水位有所下降，但隨后出現第二次小高峰，整個洪水過程造成了重大經濟損失[14]。

1. 2 數據來源

數據主要包括建模所需的河網文件、邊界文件與湘江干流地形數據。其中河網文件來源于水系數據，各時期水系數據提取自地理空間數據云（https：//www.gscloud.cn/）遙感影像，空間分辨率為30m 。邊界文件主要包括水文數據，水文數據包括小時尺度數據，其中小時水位、流量數據來源于水文公眾服務“一張圖\"（http：//yzt.hnswkcj.com：9090/#/），2019年7月6日00：00—2019年7月28日23：00的各站點小時水位、流量數據用于模型率定，2020年6月8日00：00—2020年6月18日23：00的各站點小時水位、流量數據用于模型驗證，本研究所涉及的水位數據均統一為85國家高程。地形數據來源于地理空間數據云的DEM數據，借助ArcGIS進行裁剪所需要區域。其他模型構建所需數據將在模型介紹中詳細說明。

1.3 研究方法

一維水力學模型（MIKE11）用于分析水系變化對洪澇的影響，模型主要用于模擬河口和河流系統等水體的水流、水質和泥沙輸運等，其核心是水動力模型。模型依據一維非恒定水流基本運動方程，建立在質量和動量守恒基礎上的，以水位和流量為研究對象：

式中： Z 為水位， m;B 為過水斷面寬度； x 為距離， m;t 為時間， s;Q 為流量， m³/s;A 為過水斷面面積， m²;q 為旁側入流流量， m³/s;C 為謝才系數， m^1/2/s;R 為水力半徑； a 為動量修正系數； g 為重力加速度， m/s² □MIKE11模型所需的數據主要包括河網文件（.nwk11）、斷面文件（.xns11）、邊界條件（.bnd11）、參數文件（.Hd11），不同模塊在模擬文件（. sin11 ）中模擬。

2 MIKE11模型構建

一維水力學模型（MIKE11）用于分析水系變化對洪澇的影響，模型主要用于模擬河口和河流系統等水體的水流、水質和泥沙輸運等，其核心是水動力模型。MIKE11模型適用于不同類型的流域氣候其水文系統的模擬，其HD模塊對河網水系變化下的水文過程的模擬尤其強大。由于湘江流域典型區面積較大和模型邊界實測水位、流量數據的需求，本研究選取湘江干流株洲一靖港段為主要模擬區域，加上區域內漣水、瀏陽河、淇水3條一級支流，形成最終模擬區河段。

2.1 河網文件

河網文件主要用于描述河道文件（Network）。MIKE11中河道文件主要由節點和河段組成，因邊界的需要，各河道以水文站點為斷點，即湘江干流選取株洲一靖港段，漣水選取湘鄉站以下河段，瀏陽河選取朗梨站以下河段，水選取寧鄉（三）以下河段。將選取的水系輸入模型，經格式轉化將其概化為節點和河段，生成模型所需的河網文件。設置時，為防止模型崩潰，將各河段長度設為整數，并各河段用連接線進行連接。

2.2 斷面文件

斷面數據包括2020年水文站實測斷面及基于實測數據校正后的提取斷面。實測斷面已統一換算為85國家高程基準。最終共生成2500余條斷面數據，通過VB小程序將其轉換為模型可識別的文件格式，并制成最終的斷面文件，用于后續的水文模擬分析。

2.3 邊界文件

研究區邊界文件涉及4條河道，分別為湘江干流（ganliu）汐水（weishui）瀏陽河（liuyanghe）和漣水（lianshui），其中湘江干流需要輸入入流邊界和出流邊界，其他河道輸人入流邊界即可，不設置點源邊界。

出于對水位流量的數據精度考慮，區間入流使用直接輸入流量時間序列的方法。選取的湘江干流（ganliu）以株洲站為上邊界，為流量邊界（Inflow），下游以靖港（三）站為下邊界，為水位邊界（WaterLevel）；為水（weishui）、瀏陽河（liuyanghe）和漣水（lianshui）分別以寧鄉（三）站、朗梨站和湘鄉站為上邊界，均為流量邊界（Inflow），缺失的流量數據利用現有實測流量數據進行插補。此時模型的邊界類型為開邊界，輸入的邊界文件為時間序列邊界，而非恒定邊界，用于MIKE11HD模塊的河道模擬。

