安徽省淮河干流行蓄洪區(qū)糙率分析

張 震，蔡正中，陳 祥

（1.安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，230088，合肥；2.安徽省防汛抗旱指揮部辦公室，230022，合肥）

安徽省淮河干流行蓄洪區(qū)糙率分析

張 震1，蔡正中2，陳 祥2

（1.安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，230088，合肥；2.安徽省防汛抗旱指揮部辦公室，230022，合肥）

為確定安徽省淮河干流行蓄洪區(qū)不同下墊面的空間糙率分布。采用水文學(xué)和水動(dòng)力學(xué)相結(jié)合方法，以1991年、2003年及2007年淮河歷史洪水實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)，搭建蒙洼、城東湖、姜唐湖、荊山湖及花園湖水文水動(dòng)力學(xué)MIKE模型，分析研究行蓄洪區(qū)不同下墊面的空間糙率取值，包括村莊、樹(shù)叢、旱田、水田、道路及河道等，提出了適用于安徽省沿淮行蓄洪區(qū)不同下墊面糙率的取值，進(jìn)行沿淮行蓄洪區(qū)的洪水風(fēng)險(xiǎn)分析。

洪水風(fēng)險(xiǎn)圖；行蓄洪區(qū)；水動(dòng)力；不同下墊面糙率；安徽；淮河干流

安徽省境內(nèi)淮河干流長(zhǎng)430 km，行政面積6.7萬(wàn)km2，有行蓄洪區(qū)18處，其中蓄洪區(qū)4處、行洪區(qū) 14處，分布在淮河中游平原地區(qū)?；春痈闪餍行詈閰^(qū)既是流域防洪體系的重要組成部分，也是洪水風(fēng)險(xiǎn)較大的地區(qū)。在歷次洪水中，淮河干流行蓄洪區(qū)為削減淮河干支流洪峰、擴(kuò)大河道泄量發(fā)揮了重要作用。

洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制是我國(guó)實(shí)踐治水新思路、落實(shí)防汛工作從“控制洪水”向“洪水管理”轉(zhuǎn)變、建立風(fēng)險(xiǎn)管理制度、開(kāi)展洪水風(fēng)險(xiǎn)管理的重要基礎(chǔ)支撐。按照防洪功能重要程度、啟用頻率等原則，安徽省確定了淮河干流蒙洼等12處行蓄洪區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)圖編制任務(wù)。

行蓄洪區(qū)糙率是洪水計(jì)算的一項(xiàng)主要參數(shù)，進(jìn)行二維非恒定流水動(dòng)力學(xué)計(jì)算時(shí)，不同的糙率取值，會(huì)計(jì)算出不同的洪水過(guò)程，直接影響洪水模擬的精度。

一、軟件簡(jiǎn)介

MIKE 11和MIKE 21是丹麥水利研究所（簡(jiǎn)稱(chēng)DHI）開(kāi)發(fā)的系列產(chǎn)品之一，本次使用的水文學(xué)模型為MIKE 11RR，水動(dòng)力學(xué)模型為MIKE 11HD和MIKE 21HD。

MIKE 21水動(dòng)力學(xué)模塊是本次洪水分析模擬最核心的基礎(chǔ)模塊，可以模擬因各種作用力產(chǎn)生的水位和水流變化及模擬任何忽略分層的二維自由表面流。水流模擬基于的控制方程是不可壓流三維雷諾Navier-Stokes方程沿水深積分的連續(xù)方程和動(dòng)量方程，其連續(xù)性方程、X和Y方向動(dòng)量方程如下：

式中：t為時(shí)間；x、y、z為右手Cartesian坐標(biāo)系；d為靜止水深；h=η+d為總水深；η為水位；u、v分別為流速在x、y方向上的分量；f為科氏力系數(shù)，f=2Ωsinθ，Ω為地球旋轉(zhuǎn)的角頻率，θ為當(dāng)?shù)氐木暥?；ρ為水的密度；?為參考水密度；fv和fu為地球自轉(zhuǎn)引起的加速度；sxx、sxy、syx和syy為輻射應(yīng)力分量；Txx，Txy，Tyx和 Tyy為水平粘滯應(yīng)力項(xiàng)；P a為當(dāng)?shù)氐拇髿鈮?；S為（us，vs）源匯項(xiàng)水流流速。τsx，τsy為風(fēng)場(chǎng)摩擦力在x、y上的分量；τbx，τby為底床摩擦力在x、y上的分量。橫線表示深度的平均值。

二、糙率系數(shù)分析

1.洪水場(chǎng)次選取

20世紀(jì)50年代以來(lái)，淮河流域洪澇災(zāi)害較大的洪水年份有 1950年、1954年、1956年、1962年、1963年、1964年、1965年、1968年、1969年、1975年、1982年、1991年、2003年和2007年等，現(xiàn)有的行蓄洪區(qū)共啟用273次，近年發(fā)生洪水年份行蓄洪區(qū)的啟用情況如下：

1991年汛期洪水過(guò)程中，安徽省內(nèi)共啟用行洪區(qū)12處。按上、下游依次為南潤(rùn)段、潤(rùn)趙段、邱家湖、姜家湖、唐垛湖、董峰湖、上六坊堤、下六坊堤、石姚段、湯漁湖（蓄滯泥黑河內(nèi)水）、洛河洼、荊山湖。

2003年汛期洪水過(guò)程中，安徽省內(nèi)共啟用蚌埠以上行洪區(qū)7處。按上、下游依次為邱家湖、唐垛湖、上六坊堤、下六坊堤、石姚段、洛河洼、荊山湖。

2007年汛期洪水過(guò)程中，安徽省內(nèi)共啟用蚌埠以上行洪區(qū)6處。按上、下游依次為南潤(rùn)段、邱家湖、上六坊堤、下六坊堤、石姚段、洛河洼。

因受歷史條件、水文站點(diǎn)資料和分洪方式等限制，選取近年具有實(shí)測(cè)水文站點(diǎn)、分洪閘分洪的蒙洼蓄洪區(qū)、城東湖蓄洪區(qū)、姜唐湖行洪區(qū)、荊山湖行洪區(qū)及花園湖行洪區(qū)進(jìn)行二維糙率系數(shù)取值研究，各行蓄洪區(qū)面積分別為180.4 km2、380.0 km2、119.2 km2、68.9 km2、218.3 km2。

涉及的歷史洪水資料包括：蒙洼蓄洪區(qū)1991年、2003年、2007年實(shí)測(cè)分洪資料，城東湖蓄洪區(qū)2003年實(shí)測(cè)分洪資料，姜唐湖行洪區(qū)2007年實(shí)測(cè)分洪資料，荊山湖行洪區(qū)2007年實(shí)測(cè)分洪資料，花園湖行洪區(qū)1991年、2003年澇水資料，各站點(diǎn)水文資料來(lái)源于安徽省水文局整編出版的水文年鑒資料，其中蒙洼蓄洪區(qū)、城東湖蓄洪區(qū)、姜唐湖行洪區(qū)、荊山湖行洪區(qū)歷次進(jìn)洪情況見(jiàn)表1。

表1 蒙洼等4個(gè)行蓄洪區(qū)歷次進(jìn)洪情況表

表2 蒙洼等5個(gè)行蓄洪區(qū)網(wǎng)格剖分情況表

圖1 1991年洪水蒙洼蓄洪區(qū)內(nèi)曹集和曹臺(tái)子站模擬結(jié)果

圖2 2003年洪水蒙洼蓄洪區(qū)內(nèi)曹集和曹臺(tái)子站模擬結(jié)果

圖3 2007年洪水蒙洼蓄洪區(qū)內(nèi)曹集和曹臺(tái)子站模擬結(jié)果

圖4 2007年洪水姜唐湖行洪區(qū)內(nèi)進(jìn)、退洪閘站模擬結(jié)果

圖5 2007年洪水荊山湖行洪區(qū)內(nèi)進(jìn)、退洪閘站模擬結(jié)果

表3 淮河干流行蓄洪區(qū)不同下墊面糙率值表

2.糙率系數(shù)分析

行蓄洪區(qū)DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于安徽省測(cè)繪局2012年測(cè)繪的DEM高程數(shù)據(jù)圖，不同下墊面區(qū)域劃分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)源于安徽省測(cè)繪局2012年測(cè)繪的1∶10 000基礎(chǔ)地理矢量信息圖。基于DEM高程數(shù)據(jù)圖、1∶10 000基礎(chǔ)地理矢量信息圖剖分了5個(gè)行蓄洪區(qū)的二維地形網(wǎng)格文件和不同下墊面糙率系數(shù)文件，二維模型剖分為三角形網(wǎng)格，最大邊長(zhǎng)為100m，網(wǎng)格剖分中對(duì)歷史年份的工況分別進(jìn)行了還原，各行蓄洪區(qū)網(wǎng)格剖分情況見(jiàn)表2。

行蓄洪區(qū)內(nèi)不同的地表類(lèi)型對(duì)洪水演進(jìn)具有不同阻力影響，洪水風(fēng)險(xiǎn)分析需考慮不同下墊面糙率系數(shù)的取值；考慮沿淮行蓄洪區(qū)內(nèi)地形地貌、種植結(jié)構(gòu)、房屋分布等相似性，劃分為村莊、樹(shù)叢、旱田、水田、道路、湖區(qū)及河道7大類(lèi)不同下墊面。

蒙洼蓄洪區(qū)內(nèi)有曹集水位站和曹臺(tái)子水位站，城東湖蓄洪區(qū)內(nèi)有城東湖水位站，姜唐湖行洪區(qū)內(nèi)有姜唐湖進(jìn)、退洪閘水位站，荊山湖行洪區(qū)內(nèi)有荊山湖進(jìn)、退洪閘水位站，花園湖行洪區(qū)內(nèi)有花園湖水位站，利用8個(gè)實(shí)測(cè)水位站資料進(jìn)行分析，對(duì)初始糙率設(shè)置進(jìn)行修正。糙率初值先參照水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)選取，通過(guò)模擬計(jì)算實(shí)測(cè)洪水過(guò)程并不斷調(diào)整糙率系數(shù)，使得水位站的模擬值與實(shí)測(cè)值吻合。其中蒙洼、姜唐湖、荊山湖內(nèi)水位站實(shí)測(cè)水位值與模型模擬值見(jiàn)圖1～5。