2.4 參數文件

參數文件主要是用來設置模擬所需的相關補充參數，大部分參數采取默認值即可，本研究參數文件主要需要設置初始水位、河道糙率。初始水位取實際河網水系在模型開始時刻的水位，本研究中初始水位設置為 31m 。而河道糙率為河道下墊面對水產生阻力的影響，其數值的設置與河道很多因素相關。參考相關文獻[15-17]并結合河道斷面實際情況，對概化河道糙率設置初始值（表1），再利用水位過程對其進行率定。經過多次參數調整，最終確定河道糙率范圍為0.025＼～0.030。

2.5 模擬文件

模擬文件主要用來整合水動力模型計算所需的相關模塊，設置模擬基本參數。本研究僅涉及水動力模擬，所以模塊類型選擇Hydrodynamic（水動力模塊），輸入Network（河網文件）、Cross-sections（斷面文件）、Boundarydata（邊界文件）和HDParameters（參數文件）等文件，模擬時段與邊界文件時間序列時間保持一致。時間步長是影響模型計算效率和模型穩定性的重要因素，經多次試驗，最終確定MIKE11計算的時間步長為 30s 。

2.6參數率定和驗證

受2019年7月中上旬持續暴雨的影響，省遭遇了特大洪水災害。其中，控制站湘潭站的最高洪峰水位超過保證水位 1.92m ，僅次于1994年洪峰水位，居歷史第二位；株洲站也出現了超歷史記錄的特大洪水流量。此次洪水過程呈現出雙峰特征：第一次水位峰值出現后，水位在7月14日有所回落，但隨后再次出現小幅度的二次水位峰值。這一完整的洪水過程對區域社會經濟和生態環境造成了重大損失。

為模擬此次洪水過程，本研究選取2019年7月6日00：00至2019年7月28日23：00（共計23d）作為模型率定時段，2020年6月8日00：00—2020年6月18日23：00的各站點小時水位、流量數據用于模型驗證時段。研究中收集了株洲站、朗梨站、湘鄉站和寧鄉（三）站的實測流量數據作為模型的流量邊界條件，并以靖港（三）站的實測水位數據作為模型的水位邊界條件。模型輸出結果的時間步長為1h，通過對比長沙（三）站、株洲站和湘潭站的實測水位與模擬水位數據，評估模型的精度。經過多次參數調整，最終確定河道糙率范圍為 0.025～0.030 ，其擬合效果見表2。根據模型評價標準，當納什效率系數 （E_NS） 大于0.5、決定系數 （R²） 大于0.6且相對誤差 （E_R） 小于 20% 時，認為模型具有較高的可靠性，可用于洪水過程的模擬與分析。

納什效率系數和決定系數越接近1，且相對誤差越小，表明模型模擬結果與實測數據的擬合程度越高，模型的可靠性越強，能夠更好地反映實際水文過程。因此，本研究基于表1中的評價指標，認為模型模擬效果較為理想。為進一步驗證模型的精度，選取模擬河段內的長沙（三）水文站和湘潭水文站的實測數據，將實測水位與模擬水位進行對比分析，并繪制水位擬合曲線（圖2、3）。

從擬合曲線可以看出，模型在洪水上升階段的水位模擬結果與實測值吻合較好，但在退水階段的模擬速度較實際情況偏慢。從站點水位的模擬效果來看，長沙（三）站的擬合精度優于湘潭站，尤其是在洪水峰值后的退水過程中，長沙（三）站的模擬水位曲線與實測值更為接近。這一差異可能源于湘潭站地理位置的特殊性：湘潭站靠近漣水入湘江口，受支流匯入的影響較大，導致其水文過程更為復雜，從而增加了模擬的難度。盡管如此，從表1中的評價指標來看，率定后的模型在 和 E_R 等方面均滿足研究要求，表明模型具有較高的可靠性，可用于后續的洪水過程模擬與分析。

在參數率定完成后，進一步利用實測數據對模型進行驗證分析。驗證期選取2020年6月8日00：00至2020年6月18日23：00（共計11d），時間步長為1h的洪水過程。通過對比長沙（三）站的模擬水位與實測水位數據，計算模型擬合參數。結果顯示，長沙（三）站的納什效率系數為0.87，決定系數為0.94，相對誤差為 3.78% （圖4）。上述指標表明，模型在驗證期的模擬結果與實測數據具有較高的吻合度，擬合效果良好。這一結果進一步證實了模型在研究區域的適用性，能夠較為準確地模擬河道洪水過程。