5個(gè)行洪洪區(qū)的8場(chǎng)次洪水各站點(diǎn)模型模擬結(jié)果較理想，實(shí)測(cè)水位與模擬水位的相位及大小得到了較好的擬合。經(jīng)實(shí)測(cè)洪水驗(yàn)證分析后的淮河干流行蓄洪區(qū)不同下墊面糙率見(jiàn)表3。

三、成果應(yīng)用

本次行蓄洪區(qū)糙率系數(shù)研究成果主要應(yīng)用于安徽省淮河流域2013—2015年度行蓄洪區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制領(lǐng)域。根據(jù)淮河干流行蓄洪區(qū)不同下墊面糙率研究成果，在3個(gè)年度洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制任務(wù)中，進(jìn)行了淮河干流蒙洼、南潤(rùn)段、邱家湖、城東湖、姜唐湖、城西湖、董峰湖、壽西湖、瓦埠湖、荊山湖、湯漁湖、花園湖12處行蓄洪區(qū)的洪水風(fēng)險(xiǎn)分析，共分析了90多個(gè)洪水風(fēng)險(xiǎn)方案，繪制了200多張淮河干流行蓄洪區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖，保證了行蓄洪區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖成果的質(zhì)量。

此外，本次行蓄洪區(qū)不同下墊面糙率研究成果為淮河流域保護(hù)區(qū)的糙率系數(shù)取值提供了參考，如應(yīng)用于淮河流域茨南淝右片保護(hù)區(qū)、潁茨片保護(hù)區(qū)等洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制中。

四、結(jié)語(yǔ)

本次研究分析還原了行蓄洪區(qū)歷史地形條件，選擇了實(shí)測(cè)的8場(chǎng)次洪水過(guò)程，利用了MIKE模型模擬計(jì)算，精確度高。模型模擬計(jì)算以二維非恒定流水動(dòng)力學(xué)等模型為基礎(chǔ)，對(duì)歷史各場(chǎng)次洪水過(guò)程分別進(jìn)行了模擬，模擬計(jì)算結(jié)果不僅對(duì)洪水峰值進(jìn)行了驗(yàn)證比對(duì)，而且使整個(gè)場(chǎng)次洪水的相位及各相位對(duì)應(yīng)水位值得到了較好的擬合。綜上所示，本次模型模擬結(jié)果可靠，提出了適用于安徽省沿淮行蓄洪區(qū)不同下墊面糙率的取值，對(duì)淮河干流行蓄洪區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)分析具有基礎(chǔ)性的意義?！?/p>

[1]中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司.淮河干流行蓄洪區(qū)調(diào)整規(guī)劃（修訂）[R]. 2008.

[2]安徽省淮委水利科學(xué)研究院.安徽省洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制項(xiàng)目實(shí)施方案（2013—2015年）[R].2013.

[3]戴文鴻，高嵩，張?jiān)?HEC-RAS和MIKE 11模型河床糙率應(yīng)用比較研究[J].泥沙研究，2011（6）.

[4]徐婷.MIKE 21 HD計(jì)算原理及應(yīng)用實(shí)例[J].港工技術(shù)，2010（5）.

[5]李燕，徐迎春.淮河行蓄洪區(qū)和易澇洼地水災(zāi)防治實(shí)踐與探索[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2013.

[6]水利部淮河水利委員會(huì).1991年淮河暴雨洪水[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.

[7]水利部水文局，水利部淮河水利委員會(huì).2003年淮河暴雨洪水[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

[8]水利部水文局，水利部淮河水利委員會(huì).2007年淮河暴雨洪水[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.

責(zé)任編輯 楊 軼

Roughness analysis for flood retention zones in Huaihe River mainstream of Anhui Province

Zhang Zhen,Cai Zhengzhong,Chen Xiang

In order to define roughness coefficient of various underlying surface on Huaihe Rivermainstream in flood discharge and retention zones of Anhui Province,MIKEmodels for Mengwa,Chengdong Lake,Jiangtang Lake,Jingshan Lake and Huanyuan Lake are created combining approaches of hydrology and hydrodynamic force and based on historical observation data of Huaihe River floods in 1991,2003 and 2007.Space roughness values of various underlying surface in flood discharge and retention zones,such as village,bushes,dry farmland,paddy field,road and river courses,have been analyzed.Roughness values of various underlying surface in flood discharge and retention zones of Anhui Province are proposed.Meanwhile flood risk analysis is carried out for flood discharge and retention zones along the Huaihe River.

flood risk analysis;flood discharge and retention zones;hydrodynamic force;roughness coefficient of various underlying surface;Anhui;Huaihe Rivermainstream

TV877+TV122

：B

：1000-1123（2017）05-0063-03

2016-10-17

張震，工程師。

全國(guó)重點(diǎn)地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制項(xiàng)目。