3基于MIKE11模型的不同設計頻率洪水過程

MIKE11模型經過“20190706\"場次洪水過程的長沙（三）站和湘潭站的水位過程的率定，以及“20200608”的驗證后，得到的模型適用于此研究區域。將“20190706”場次洪水過程作為典型洪水過程，設置不同設計頻率（20、50、100年一遇）的洪水過程線，作為入流邊界輸入模型，得到不同設計頻率洪水過程，提取其水面線進一步分析河道行洪能力。

對于控制流域面積較大的水文站點，參照湘潭站洪峰流量頻率[18-20]，通過面積-流量比公式推求各河流不同設計頻率洪峰流量，面積比擬計算后各站點設計洪峰流量見表3。

而后通過同倍比縮小典型洪水“20190706\"場次洪水，即可得到入流邊界不同洪水頻率的洪水過程線。以株洲站不同設計頻率洪水過程為例（圖5）。

此時，根據不同水文站點集水面積，計算出各站點不同設計頻率洪峰流量。株洲站流域面積為71979km² ，其20、50、100年一遇設計洪水洪峰流量分別為 18339、20543、22130m³/s ；湘鄉站流域面積為 6053km² ，其 20，50，100 年一遇設計洪水洪峰流量分別為 1542，1728，1861m³/s ；朗梨站流域面積為 3815km² ，其20、50、100年一遇設計洪水洪峰流量分別為 972、1089、1173m³/s ；寧鄉（三）站流域面積為 2205km² ，其20、50、100年一遇設計洪水洪峰流量分別為 562m.629.678m³/s_c

本次研究僅分析湘江流域典型區內主城區河道行洪能力，按照防洪工程規劃，長沙市主城區堤防為1級，湘潭市、株洲市主城區堤防為2級，根據水利部對《省湘資沅澧四水重要河段治理工程可行性研究報告》的審查意見，1級堤防超高為 2m 2堤防超高為 1.5m 。故本研究中株洲一靖港段湘江干流河道堤頂超高取值為 0～54869m （河段里程數）為2級堤防，堤頂超高為 2m ；其余河段為1級堤防，堤頂超高為 1.5m 。設計水位加堤頂超高為計算水位，通過比較區內河道堤防堤頂和計算水位的關系，對湘江干流株洲一靖港段河道行洪能力進行分析。河道左右岸高程與計算水位差值見圖6-—8。

湘江干流株洲—靖港段在20年一遇計算水位中（圖6），左岸發生易發生漫溢位置多于右岸，河道左右岸分別有18、13個位置的斷面易發生漫溢；在50年一遇計算水位中（圖7），右岸易發生漫溢的位置多于左岸，分別為106、124個斷面位置；在100年一遇計算水位中（圖8），左右岸斷面易發生漫溢的斷面位置分別為212、236個。

進一步以站點劃分河段，分段分析湘江干流株洲-靖港段行洪能力（圖9）。以最為危險的100年一遇的洪水過程為例，僅左岸易漫溢斷面位置為128個，僅右岸易漫溢位置為150個。兩岸都存在易漫溢的斷面位置共有86個，其中株洲一湘潭段河道共有48個斷面位置左岸和右岸都易發生漫溢，湘潭一長沙（三）段河道共有28個斷面位置左岸和右岸都易發生漫溢，而長沙（三）一靖港段河道左右岸都易發生漫溢的斷面位置為10個。以上河段的斷面位置行洪能力有待改善，需要采取相關措施提高河道行洪能力。

4結論

為分析湘江流域干流的堤防防洪安全形勢以及研究區的洪災狀況，通過MIKE11模擬了湘江流域干游洪水過程模擬，可為以后湘江流域干游洪水預報提供技術支撐。得到的主要結論如下： ① 湘江干流株洲一靖港段在20年一遇計算水位中，左岸發生易發生漫溢位置多于右岸，河道左右岸分別有18和13個位置的斷面易發生漫溢，寧鄉（三）站漫溢最少，洪峰流量為 562m³/s ② 在50、100年一遇計算水位中，都是右岸易發生漫溢的位置多于左岸；其中50a 分別為106、124個斷面位置，株洲站發生漫溢最多，洪峰流量為 20543m³/s ，100a左右岸斷面易發生漫溢的斷面位置分別為212、236個； ③ 以站點分河段分析，發現100年一遇的洪水過程中，株洲一湘潭段、湘潭一長沙（三）段、長沙（三）一靖港段河道分別有48、28、10個斷面位置左岸和右岸都易發生漫溢。

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（責任編輯：向飛）